用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系及制備方法技術

用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系及制備方法，該金增強反射膜系結構如下，自主鏡表面開始，依次為：打底層、金層、過渡層、介質增強膜系層；其中打底層采用鉻、鎳鉻合金，厚度10nm?25nm；金膜層厚度95nm?105nm；過渡層采用二氧化鉿，厚度15nm?150nm；介質增強膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合。本發明專利技術在近紫外、可見光與紅外波段均具有高反射效率同時兼具優良的環境穩定性與較長使用壽命，光譜反射效率在可見光波段高出約8%；膜層更加耐用；使用反射波段拓展至近紫外與可見光波段；本發明專利技術膜層帶來的應力要遠遠小于全介質反射鏡。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系，屬于光學鍍膜加工
，尤其是一種寬反射帶寬、低膜層應力、高效長壽命反射鏡組件膜系及其制備方法。
技術介紹
光學反射鏡在大型天文望遠鏡與大型光學儀器中應用十分廣泛。由于反射光學系統對玻璃材料在光學性能上沒有特殊要求，光線不需透過材料本身，主鏡可以進行輕量化加工減輕重量和無色差，且大口徑透鏡的光學材料不可多得，價格昂貴，因此大型光學儀器一般都采用了反射式結構設計。大口徑光學反射鏡的效率與壽命對光學系統有著至關重要的影響。大型天文望遠鏡主鏡通常采用鋁反射涂層。鋁涂層在紅外，可見以及紫外波段均有較高的反射效率，鋁膜與玻璃基板附著良好，制備成功的鋁鏡可連續工作幾年，然而，鋁涂層也存在明顯的不足，主要是在紅外波段存在自身輻射，這就限制了其在紅外波段的應用，且鋁鏡在可見光波段的反射效率較低，與銀大約相差了8%。銀是鍍制金屬反射膜優良的材料，在可見光與紅外波段都有比鋁鏡更高的反射效率，而且，傾斜使用時引入的偏振效應較小。但銀涂層也存在明顯的不足：一是紫外波段反射較低；二是與玻璃基板附著較差；三是環境穩定性不如鋁膜，易在空氣中硫化與酸化，鏡面發生變化。因此銀膜壽命是困擾其應用于望遠鏡主鏡的重要因素。金是用于紅外波段的反射涂層材料，其在紅外波段具有很高的反射效率且金膜非常穩定，不與空氣中的酸堿物質反應，但其波長短于600nm后反射效率迅速下降，無法用于可見光及紫外波段。全介質反射鏡是由高低折射率的介質氧化物交替鍍制而成，其在反射帶寬內具有很高的反射效率和很長的使用壽命，但其反射帶寬有限，膜系厚度與反射帶寬成正比，厚膜會帶來較大的膜層應力導致反射鏡面形改變。現有技術迄今未找到一種能夠在近紫外、可見光與紅外波段均具有高反射效率同時兼具優良的環境穩定性與較長使用壽命的反射鏡組件膜系方案。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對目前大型天文反射鏡在反射效率、使用壽命及反射帶寬等方面不能同時兼顧的不足提出一種可在近紫外、可見光與紅外波段均具有高反射效率同時兼具優良的環境穩定性與較長使用壽命的反射鏡組件膜系及其制備方法。本專利技術的技術解決方案是：一種用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系，其特征在于，該金增強膜反射系結構如下，自主鏡表面開始，依次為：打底層、金層、過渡層、介質增強膜系層；其中打底層可以采用鉻、鎳鉻合金，厚度10nm-25nm；金膜層厚度約95nm-105nm；過渡層采用二氧化鉿，厚度15nm-150nm，厚度根據反射鏡要求優化決定；介質增強膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合。本專利技術由高、低折射率交替的介質氧化物材料組合，起到保護金膜同時增加特定波段反射效率的作用，是一種具有寬反射帶寬、低膜層應力、高效長壽命反射鏡膜系。上述方案的進一步優化，所述打底層鉻、鎳鉻合金的厚度為15nm-20nm；所述金膜層厚度為100nm；所述過渡層二氧化鉿的厚度為25nm-120nm。例如：所述介質增強膜系層中，二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合是指：H1、H2、H3分別代表光學膜厚為λ/4的五氧化三鈦，五氧化二鉭，二氧化鉿高折射率膜層，L代表光學膜厚為λ/4的二氧化硅低折射率膜層，N1與N2是膜堆中高低折射率膜層周期的重復次數。組合方案一為：(0.5H1L0.5H1)^N1(0.38H20.76L0.38H2)^N2；組合方案二為：(0.5H1L0.5H1)^N1(0.38H30.76L0.38H3)^N2。完成本申請第二個專利技術任務的技術方案是，上述用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系的制備方法，其特征在于，步驟如下：（1）工作條件：反射鏡鍍制需在萬級以上潔凈車間內完成，鍍制前需要對真空室內部件進行徹底清潔并烘烤干凈，車間內相對濕度應小于60%；（2）工作準備：加入需要使用的鍍膜材料，清潔待鍍反射鏡并放入真空室，對真空室進行抽真空；（3）打底層鍍制步驟：離子源轟擊清潔反射鏡面，蒸鍍打底層材料鉻或鎳鉻合金，厚度10nm-25nm；（4）金膜鍍制步驟：金膜層控制厚度約100nm；（5）過渡層鍍制步驟：過渡層采用二氧化鉿，厚度15nm-150nm，厚度根據反射鏡要求優化決定；（6）介質增強膜系層鍍制步驟：介質增強膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合，由高、低折射率交替的介質氧化物材料交替組成，起到保護金膜同時增加特定波段反射效率的作用。更具體和更優化地說，各步驟操作方法如下：步驟（2）加入需要使用的鍍膜材料，是指：在無氧銅坩堝中分別加入鉻或鎳鉻合金、金粒、二氧化鉿、二氧化硅、五氧化三鈦、五氧化二鉭等膜料；步驟（2）對真空室進行抽真空，鍍前真空度應優于6×10-4Pa；步驟（3）打底層鍍制步驟：打底層鍍制材料為鉻或鎳鉻合金，鍍前真空度優于6×10-4Pa，霍爾離子源轟擊10分鐘用于清潔鏡面，離子源參數：充40SCCM氧氣，離子源陽極電壓180伏，陽極電流6安培；步驟（6）介質增強膜系層鍍制步驟：介質增強膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合（由反射鏡效率要求決定），烘烤溫度100℃-200℃（由成膜工藝條件決定），恒溫2-4小時（由反射鏡幾何尺寸決定），輔助蒸鍍離子源參數：充40SCCM氧氣，離子源陽極電壓180伏，陽極電流6安培。由于采用了上述方案，本專利技術與現有技術相比具有如下有益效果：本專利技術提出一種可在近紫外、可見光與紅外波段均具有高反射效率同時兼具優良的環境穩定性與較長使用壽命的金增強反射鏡膜系及其制備方法。（1）本專利技術所涉及金增強型反射鏡相比于鋁反射鏡，光譜反射效率在可見光波段高出約8%；（2）本專利技術所涉及金增強型反射鏡相比于銀反射鏡，不受使用環境中的酸性物質影響，因此環境穩定性與使用壽命大大提升，膜層更加耐用，使用壽命提升至5年以上；（3）本專利技術所涉及金增強型反射鏡相比于傳統金反射鏡，使用反射波段拓展至近紫外與可見光波段；（4）本專利技術所涉及金增強型反射鏡相比于全介質鏡，相同反射帶寬情況下，膜層帶來的應力要遠遠小于全介質反射鏡，以350nm-900nm波段反射鏡為例，口徑100mm，厚度10mm的熔石英材料平面反射鏡，鍍膜前基片面形精度加工至λ/10（PV），全介質反射鏡完成后，面形降低至λ/2—λ/3（PV），而金增強型反射鏡完成后，面形僅發生微小變化λ/9—λ/10（PV）。附圖說明圖1是鋁、銀、金膜的理論反射率圖；圖2是本專利技術涉及的金增強型反射鏡與鋁鏡、金鏡反射率對比圖；圖3是本專利技術涉及的金增強型反射鏡膜系結構示意圖。具體實施方式實施例1，用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系，參照圖3：圖中，光學反射鏡片1，打底層2，金層3，過渡層4，介質增強膜系層5。用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系制備工藝方法具體如下：（1）工作條件：反射鏡鍍制需在萬級以上潔凈車間內完成，鍍制前需要對真空室內部件進行徹底清潔并烘烤干凈，車間內相對濕度應小于60%；（2）工作準備：在無氧銅坩堝中分別加入鉻或鎳鉻合金、金粒、二氧化鉿、二氧化硅、五氧化三鈦、五本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系，其特征在于，該金增強反射膜系結構如下，自主鏡表面開始，依次為：打底層、金層、過渡層、介質增強膜系層；其中打底層采用鉻、鎳鉻合金，厚度10nm?25nm；金膜層厚度95nm?105nm；過渡層采用二氧化鉿，厚度15nm?150nm；介質增強膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合。

【技術特征摘要】
1.一種用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系，其特征在于，該金增強反射膜系結構如下，自主鏡表面開始，依次為：打底層、金層、過渡層、介質增強膜系層；其中打底層采用鉻、鎳鉻合金，厚度10nm-25nm；金膜層厚度95nm-105nm；過渡層采用二氧化鉿，厚度15nm-150nm；介質增強膜系層采用二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合。2.根據權利要求1所述的用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系，其特征在于，所述打底層鉻、鎳鉻合金的厚度為15nm-20nm；所述金膜層厚度為100nm；所述過渡層二氧化鉿的厚度為25nm-120nm。3.根據權利要求1或2所述的用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系，其特征在于，所述介質增強膜系層中，二氧化硅、五氧化二鉭或二氧化硅、二氧化鉿或二氧化硅、五氧化三鈦或三種搭配的任意組合是指：H1、H2、H3分別代表光學膜厚為λ/4的五氧化三鈦，五氧化二鉭，二氧化鉿高折射率膜層，L代表光學膜厚為λ/4的二氧化硅低折射率膜層，N1與N2是膜堆中高低折射率膜層周期的重復次數，其中：(0.5H1L0.5H1)^N1(0.38H20.76L0.38H2)^N2；或(0.5H1L0.5H1)^N1(0.38H30.76L0.38H3)^N2。4.權利要求1所述的用于大型天文望遠鏡主鏡的金增強型反射膜系的制備方法，其特征在于，步驟如下：（1）工作條件：反射鏡鍍制需在萬級以上潔凈車間內完成，鍍制前需要對真空室內部件進行徹底清潔并烘烤干凈，車間內相對濕度小于60%；（2）工作準備：加入需要使用的鍍膜材料，清潔待鍍反射鏡并放入真...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王晉峰，王燁儒，田杰，李新南，
申請(專利權)人：中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所，
類型：發明
國別省市：江蘇;32