多层红外光学窗口保护膜的光学性能、显微硬度及适应性分析

【摘要】ZnS与GaAs、Ge是常见的窗口材料，但是这些材料自身具有一定的缺陷，如硬度较低、脆性大、不耐腐蚀、反射损失大等等，所以不能在实际应用中直接作为窗口使用，必须进行镀膜才能保证其应用的基本性能，所以研究红外光学窗口的镀膜性能与适应性是提高其理化性能，已经成为目前红外光学窗口的研究重点，下面就针对不同的镀膜进行了对比试验，研究其光学、理化、硬度、适应性等问题。

【关键词】镀膜设计 光学检测 硬度检测 腐蚀试验

一、红外光学保护膜的系统设计

多层红外线光学窗口的保护膜是一种特殊的光学膜，其本身是减反射膜，一方面要透光性较强同时要求其具备一定的耐久性。红外窗口保护膜在设计的时候必须考虑到期理化性能，尤其是在机械性能、化学性能、光学性上的适应性。同时必须考虑镀膜时工艺的可行性与可靠性。因为不同的工艺性能采用的元素不同，其工艺模式也就不同，为了提升红外线膜的整体性能和镀膜过程中的可行性，应采用更为简单的工艺方式完成，多层红外窗口保护膜的设计应遵循此原则。所以多层红外线窗口的镀膜多数都控制在四层以下，具体的设计选择可以按照不同的使用环境进行考虑。

二、红外光学窗口的镀膜与检测

多层镀膜的工艺特征就是利用化学方式将膜材料结合在窗口材料商，其中DLC和BP膜材料利用射频增强化学气象沉积的方式完成镀膜，其中BP膜采用的是磷烷和硼烷两种气体作为加工的气体原料。DLC则是利用碳氢气体作为镀膜的气源，因为BP和DLC镀膜的生长机理存在差异，所以这两层膜需要在不同的化学环境下完成镀膜。因此在设计工艺的时候应进行控制，设施不同的气相平成加工。多层红外保护膜中的GexC1-x和α-Si膜测试利用溅射工艺完成镀制。在工艺实施中GexC1-x所利用的是Ar/碳氢混合物溅射到锗靶上从而完成镀膜，α-Si则是直接进行溅射到硅靶上完成镀制。

多层的户外保护膜的检测需要利用相关的仪器，借助傅里叶变换红外光谱完成测试，检测的时候设备的分辨率应控制在4cm﹣1，扫描次数设置在10。镀膜表现形成的样貌则利用对应的原子力显微镜进行直接观察与分析。利用显微硬度测量仪器测量样本的显微硬度。样本的适应性测试在海洋环境下进行测试，测试的时间设计为6个月。

三、试验的结果与测试分析

光学性能测定。在测试中利用一面多镀层的保护膜和一个镀减反射膜的样本进行光学比对，从检测的结果可以看出，试验中采用的红外光学窗口的多层保护膜在8-12μm波段显示出现的平均透过率在87-92%之间，和传统的工艺相比，Ge和DLC膜的窗口透过率值相似，测试中BP01样本和传统的Ge窗口（一面镀层为DLC，一面为减反膜，其透过率曲线在大部分范围内其透过率是相当的。

实际测量中，多层保护膜样本的透过率仅仅比理论值低2%，主要是因为其使用的材料，BP、GexC1-x、α-Si在实际透光时，长波红外线吸收率不能十分精确的计算，导致膜系统设计时存在误差，如：α-Si膜在9μm附近会出现吸收的峰值，这些都会导致整体膜系统的透过率计算值偏低。

材料硬度。在分析中发现，对于ZnS窗口的红外窗口多层保护膜实测硬度值而言，样本测试得出的硬度值是多层膜与ZnS窗口的综合硬度，ZnS完成多层膜的镀制后，硬度有所提高，其范围在3-5倍。在检测中发现，BP/DLC保护膜与ZnS窗口结合后其整体硬度与单晶硅的硬度相似。镀多层膜后ZnS窗口硬度与单晶锗的硬度相当。可以看出BP/DLC保护膜抗划伤能力更强。

适应性试验。在适应性测试中，试验按照相关标准规定进行了高温、低温、湿热、盐雾等测试，其中除了Si01样本没有通过相关测试外，其他样本都通过了试验检测。Si01号样本没通过的原因是α-Si不能与ZnS之间形成很好的结合效果。而DLC和α-Si结合的能力较好，DLC膜的巨大本征应力直接转嫁到α-Si与ZnS外部环境的影响下其应力释放从而导致了膜材料的脱落。

海洋腐蚀性测试中，在相邻海域内对Ge窗口多层保护膜进行了腐蚀试验，其试验历时6个月，其中间隔一个月对其进行检测一次。在试验中利用没有镀膜的材料进行对比。并对照不同镀层的保护性能。Ge窗口在不镀膜的清下表出现了明显的腐蚀痕迹，严重的受到了腐蚀，从抛光的表面腐蚀成为凹凸不平的表面，透过率迅速降低近零。观察镀膜窗口明显改善了其抗腐蚀的能力，三种多层镀层的保护膜其抗腐蚀性能依次为：BP/DLC、α-Si、GexC1-x/DLC，所以BP/DLC性能最好。

四、结束语

在不同窗口材料上利用不同镀制工艺设计镀制了波长为8-112μm的红外镀层，其中CexC1-x/DLC、BP/DLC、α-Si/DLC三种不同的系列多层保护膜，多层保护膜的镀制可以增加窗口的透光性能和抗腐蚀性能。在研究中发现：镀膜GexC1-x/DLC多层膜提高了窗口的光学性能，透过率可以达到92%左右；BP/DLC多层镀膜的硬度最大，可以对窗口材料进行长时间保护，经腐蚀试验后，BP/DLC多层镀膜的腐蚀缺陷几乎为零；同时发现在海洋环境下，多层镀膜表面缺陷的出现是因为镀膜本身的缺陷或者电化学腐蚀的效果，因此可以从这个切入点进行研究进行改进。

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