聚焦先進(jìn)的光學(xué)薄膜技術(shù)

一、大口徑光學(xué)元件表面鍍膜技術(shù)

隨著以空間相機(jī)為代表的光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率要求越來越高，其光學(xué)元件的口徑也越來越大，發(fā)展大口徑光學(xué)元件表面鍍膜技術(shù)變得越來越迫切。大口徑光學(xué)元件表面鍍膜與通常的光學(xué)鍍膜相比有很多特殊之處，需要有針對(duì)性的專門開展研究。

首先，為保證大口徑光學(xué)元件的面形精度，避免不必要的風(fēng)險(xiǎn)，鍍膜過程中必須將基底溫度控制在較低的水平。但是，很多光學(xué)系統(tǒng)中的大口徑光學(xué)元件是直接暴露在外部環(huán)境中的，如保護(hù)窗口、主、次反射鏡等。

因此這些元件的膜層需要有良好的耐環(huán)境性能。在傳統(tǒng)的鍍膜工藝中，為提高膜層的耐環(huán)境特性，通常需要將基底加溫到200~300℃，可是這恰恰與大口徑光學(xué)元件鍍膜的基本要求之一——控制溫度，防止面形發(fā)生變化——相矛盾。而低溫成膜又會(huì)帶來膜層殘余應(yīng)力大的問題，較大的殘余應(yīng)力會(huì)增加光學(xué)元件發(fā)生面形變化的可能性。因此，發(fā)展常溫成膜技術(shù)，在較低的溫度下得到低應(yīng)力、具有優(yōu)良環(huán)境適應(yīng)性的光學(xué)薄膜是大口徑光學(xué)元件表面鍍膜技術(shù)的重要研究目標(biāo)之一。

其次，在進(jìn)行大口徑光學(xué)元件鍍膜時(shí)，鍍膜均勻性的控制變得更加復(fù)雜。以等離子體輔助電子束蒸發(fā)鍍膜為例，當(dāng)光學(xué)元件口徑超過1500mm時(shí)，由于離子源工作的要求，鍍膜時(shí)的真空度在1×10-2Pa左右，此時(shí)蒸發(fā)距離與氣體分子的平均自由程相當(dāng)，傳統(tǒng)鍍膜均勻性理論的假設(shè)條件不再成立。若再考慮到離子源的束流密度均勻性問題，則需要重新建立更復(fù)雜的模型并以實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

再次，大口徑光學(xué)元件鍍膜前的基片清洗、擦拭，以及裝夾、翻轉(zhuǎn)等過程，都必須要認(rèn)真研究，防止大口徑光學(xué)元件在上述過程中發(fā)生面形改變。

針對(duì)這些特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)并取得顯著效果。實(shí)驗(yàn)室與成都南方光學(xué)儀器廠一道研制成功國內(nèi)口徑*大的2.5m真空鍍膜機(jī)，并開展了大量工藝研究，目前已經(jīng)具備1.5m量級(jí)反射鏡鍍膜能力。實(shí)驗(yàn)室擬繼續(xù)深化大口徑反射鏡鍍膜技術(shù)研究，在提高工藝穩(wěn)定性的同時(shí)，開展4m量級(jí)反射鏡鍍膜裝備與工藝、離子束輔助定向?yàn)R射鍍膜等技術(shù)的研究。

二、新型反射鏡光學(xué)表面改性技術(shù)與裝備

空間光學(xué)系統(tǒng)中使用的大口徑反射鏡要求具有良好的物理、機(jī)械、熱學(xué)等性能以保證在嚴(yán)酷的環(huán)境下正常工作，同時(shí)還要求具有較小的重量。針對(duì)這種需求，新型的反射鏡鏡胚材料得到了深入的研究和長足的發(fā)展，其中綜合指標(biāo)較好的空間反射鏡材料是Be和SiC。這兩種材料都具有良好的物理、機(jī)械性能和較小的密度，并可輕量化，以進(jìn)一步降低重量。由于Be的氧化物具有毒性，目前使用量較少；SiC材料性能接近Be，是一種無毒并具良好性能的反射鏡鏡坯材料，近年來發(fā)展較快，在空間項(xiàng)目中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

常用的空間SiC材料有兩種：S－SiC和RB－SiC。S－SiC是一種單相SiC陶瓷材料，其結(jié)構(gòu)中存在的微孔造成表面光能吸收而導(dǎo)致反射率下降；RB－SiC中存在SiC和Si兩相，由于Si的硬度較低在加工后其表面會(huì)形成臺(tái)階狀形貌，使得粗糙度增加，因此會(huì)有較大的散射損失。為了解決光能損失的問題，國內(nèi)外通常采用的就是表面改性方法。

我們從實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件出發(fā)，結(jié)合多年從事空間光學(xué)鍍膜的經(jīng)驗(yàn)，使用了PVD方法制備大口徑SiC反射鏡改性膜層的技術(shù)。主要研究的方向有如下四個(gè)：①大尺寸反射鏡在三維尺度上薄膜的生長機(jī)理及其對(duì)薄膜厚度、膜層質(zhì)量的影響。②不同于CVD的高溫成膜，PVD可以在相對(duì)較低的溫度下制備改性層，因此需要探索如何在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)較好性能的改性膜；③建立大尺寸狀態(tài)下PVD方法制備改性膜層的均勻性物理模型，可以提高改性膜層的質(zhì)量；④改性膜層和反射鏡鏡坯的結(jié)合狀態(tài)決定了反射鏡的性能，我們對(duì)相關(guān)的相互擴(kuò)散機(jī)理，結(jié)合方式進(jìn)行了研究。

我們使用PVD方法，對(duì)Si改性膜層和SiC改性膜層這兩種改性膜層都進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，并發(fā)表了多篇高水平學(xué)術(shù)論文，并且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的空間項(xiàng)目中成功的應(yīng)用了Si改性膜層技術(shù)，使SiC反射鏡性能得到了明顯的提升，滿足了設(shè)計(jì)要求。

三、雷達(dá)隱身薄膜材料

導(dǎo)彈、飛機(jī)等武器的雷達(dá)目標(biāo)特征控制一直是隱身技術(shù)研究的重點(diǎn)，由于傳統(tǒng)的雷達(dá)吸波材料不能用于觀通器件，降低導(dǎo)彈制導(dǎo)艙、飛機(jī)觀察窗的雷達(dá)散射截面（RCS）是實(shí)現(xiàn)其雷達(dá)隱身的關(guān)鍵內(nèi)容。雷達(dá)隱身薄膜材料兼具結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)的雙重優(yōu)勢，具有優(yōu)異的濾波特性，與傳統(tǒng)的吸波材料相比，又具有“厚度薄、質(zhì)量輕、帶寬寬”等優(yōu)點(diǎn)，是導(dǎo)彈、飛機(jī)上觀通器件雷達(dá)隱身的優(yōu)選材料。

針對(duì)不同的制導(dǎo)頻段，雷達(dá)隱身薄膜材料又可分為三種：用于電視末制導(dǎo)艙雷達(dá)隱身的銦錫氧化物（ITO）薄膜、用于紅外末制導(dǎo)艙雷達(dá)隱身的感性網(wǎng)柵薄膜和用于雷達(dá)末制導(dǎo)艙帶外雷達(dá)隱身的頻率選擇表面（FSS）。雷達(dá)隱身薄膜材料的設(shè)計(jì)涉及光學(xué)、電磁學(xué)和材料學(xué)三大領(lǐng)域。而在制作上，ITO膜為連續(xù)薄膜，采用合適的鍍膜工藝設(shè)備和手段即可實(shí)現(xiàn)；感性網(wǎng)柵膜是一種非連續(xù)薄膜，其性能與結(jié)構(gòu)和材料相關(guān)，且線寬越窄、性能越好，因此，制作感性網(wǎng)柵膜將涉及光刻與鍍膜兩大領(lǐng)域；FSS不僅結(jié)構(gòu)上不連續(xù)，而且對(duì)材料的厚度、介電參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、單元排列方式等相當(dāng)敏感，因此，制作FSS的工藝手段需結(jié)合光刻、鍍膜和層合等三種工藝技術(shù)。

經(jīng)過十幾年的努力，實(shí)驗(yàn)室隱身學(xué)科組逐步發(fā)展壯大。已擁有專業(yè)FSS設(shè)計(jì)分析軟件及多臺(tái)套加工、測試設(shè)備，有高精度球面激光直寫設(shè)備1臺(tái)、高速高精度凹球面涂膠機(jī)1臺(tái)、高精度凹球面定心儀1臺(tái)、高精度測量顯微鏡1臺(tái)、可見及紅外光譜儀各1臺(tái)、各種鍍膜機(jī)8臺(tái)及其它多臺(tái)輔助設(shè)備和儀器；已建立起光刻工藝、鍍膜工藝、FSS軟刻蝕工藝和測試等多個(gè)實(shí)驗(yàn)室；確定雷達(dá)隱身薄膜材料、曲面微細(xì)加工技術(shù)、電磁屏蔽結(jié)構(gòu)與材料等研究方向。

四，可見、近紅外、中波紅外、長波紅外多譜段共用光學(xué)薄膜

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前越來越多的光學(xué)系統(tǒng)采用多譜段共光路的設(shè)計(jì)，近來出現(xiàn)了許多二光、三光甚至四光合一的光學(xué)系統(tǒng)。在這些多光合一的光學(xué)系統(tǒng)中，多譜段共用光學(xué)薄膜的性能對(duì)于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能來說至關(guān)重要。特別是當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)中多譜段共用的光學(xué)元件較多時(shí)，光學(xué)薄膜的優(yōu)劣可能使光學(xué)系統(tǒng)的總體透過率有非常大的差別。因此，發(fā)展多譜段共用光學(xué)薄膜技術(shù)是提高多光合一光學(xué)系統(tǒng)性能的主要技術(shù)手段。

現(xiàn)階段的多光合一光學(xué)系統(tǒng)更多的是包括可見光和中、長波紅外，多譜段共用光學(xué)薄膜主要有反射膜、多譜段寬光譜減反膜和分色膜。對(duì)于反射膜來說，采用金屬反射的方法比較容易實(shí)現(xiàn)多譜段高反射率，提高金屬反射膜的環(huán)境適應(yīng)性是研究的重點(diǎn)。

波長跨度較大的多譜段寬光譜減反膜對(duì)膜系設(shè)計(jì)和制備工藝的要求非常高。由于鍍膜材料的選擇范圍十分有限，因此膜系設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)圜余地很小，只能通過增加膜系的復(fù)雜程度來達(dá)到要求。

越是復(fù)雜的減反膜系對(duì)鍍膜工藝的敏感程度就越高，這就要求鍍膜工藝有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。因此，多譜段寬光譜減反膜的先進(jìn)的膜系設(shè)計(jì)思想和穩(wěn)定的鍍膜工藝是主要的研究方向之一。

而多譜段的分色膜實(shí)現(xiàn)起來就更加困難。這主要由以下幾個(gè)特點(diǎn)決定：波長跨度大；分色效率要求高；對(duì)環(huán)境適應(yīng)性要求高；有時(shí)包括大功率激光。這些特點(diǎn)給分色方案的確定、基底和鍍膜材料的選擇、膜系設(shè)計(jì)、鍍膜工藝等方面都帶來了很大的困難。必須經(jīng)過系統(tǒng)的研究才能逐漸將多譜段共用薄膜技術(shù)發(fā)展完善。

五、激光對(duì)抗高損傷閾值薄膜及激光的防護(hù)

隨著近年來激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光武器已經(jīng)逐漸由設(shè)想成為了現(xiàn)實(shí)。大功率激光武器作為定向能武器的出現(xiàn)，以及由此帶來的發(fā)射與防護(hù)等問題都對(duì)光學(xué)薄膜提出了新的、更高的要求。

首先，在大功率激光武器系統(tǒng)中，用于反射或透射高能激光的光學(xué)元件上的光學(xué)薄膜需要具有高損傷閾值，保證光學(xué)元件的正常工作。當(dāng)高能激光與武器的光學(xué)跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)共光路時(shí)，光學(xué)薄膜還要在保證高損傷閾值的同時(shí)，滿足激光和跟瞄系統(tǒng)工作波段的光學(xué)性能。如果在開放式的系統(tǒng)中還要有良好的環(huán)境適應(yīng)性。這些要求隨著激光功率的提高，實(shí)現(xiàn)的難度將大幅度上升。因此，開展光學(xué)薄膜的激光損傷機(jī)理研究，發(fā)展相關(guān)制備和測試技術(shù)是開發(fā)大功率激光武器的必經(jīng)之路。

其次，由于激光武器的發(fā)展，用于偵察、跟蹤、對(duì)抗等的光學(xué)系統(tǒng)面臨著越來越大的威脅。通過光學(xué)薄膜的方法發(fā)展的激光防護(hù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些光學(xué)系統(tǒng)免受激光武器傷害的有效途徑之一。在光學(xué)系統(tǒng)中，可以采用光學(xué)鍍膜的方法對(duì)光譜進(jìn)行選擇性透過，將激光波長過濾出去，使其不能進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)可以免受傷害。

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