浅谈红外增透膜

红外技术最初主要用于军事领域，后来随着科技的发展，红外在大气探测、航天、甚至很多民用等领域也逐渐扮演重要角色。在红外光学系统中，红外光能量的透过率决定了该系统性能的好坏。减少光学元件表面的反射，从而増加光学系统在工作波段内的透过率对于生产实践有着重大意义。因而，通过在红外光学元件表面镀制増透膜来降低其表面反射损失，从而提高整个光学系统的性能己成为研究重点。随着现代光学的发展，红外光学系统的应用日益増多，越来越多地光学器件要求工作波段在红外区，这就使得高性能红外増透膜的研制成为光学研究中的重要部分。

1红外增透膜

目前，红外増透膜在近红外和中红外波段应用较为广泛。一方面，近红外光谱分析技术的兴起，以及活体无探伤检测等优点使得近红外备受关注；另一方面，随着红外成像、红外探测、红外遥感以及航天航空等领域的应用与发展，中红外的研究也有着重大意义。

1.1近红外（0.78〜2.5μm）波段增透膜

可见和近红外光谱分析具有信息量大、测试种类 多、无损测试等优点，因此镀制可见与近红外的増透膜在分析测试领域有着重要意义，贺才美等以多光谱ZnS（硫化锌）为基底，以ZnS和YbF3（氟化镱）为高低折射率材料所镀制的増透膜在400〜1000nm的平均透射率大于91%，实现了可见与近红外的増透效果；杨道奇等分别以TiO2（二氧化钛）、M1（主要成分是Pr:Al2O3）和SiO2（二氧化硅）为高、中、低折射率材料镀制増透膜，并在620〜1550nm的平均透射率达到97%；李帅等用TiO2和SiO2作为高低折射率材料，在K9玻璃上镀制的増透膜在0.55〜0.78μm和1.0〜1.3μm波段的平均透过率达到了97.04%。

为提高近红外光学系统性能，孙亚军等分别以TiO2和SiO2为高低折射率材料，以氟化钙（CaF2）为基底，所镀制的红外増透膜在0.9〜1.7μm的平均透过率达到了99.42%，最大透过率更是高达99.98%。

1.2红外（2.5〜25μm）波段增透膜

目前，研究最多、应用最广的应属中红外波段増透膜。早在20世纪80年代李梦珂等根据当时卫星使用的红外地平仪的需要在锗（Ge）基底上镀制氟化钡（BaF2）/硒化锌（ZnSe）双层膜，并在14〜16μm波段取得良好的増透效果。随后又有学者通过在单晶 锗上分别镀制单层ZnS、碲化镉（CdTe）和ZnSe实现了10.4〜12.5μm波段的红外増透效果，并对这3种单层红外増透膜进行了比较研究。在中红外波段増透膜中，高透过率、宽光谱覆盖范围一直是研究的重点，其中宽带红外増透膜和双波段红外増透膜的应用更是研究的热点。

1.2.1宽带红外増透​膜

早在20世纪80年代，许步云就对8〜14μm和2〜14μm两个波长范围的宽带増透膜进行了研究。关于宽带増透膜镀制基底材料的选择是十分关键的，例如周团团等采用离子束辅助沉积技术，在钼酸铅晶体表面镀制了宽红外増透膜，该研究在光纤通信领域的发展中有着重要意义。除此之外，目前在中红外増透膜的研究中，以Ge、Si等高折射率材料作为基底的研究很多，比如1998年，黄伟等分别使用高、低折射率材料ZnSe和BaF2在Ge基片上镀制的红外宽带増透膜在8〜12μm波段的平均透过率达到97%；之后，李大琪等将宽带増透膜的研究带宽増加到了6.4〜15μm，这一成果在航天航空遥感信息领域具有重要意义；闫兰琴等在Ge基底上镀制的以Ge、ZnS和YbF3为高、中、低折射率材料的红外増透膜平均透过率大于98%，最大透过率更是高达99.2%（但是其透过带宽7.5〜11.5μm相对有所减小）。

事实上，宽带红外増透膜的研究不仅仅局限于高 折射率材料作为基底，以ZnS、ZnSe等低折射率材料为基底的宽带増透膜也有不少报道。闫兰琴等采用低折射率材料CVD硒化锌作为基底，由ZnSe、ZnS、YbF3分别作为高、中、低折射率材料镀制的红外増透膜在7〜14μm波段平均透过率也达到了97%，具有明显的宽带増透效果；后来潘永强等同样以ZnSe为基底，并以ZnSe和YF3为高低折射率材料设计并镀制了2〜16μm的超宽带红外増透膜，但测试结果相对较低，其平均透过率仅有93%。

1.2.2双波段红外増透膜

除了宽带红外増透膜，关于双波段的研究也有很多。其中，3〜5μm和8〜12μm是学者比较关注和应用范围较广的波段。通过在红外窗口或透镜上镀制3〜5μm和8〜12μm双波段兼容的红外増透膜，提高红外信号的透过率和红外光学系统的性能，在中红外波段的研究领域中具有重要意义。潘永强等对Ge基底3〜5μm和8〜12μm双波段红外増透进行了研究，镀制红外増透膜后，该双波段范围内平均透过率达到94%；付秀华等将3〜5μm和8〜12μm双波段红外増透膜镀制在ZnS导流罩上，即使在曲面基底上，此波段范围内的平均透过率依然在90%以上；张杏梅对3〜5μm和8〜12μm双波段红外光纤端面进行了研制，通过在光纤断面镀制红外増透膜，不仅在减少了反射损失，还起到了保护膜层的作用。除了3〜5μm和8〜12μm双波段红外増透膜，还有许多其它波段范围的双波段红外増透膜，比如王彤彤所研制的ZnS窗口针对于高速飞行器的0.8〜1.7μm和3.7〜4.8μm的双波段红外増透膜就满足了高速飞行器的窗口需求。

1.3红外增透膜的拓展研究

红外増透膜的研究绝不仅仅是局限于波段范围的透过率的研究，随着应用范围的不断扩大，人们对红外増透膜的研究内容也不断増加。比如，将导电网膜应用在红外成像系统的窗口上，使其在红外窗口上也具有防霜、防雾以及衰减电磁波的功能。因此，为提高红外系统成像质量，同时使其具备电磁波衰减性能，车英等对这两项技术进行了综合研究（即在一定周期、一定线宽的网膜上加镀红外増透膜）。又比如鄢秋荣等设计的ZnSe基底3〜12μm渐变折射率红外増透膜，在设计波段平均透射率达到95%，且沿着膜层表面的法线方向折射率连续变化，而在垂直于法线的水平方向上折射率保持不变。甚至由于实际应用的需要，人们己经不仅仅满足于单纯某一波段的红外増透，更是希望在改变入射角时依然能具有较好的増透效果。然而入射角度的变化势必会产生偏振影响。据此，Baumeister和Costich在早期就考虑过消偏振理论。但在实际光学薄膜实验中消偏振问题一直是一大难题，对于红外増透薄膜更是如此。国内红外消偏振红外増透膜的研究也一直在继续，比如高晓丹在AI2O3基底上设计出的3〜5μm波段红外増透膜，在入射角0°〜60°范围内变化时依然具有较好透射光谱特性，大大改善了因入射角变化而导致的偏振分离。总而言之，随着红外技术的快速发展和广泛应用，人们对红外増透膜的需求及要求亦越来越高，从而迫使对红外増透膜的研究内容也越来越丰富。

2红外增透保护膜

随着红外技术在各个领域的应用日益増多，尤其是军用方面红外技术的应用和发展，人们对红外窗口材料的光学和物理化学性能提出了更高的要求（其中包括透过率和各种耐环境性能）。常见的红外窗口材料机械性能普遍较差，难以承受光学器件使用环境中高速飞行的粒子以及水滴的冲击，将会出现膜层的潮解吸湿甚至脱落，寻找既能起増透作用又能达到很好保护作用的红外増透膜显得十分必要，红外増透膜保护膜的研究很好地解决了这一问题。

2.1常见保护膜

对于大多数红外光学材料来说，其耐摩擦、耐腐蚀等性能都普遍较差，所以在实际应用中为了对其进行保护，在其表面镀制特定的红外保护膜是一种简单而又有效的手段。常用的红外保护膜有金刚石薄膜、类金刚石（DLC）薄膜、碳化锗（GexC1-x）薄膜和磷化物薄膜等。

金刚石保护膜：金刚石是自然界己知硬度最高的物质，其综合了也是唯一同时具备透光性、耐热冲击性性能的材料；而且金刚石对水和固体颗粒冲击以及化学腐蚀均具有高度耐久性。除此之外，金刚石在紫外、可见、红外波段均具有良好透过性，具有化学性质稳定、热导率高、热膨胀系数小、热冲击性好、耐摩擦性能好、化学性能稳定、抗酸碱腐蚀等优点，因而成为优异的窗口和头罩材料。但天然金刚石过于昂贵，不利于广泛使用，CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）金刚石是我们常用的一种人造金刚石，完全可以替代天然金刚石作为红外元件的基底，同时也可用作红外光学元件的保护膜和増透膜。

类金刚石薄膜（diamond-like  carbon，DLC）：随着对金刚石材料的深入研究和广泛应用，其工业需求亦越来越广泛。但工业化制备金刚石的工艺条件比较难以实现，因此科学研究者期望找到其它可以替代金刚石的功能材料。1971年Aisenberg等首次采用离子束沉积方法制备了一种坚硬的碳膜，其化学组成、硬度、光学透过率、折射率、抗腐蚀性以及抗摩擦性均与金刚石材料类似。因此，将这种材料称之为类金刚石薄膜。类金刚石薄膜具有优异的物理化学性能，具备耐腐烛、耐盐雾、耐潮湿等性能，在对红外光学元件的保护作用方面起着举足轻重的作用。与金刚石相比，DLC具有制备方法简单、制备温度低、表面光 滑、折射率在一定范围内可调（1.6〜2.9），易于实现对Si、Ge等材料红外増透等优点，从而成为红外光学増透和保护膜的首选材料之一。张万虎等在8〜12μm范围内，在φ200mm的Ge基片上镀制的光学器件，其峰值透过率为63.8%，平均透过率达62%。廖显伯等在石英晶体上制备厚度为230nm的DLC膜，结果显示在波长大于480nm的可见光区和近红外区的透过率大于83%。

碳化锗薄膜：与DLC膜相比，碳化锗具备薄膜内应力小、吸收系数低等优点，而且其折射率也可根据成分的不同在1.7〜4.0之间变化，从而使得多层膜系的设计更加容易实现。比如宋建全等利用GexC1-x均匀膜系实现了特定波段内的高效増透保护，利用GexC1-x非均匀膜系实现了宽波段増透保护。

磷化物薄膜：磷化物涂层抗蚀性能强，目前常用的磷化物涂层有磷化硼（BP）和磷化镓（GaP）。其 中，BP的硬度远高于GaP，但其増透效果有限；GaP吸收系数虽更低，但其保护性能比BP稍差。因而，在实际应用中，常把BP和GaP作为复合膜系一起使用，最终得到兼具GaP膜系的増透效果和BP膜系的保护效果。

2.2其它保护膜

除上述常用红外増透保护膜外，根据实际需要，还有许多其它材料也是重要的红外増透保护膜。比如刘伟等在ZnS衬底上镀制氮氧化铪保护膜后薄膜硬度大大増强同时研究波段透过率并没有显著降低；氮化铝（AlN）可用作高温环境下的红外増透保护膜，闫锋等在CVD金刚石上镀制AlN/Ge膜系，高温下该保护膜对金刚石依然有很好的保护作用且并未显著影响其増透效果；另外，为提高金刚石膜的红外透过率和高温抗氧化性能，郭会斌等在光学级金刚石自制成膜表面制备了氧化钇（Y2O3）薄膜，在高达950°C的温度下暴露30s后该薄膜表面并未造成明显损伤，且仍能保持良好増透效果。

3未来发展与展望

随着光学器件的飞速发展，人们对红外増透膜的需求将会越来越大，要求也会越来越高，对红外増透膜的不断研究与改进亟待进一步开展。

从薄膜材料着手，一方面是新材料的开发与应用；另一方面是对现有材料的充分利用，比如美国NSF先进材料与智能结构中心的Wei等在KrF脉冲激光沉积DLC膜时掺入原子百分比低于5%的硅，发现膜内应力降低，而且耐磨性显著提高。

先进的仪器设备是制备高性能红外増透薄膜的前提与基础，电子束蒸发相比与电阻蒸发拥有更高的能量；离子束辅助沉积技术（简称IBAD）的出现，使得所制备的薄膜更加致密、均匀，且薄膜的附着力大大提高；离子束派射设备的应用，使得薄膜的致密性再次提高，而且可以制备出更加精密的薄膜。总之，不断更新更加先进精密的仪器设备也是提高薄膜质量的重要手段。

研究方法的创新更是重中之重，红外増透设计不应仅仅局限于光学薄膜的制备，郑华等设计的类光子晶体纳米柱阵列减反结构相对于减反膜在工作波段拥有更好的减反效果。赵耐丽也通过设计纳米凸起结构、纳米孔洞结构及纳米光栅结构3类5种仿生増透纳米光栅结构，实现了近红外及中红外波段的増透效果。