CN108710164A - 红外宽带减反射微结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种红外宽波段减反射微结构，由下到上依次包括基底、纳米结构阵列层和低折射率层；所述的纳米结构阵列层具有垂直于所述基底表面的主轴，且截面为三角形、圆锥形、抛物线形或高斯形等渐变结构的纳米结构。本发明在纳米结构阵列上添加一层低折射率材料，该低折射率层由离子束溅射沉积技术或电子束蒸发离子束辅助沉积技术实现，以避免水吸收。通过调节低折射率层的厚度，使得纳米结构阵列层的宽带减反射效果得到提升，实现宽波段范围的高透，且透过曲线更加平坦。

Description

红外宽带减反射微结构及其制备方法

技术领域

本发明属于光学减反领域，具体涉及一种应用于红外波段的宽带减反射微结构及其制备方法。

背景技术

在红外光学元件中，基底材料的折射率较大，由于基底材料表面的反射作用而使光能损失。为减少表面的反射损失，目前普遍采用的方式是在基底材料表面镀制减反膜，在宽带范围内减反需要的镀膜材料种类多、膜层多、膜层厚；受不同材料蒸发特性的限制，膜层普遍存在聚集密度低、水吸收明显等情况。镀膜材料种类多、膜层多、膜层厚,会引入杂质、缺陷和水吸收,从而对薄膜的光学性能产生不良影响。多层膜间、膜与基底间物理性能的不匹配会造成膜层附着力差、不稳定等问题。此外，多层膜的激光损伤阈值限制了其在大功率激光***中的使用。

为克服多层减反膜存在的不足，现有技术中出现了利用在元件表面制备微结构的方式，微结构的周期远小于所需光的波长。微结构为周期性圆锥或抛物锥阵列，它的等效折射率由一定体积的空气和基体材料组成，从而形成折射率渐变层，降低元件表面与空气间的折射率差，提高器件窗口在宽波段范围内的透过率。这种结构由于直接在基底材料上制备，可以避免杂质材料的引入，具有很高的损伤阈值，而且具有很好的机械性能和热稳定性。同时微结构的吸附性能低，减反射稳定性好，能很好的替代多层介质膜和有机膜。应用在红外波段光学元件的折射率较高，要实现红外宽波段范围内高透射效果，表面微结构的高度一般要远大于阵列周期，这一特点使得实际制备和加工困难。

发明内容

本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种红外宽带减反射微结构，通过单层低折射率层和纳米结构阵列相结合，利用离子束溅射沉积技术或电子束蒸发离子束辅助沉积技术在纳米结构阵列上镀制单层低折射率材料层，能够很好的解决膜层与基底之间的匹配性和膜层应力问题，同时降低了纳米结构阵列层中纳米结构的大深宽比的设计与制备需要，降低了制备难度与成本，从而得到红外波段宽带高透射效果。

本发明的技术方案具体如下：

一种红外宽波段减反射微结构，由下到上依次包括基底、纳米结构阵列层和低折射率层；所述的纳米结构阵列层具有垂直于所述基底表面的主轴，且截面为三角形、圆锥形、抛物线形或高斯形等渐变结构的纳米结构。

所述基底材质为在红外波段透过率大于60％的材料。

进一步地，所述的红外宽波段减反射微结构，纳米结构阵列层中纳米结构周期应小于λ/ns，其中λ为所关心波段中的最短波长，ns为所考虑基底材料的折射率。

进一步地，所述的纳米结构阵列层具有垂直于所述基底表面的主轴，且截面为三角形、圆锥形、抛物线形或高斯形等渐变结构的纳米结构，纳米结构的底部直径小于纳米结构阵列的周期，纳米结构的高度与纳米结构的底部直径的比值为0.8-1.6。

进一步地，所述的低折射率层的材质为在所需波段高透且折射率远低于基底的材料，采用离子束溅射技术或电子束蒸发离子束辅助技术制备。

所述的低折射率层平缓了从基底到空气间的折射率差，使宽波段范围透过曲线更为平坦。改变使用波段的表面电场分布，使强电场由基底材料表面移入基底材料体内。

一种制备所述红外宽波段增透微结构的方法，其步骤包括：

1)在基底上旋涂一层光刻胶后采用激光全息干涉技术制备设计所需的掩膜图形；

2)采用反应离子束刻蚀技术将制备的掩膜图案转移到基底上，制备纳米结构阵列层；

3)在纳米结构阵列层上采用离子束溅射或电子束蒸发离子束辅助沉积工艺制备低折射率层。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

在纳米结构阵列层上添加单层低折射率层，通过离子束溅射沉积或电子束蒸发离子束辅助沉积低折射率层，有效解决微结构对大深宽比的需求，实现红外宽波段范围的高透过率，平滑了宽波段范围内透射曲线，对于表面微结构在红外窗口和红外光学镜头等光学元件中的应用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明红外宽波段减反射微结构的示意图。

图2是红外宽波段减反射微结构俯视角为45°的扫描电镜图。

图3是减反射微结构沿主轴横截面的扫描电镜图。

图4是实施例中硒化锌基底单面制备微结构的红外透过率光谱图

图5是红外宽波段减反射微结构在镀制单层低折射率层前后的表面电场分布，其中，a为减反射微结构在镀制单层低折射率层前的电场分布，b为减反射微结构在镀制单层低折射率层后的电场分布。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为本发明红外宽波段增透微结构示意图，如图所示，由下到上包括基底1、纳米结构阵列层2和单层低折射率层3。本实例中，以红外窗口材料为优选材料，在其表面制备微结构，从而增加其红外宽波段透过率。

本实例中，基底材料选择硒化锌，硒化锌是一种在红外波段有较好透过率的光学材料，样片需双面抛光处理。

具体地，本较佳实施例的宽带减反射微结构的制备方法，具体包括如下几个步骤：

(1)制备掩膜图形

首先，将双面抛光的硒化锌基片浸泡在丙酮中超声清洗10-20min，然后用去离子水冲洗后烘干；

采用旋涂法将正性光刻胶均匀地涂在硒化锌基片上，光刻胶厚度为400-600nm；

采用激光全息干涉技术进行曝光，将曝光后的样片放入显影液中显影，所得到的掩膜图形为二维周期点阵，其周期为0.5-1.0μm；

(2)干法刻蚀制备纳米结构阵列层

使用反应离子刻蚀技术将制备的掩膜图形转移到硒化锌基片表面，得到纳米结构阵列层。纳米结构阵列的周期为0.5-1.0μm，如图2所示。纳米结构的高度为0.8-1.4μm，纳米结构的底部直径为0.4-1.0μm，如图3所示。

(3)在纳米结构阵列层上采用离子束溅射沉积工艺制备低折射率层。低折射率材料为Al₂O₃，其厚度为260-400nm，如图3所示。

(4)图4是基底材料经过不同方式处理后2-5μm红外波段的透过率，1为双面抛光的样品，2为单面制备有纳米结构阵列层的样品，3为单面制备有纳米结构阵列层和低折射率层的样品。

(5)图5是基底材料制备有纳米结构阵列层、制备有纳米结构阵列层和低折射率层的电场分布图。

本实施例在硒化锌基底单面制备的红外宽带减反射微结构，包含纳米结构阵列层和低折射率层，可以使其在2-5μm红外波段单面平均透过率提高11％以上。

经试验表明，本发明红外宽波段减反射微结构能够提升红外宽波段范围内的透过率，该薄膜制备方法可以解决膜层与基底表面附着力的问题及膜层水吸收的问题，很好的满足红外波段宽带高透的需求，改变了元件表面驻波场的分布，可用于红外探测器窗口元件、激光增益介质元件。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (7)

1.一种红外宽波段减反射微结构，其特征在于，由下到上依次包括基底(1)、纳米结构阵列层(2)和单层低折射率层(3)，所述的纳米结构阵列层(2)具有垂直于所述基底(1)表面的主轴，且截面为三角形、圆锥形、抛物线形或高斯形等渐变结构的纳米结构。

2.如权利要求1所述的红外宽波段减反射微结构，其特征在于，所述基底材质为在所需红外波段透过率大于60％的材料。

3.如权利要求1所述的红外宽波段减反射微结构，其特征在于，所述的纳米结构阵列层(2)的纳米结构周期小于λ/n_s，其中λ为所关心波段中的最短波长，n_s为基底材料的折射率。

4.如权利要求1所述的红外宽波段减反射微结构，其特征在于，所述的纳米结构阵列层(2)中纳米结构的底部直径小于纳米结构阵列的周期，纳米结构的高度与纳米结构的底部直径的比值范围为0.9-1.8。

5.如权利要求1所述的红外宽波段减反射微结构，其特征在于，所述的低折射率层(3)由所需波段高透的材质，采用离子束溅射技术或电子束蒸发离子束辅助技术制备而成。

6.一种制备权利要求1-5任一所述的红外宽波段减反微结构的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1)、在基底(1)上旋涂一层光刻胶后，采用激光全息干涉技术制备所需的掩膜图形；

步骤2)、采用反应离子束刻蚀技术将步骤1)制备的掩膜图案转移到基底(1)上，制备权利要求1中的纳米结构阵列层(2)；

步骤3)、在纳米结构阵列层上采用离子束溅射沉积技术或电子束蒸发离子束辅助沉积技术制备低折射率层。

7.一种包含权利要求1至5中任一项所述红外宽波段减反射微结构的红外窗口、红外镜片或红外激光增益介质。