先進光學薄膜技術
先進光學薄膜技術
（1）大口徑光學元件表面鍍膜技術
隨著以空間相機為代表的光學成像系統(tǒng)的分辨率要求越來越高，其光學元件的口徑也越來越大，發(fā)展大口徑光學元件表面鍍膜技術變得越來越迫切。大口徑光學元件表面鍍膜與通常的光學鍍膜相比有很多特殊之處，需要有針對性的專門開展研究。
首先，為保證大口徑光學元件的面形精度，避免不必要的風險，鍍膜過程中必須將基底溫度控制在較低的水平。但是，很多光學系統(tǒng)中的大口徑光學元件是直接暴露在外部環(huán)境中的，如保護窗口、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。而低溫成膜又會帶來膜層殘余應力大的問題，較大的殘余應力會增加光學元件發(fā)生面形變化的可能性。因此，發(fā)展常溫成膜技術，在較低的溫度下得到低應力、具有優(yōu)良環(huán)境適應性的光學薄膜是大口徑光學元件表面鍍膜技術的重要研究目標之一。
其次，在進行大口徑光學元件鍍膜時，鍍膜均勻性的控制變得更加復雜。以等離子體輔助電子束蒸發(fā)鍍膜為例，當光學元件口徑超過1500mm時，由于離子源工作的要求，鍍膜時的真空度在1×10-2Pa左右，此時蒸發(fā)距離與氣體分子的平均自由程相當，傳統(tǒng)鍍膜均勻性理論的假設條件不再成立。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雜的模型并以實驗來驗證。
再次，大口徑光學元件鍍膜前的基片清洗、擦拭，以及裝夾、翻轉等過程，都必須要認真研究，防止大口徑光學元件在上述過程中發(fā)生面形改變。
針對這些特點，實驗室進行了關鍵技術攻關并取得顯著效果。實驗室與成都南方光學儀器廠一道研制成功國內口徑*大的2.5m真空鍍膜機，并開展了大量工藝研究，目前已經(jīng)具備1.5m量級反射鏡鍍膜能力。實驗室擬繼續(xù)深化大口徑反射鏡鍍膜技術研究，在提高工藝穩(wěn)定性的同時，開展4m量級反射鏡鍍膜裝備與工藝、離子束輔助定向濺射鍍膜等技術的研究。
（2）新型反射鏡光學表面改性技術與裝備
空間光學系統(tǒng)中使用的大口徑反射鏡要求具有良好的物理、機械、熱學等性能以保證在嚴酷的環(huán)境下正常工作，同時還要求具有較小的重量。針對這種需求，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、機械性能和較小的密度，并可輕量化，以進一步降低重量。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，在空間項目中得到越來越廣泛的應用。
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，其結構中存在的微孔造成表面光能吸收而導致反射率下降；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形成臺階狀形貌，使得粗糙度增加，因此會有較大的散射損失。為了解決光能損失的問題，國內外通常采用的就是表面改性方法。
我們從實驗室現(xiàn)有條件出發(fā)，結合多年從事空間光學鍍膜的經(jīng)驗，使用了PVD方法制備大口徑SiC反射鏡改性膜層的技術。主要研究的方向有如下四個：①大尺寸反射鏡在三維尺度上薄膜的生長機理及其對薄膜厚度、膜層質量的影響。② 不同于CVD的高溫成膜，PVD可以在相對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量；④ 改性膜層和反射鏡鏡坯的結合狀態(tài)決定了反射鏡的性能，我們對相關的相互擴散機理，結合方式進行了研究。
我們使用PVD方法，對Si改性膜層和SiC改性膜層這兩種改性膜層都進行了大量的相關研究，并發(fā)表了多篇高水平學術論文，并且已經(jīng)在實驗室承擔的空間項目中成功的應用了Si改性膜層技術，使SiC反射鏡性能得到了明顯的提升，滿足了設計要求。
（3）雷達隱身薄膜材料
導彈、飛機等**的雷達目標特征控制一直是隱身技術研究的重點，由于傳統(tǒng)的雷達吸波材料不能用于觀通器件，降低導彈制導艙、飛機觀察窗的雷達散射截面（RCS）是實現(xiàn)其雷達隱身的關鍵內容。雷達隱身薄膜材料兼具結構和材料設計的雙重優(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、質量輕、帶寬寬”等優(yōu)點，是導彈、飛機上觀通器件雷達隱身的優(yōu)選材料。
針對不同的制導頻段，雷達隱身薄膜材料又可分為三種：用于電視末制導艙雷達隱身的銦錫氧化物（ITO）薄膜、用于紅外末制導艙雷達隱身的感性網(wǎng)柵薄膜和用于雷達末制導艙帶外雷達隱身的頻率選擇表面（FSS）。雷達隱身薄膜材料的設計涉及光學、電磁學和材料學三大領域。而在制作上，ITO膜為連續(xù)薄膜，采用合適的鍍膜工藝設備和手段即可實現(xiàn)；感性網(wǎng)柵膜是一種非連續(xù)薄膜，其性能與結構和材料相關，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域；FSS不僅結構上不連續(xù)，而且對材料的厚度、介電參數(shù)、結構尺寸、單元排列方式等相當敏感，因此，制作FSS的工藝手段需結合光刻、鍍膜和層合等三種工藝技術。
經(jīng)過十幾年的努力，實驗室隱身學科組逐步發(fā)展壯大。已擁有專業(yè)FSS設計分析軟件及多臺套加工、測試設備，有高精度球面激光直寫設備1臺、高速高精度凹球面涂膠機1臺、高精度凹球面定心儀1臺、高精度測量顯微鏡1臺、可見及紅外光譜儀各1臺、各種鍍膜機8臺及其它多臺輔助設備和儀器；已建立起光刻工藝、鍍膜工藝、FSS軟刻蝕工藝和測試等多個實驗室；確定雷達隱身薄膜材料、曲面微細加工技術、電磁屏蔽結構與材料等研究方向。
（4）可見、近紅外、中波紅外、長波紅外多譜段共用光學薄膜
隨著技術的發(fā)展，目前越來越多的光學系統(tǒng)采用多譜段共光路的設計，近來出現(xiàn)了許多二光、三光甚至四光合一的光學系統(tǒng)。在這些多光合一的光學系統(tǒng)中，多譜段共用光學薄膜的性能對于整個光學系統(tǒng)的性能來說至關重要。特別是當光學系統(tǒng)中多譜段共用的光學元件較多時，光學薄膜的優(yōu)劣可能使光學系統(tǒng)的總體透過率有非常大的差別。因此，發(fā)展多譜段共用光學薄膜技術是提高多光合一光學系統(tǒng)性能的主要技術手段。
現(xiàn)階段的多光合一光學系統(tǒng)更多的是包括可見光和中、長波紅外，多譜段共用光學薄膜主要有反射膜、多譜段寬光譜減反膜和分色膜。對于反射膜來說，采用金屬反射的方法比較容易實現(xiàn)多譜段高反射率，提高金屬反射膜的環(huán)境適應性是研究的重點。
波長跨度較大的多譜段寬光譜減反膜對膜系設計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，因此膜系設計的轉圜余地很小，只能通過增加膜系的復雜程度來達到要求。越是復雜的減反膜系對鍍膜工藝的敏感程度就越高，這就要求鍍膜工藝有相當?shù)姆€(wěn)定性。因此，多譜段寬光譜減反膜的先進的膜系設計思想和穩(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現(xiàn)起來就更加困難。這主要由以下幾個特點決定：波長跨度大；分色效率要求高；對環(huán)境適應性要求高；有時包括大功率激光。這些特點給分色方案的確定、基底和鍍膜材料的選擇、膜系設計、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發(fā)展完善。
（5）激光對抗高損傷閾值薄膜及激光的防護
隨著近年來激光技術的快速發(fā)展，激光**已經(jīng)逐漸由設想成為了現(xiàn)實。大功率激光**作為定向能**的出現(xiàn)，以及由此帶來的發(fā)射與防護等問題都對光學薄膜提出了新的、更高的要求。
首先，在大功率激光**系統(tǒng)中，用于反射或透射高能激光的光學元件上的光學薄膜需要具有高損傷閾值，保證光學元件的正常工作。當高能激光與**的光學跟蹤瞄準系統(tǒng)共光路時，光學薄膜還要在保證高損傷閾值的同時，滿足激光和跟瞄系統(tǒng)工作波段的光學性能。如果在開放式的系統(tǒng)中還要有良好的環(huán)境適應性。這些要求隨著激光功率的提高，實現(xiàn)的難度將大幅度上升。因此，開展光學薄膜的激光損傷機理研究，發(fā)展相關制備和測試技術是開發(fā)大功率激光**的必經(jīng)之路。
其次，由于激光**的發(fā)展，用于偵察、跟蹤、對抗等的光學系統(tǒng)面臨著越來越大的威脅。通過光學薄膜的方法發(fā)展的激光防護技術是實現(xiàn)這些光學系統(tǒng)免受激光**傷害的有效途徑之一。在光學系統(tǒng)中，可以采用光學鍍膜的方法對光譜進行選擇性透過，將激光波長過濾出去，使其不能進入光學系統(tǒng)內部，系統(tǒng)可以免受傷害。
