硫系玻璃基底红外光学薄膜研究进展

发布时间: 2021-11-25? 来源:本站原创 作者:admin

  随着红外技术的快速发展和技术的进步,红外光学系统设计对红外光学元件的性能提出更高的要求,对红外光学材料的需求也产生了变化,红外光学材料的发展在很大程度上影响着红外技术的发展,高性能的材料可以更好地推动红外技术及产品整体质量的提高。而在红外光学系统中,红外光学元件是核心关键部分之一,硫系玻璃具有透过波段宽、消色差和消热差性能好、原材料来源广泛的特点,是一类优异的红外光学材料,在红外领域具有广阔的运用前景。但硫系玻璃具有热膨胀系数大、软化点温度低的特点,和其他红外光学材料相比,其待镀膜表面的加工和薄膜的沉积难度更大。

  据麦姆斯咨询报道,近日,昆明理工大学机电工程学院教授、博士生导师杨晓京等人在《激光与光电子学进展》期刊上发表了以“硫系玻璃基底红外光学薄膜研究进展”为主题的综述论文。该课题组主要从事数字化设计与制造、光机电液系统集成与控制、复杂机电系统集成与控制、机电系统设计与控制等研究工作。

  该论文主要介绍了硫系玻璃待镀膜表面的加工方法,对硫系玻璃元件表面镀增透膜和保护膜的方法及研究进展进行了综述,重点介绍了硫系玻璃基底红外光学薄膜的类型、制备技术及研究进展,后对硫系玻璃待镀膜表面加工和镀膜的现状及存在的问题进行总结归纳,并对发展趋势做出预测。

  硫系玻璃的精密模压成型工艺过程:(a)加热;(b)加压成型;(c)退火;(d)冷却脱膜

  关于硫系玻璃待镀膜表面的加工。根据红外光学元件的使用要求,光学元件的光学表面需要满足面形精度和表面质量要求。相比之下,光学元件待镀膜表面的表面质量对光学薄膜的稳定性和均匀性影响更大,高质量的光学表面有利于提高光学元件的光学性能和薄膜质量,研究硫系玻璃待镀膜表面的加工具有实际意义。硫系玻璃待镀膜表面的加工方法有材料去除法和材料成型法。精密模压属于材料成型法,可用于具有非晶体特性的光学材料的光学表面成型。相比材料去除法,精密模压成型法具有稳定的加工精度,重复性好,有利于提高生产效率。

  硫系玻璃精密模压成型技术适用于大批量生产,对于降低生产成本、提高产品合格率有较大优势,目前仅适用于小口径光学元件。对中、小批量的需求,更适合抛光法加工,目前,高效加工已成为小口径光学元件的主要加工方式,但对大尺寸光学元件,仍依赖于古典抛光工艺。对硫系玻璃非球面,单点金刚石车削是目前主要和经济的加工方式。在国外,Lightpath公司就具备使用精密模压技术、抛光和单点金刚石车削的方法加工IG类、GASIR类和AMTIR 类硫系玻璃的能力,而国内尚没有一家机构拥有如此完整的硫系玻璃加工能力。

  关于硫系玻璃镀膜。镀膜对提升光学元件的光学性能、改善机械性能、提高环境适应性具有重要的作用,根据光学系统的使用要求,在光学元件表面镀制对应功能的红外光学薄膜。硫系玻璃是由不同元素的材料按不同的比例混合加工而成的复合型红外光学玻璃,根据设计和使用要求可以选择由特定元素按特定比例研发硫系玻璃。目前,在硫系玻璃表面可镀制的红外光学薄膜包括增透膜(也称减反膜)和保护膜。

  (1)硫系玻璃增透膜的光学性能指标为透过率和剩余反射率,在可能的情况下双面镀制增透膜厚透过率越接近100%越好。硫系玻璃光学元件表面镀制增透膜主要使用物理气相沉积(PVD)技术,常用的方法是热蒸发真空镀膜技术。国内学者和机构对硫系玻璃的薄膜技术开展了不少研究,但受到材料本身物化特性的影响,薄膜镀制研究进展较慢,成果相对较少,主要集中在连接层的设计和镀膜工艺过程。

  (2)保护膜主要镀制在红外光学系统中与外界环境直接接触的窗口件上,窗口安装在红外光学系统的最前端,用于抵御所在装备飞行过程中红外光学系统遇到的高温、高压、热冲击以及悬浮固体颗粒和雨滴的撞击。硫系玻璃表面沉积保护膜可以有效提高表面的耐摩擦性能、耐腐蚀性能、表面硬度,在红外光学领域中具有广阔的运用前景。从现有研究成果可以看出国内对硫系玻璃基底镀保护膜的研究要少于国外,所达到的光学性能、机械性能水平与国外的Intlvac、Umicore等著名公司还有一定差距。而且硫系玻璃保护膜的镀制是相关单位的关键核心技术,被保密封锁,且现阶段国内相关的研究成果很少,对硫系玻璃保护膜的研究具有非常高的价值。

  近年来,硫系玻璃在待镀膜表面的加工和表面镀膜领域取得了显著的进步,技术水平和产业规模不断扩大。随着红外技术的发展,受消热差系统、单兵夜视装备以及车载辅助驾驶仪、非接触测温仪等大批量民用热像仪等需求的牵引,硫系玻璃凭借其优异的光学性能,其应用将越来越广泛,在红外光学材料中的占比在未来一个时期将保持增长的态势,这也必将刺激其加工和镀膜技术的更大进步。

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