一种基于透过率测量定量评估金属高反膜环境稳定性的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于透过率测量定量评估金属高反膜环境稳定性的方法，该方法所述的金属高反膜透过率测量采用激光器作光源，通过机械斩波器强度调制后的光束经孔径光阑和扩束系统后入射到分束元件上被分为两束，一束光经过聚焦透镜后进入参考探测器，另外一束光穿过测量样品和聚焦透镜后入射到测量探测器。测试样品放置在二维平移台上，通过调节二维平移台改变测试样品位置，测量一定区域的透过率，取其平均值作为测试样品的透过率。根据透过率定量标定金属高反膜的针孔等缺陷密度，用于表征其环境稳定性。本发明专利技术定量表征金属反射膜的针孔密度，以及加速环境试验下膜层透过率的演变，为工艺参数优化提供了依据，试验装置简单易行，可靠性强。

【技术实现步骤摘要】
一种基于透过率测量定量评估金属高反膜环境稳定性的方法
本专利技术涉及光学薄膜制备方法
，特别是一种基于透过率测量定量评估金属高反膜环境稳定性的方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，大口径光学元件已广泛应用于天文观测、空间光学和大型激光系统等领域。大口径光学元件依据其用途而言，主要有高反元件和增透元件，且反射元件的应用波段通常涵盖紫外、可见到中远红外波段。在光学薄膜领域，最常见用于大口径光学元件的反射膜是金属反射膜，镀制金属反射膜的常用材料有铝(Al)、银(Ag)、金(Au)等。目前，Al基反射膜和Ag基反射膜都被广泛应用于大口径光学元件。但金属膜的使用寿命通常只有1～4年，如何改善和延长金属膜的使用寿命仍然是当前的一个工艺难点。薄膜状态的金属化学性质活泼，环境稳定性差。例如，薄膜状态的Ag，容易与空气中的硫化物和卤化物等发生化学反应而导致反射率退化；Ag用作镜面反射层时，通常需要选择合适的表面保护层。表面保护层材料的选择和镀膜工艺的优化决定着银基反射膜的使用寿命。前期研究结果表明，银基反射膜的针孔是水汽和腐蚀性离子渗透进银反射层的主要通道，水汽和腐蚀性离子与银反射层发生化学反应，使得银基反射膜的光谱性能退化，直到反射率出现灾难性的下降，光学元件的表面膜层使用寿命终结。因此，减少膜层的针孔密度是提高金属反射镜环境稳定性的主要途径。针孔(Pinholes)是一种最直观的缺陷。它是基板表面没有覆盖膜层的地方，通常线度较小，从微米到毫米，故称为针孔。从薄膜成核、生长的角度而言，针孔的形成原因是由于薄膜沉积前，基板表面存在一些颗粒状的污染源，薄膜成核生长时，这些缺陷种子(污染源)的自阴影效应而形成一种瘤状结构缺陷，这些节瘤与薄膜之间的附着力较差，被薄膜覆盖的节瘤，当受到外部环境冲击(如胶带拉扯)时形成针孔。形成针孔的污染源成因很多，主要有以下几个来源，一是基板在抛光和清洁的过程中引入的杂质、灰尘等；二是基板进入真空室的过程中吸附的颗粒、灰尘等；三是在薄膜沉积过程中材料的碰溅，以及真空室内的机械装置上掉落的薄膜残片等。对于大口径光学元件，特别是对于主镜镜面向上、向下溅射沉积薄膜的膜层制备方式，由于高真空镀膜机体积巨大，所制备的金属膜难免存在一定数量的针孔，如何减少膜层针孔数量已经成为大口径元件光学薄膜研究人员所关注的问题。在金属反射膜的镀制检验中，膜层的环境稳定性是一个重要指标，它关系到所制备金属反射膜的使用寿命。为了能够优化镀膜工艺、真空室环境以及基片清洗等因素对金属反射膜针孔密度的影响，需要可靠的评估方法。通常，评估膜层针孔密度的方法主要是利用在反射镜的一侧放置光源，在另外一侧用裸眼观察并统计针孔的数量和尺寸(M.Boccas,T.Vucina,C.Araya,E.VeraandC.Ahhee,“Protected-silvercoatingsforthe8-mGeminitelescopemirrors,”ThinSolidFilms,2006,502:275-280)。如果孔的尺寸太小，由于光线的衍射作用，孔的尺寸估算不会太准确，这仅仅是一种粗略的定性表征。这种光学薄膜的针孔尺度一般为微米或毫米量级。如何定量评估试验样品的针孔密度，为改进金属膜(尤其是银基高反膜)的制备工艺提供参考依据，是一项十分有意义的工作。此外，加速环境试验通常能在短时间内评估高反膜的环境稳定性(C.Chu，P.D.FuquaandJ.D.Barrie,“Corrosioncharacterizationofdurablesilvercoatingsbyelectrochemicalimpedancespectroscopyandacceleratedenvironmentaltesting,”AppliedOptics,2006,45(7):1583-1593)，但是银基高反膜样品在加速环境试验(如湿热试验和盐雾试验)下，样品的银原子可能发生迁移、团聚现象，样品的透过率与银原子的迁移程度成正比。随着银原子的迁移、团聚程度的加强，最终导致保护层破裂，影响样品的使用寿命。如何定量描述加速环境试验对银基高反膜样品的影响，进而评估样品的环境稳定性，也是一项十分重要的工作。因此，本专利技术提出了一种基于透过率测量的金属高反膜的针孔等缺陷密度和加速环境试验下稳定性的定量评估方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服定量评估金属高反膜样品环境稳定性的困难，提出了一种基于透过率测量定量评估金属高反膜环境稳定性的方法，具有装置简单、操作方便等优点。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于透过率测量定量评估金属高反膜环境稳定性的方法，该方法利用一个透过率测量装置；该透过率测量装置由激光器、机械斩波器、孔径光阑、扩束系统、分束元件、二维平移台、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、测量探测器、参考探测器和示波器组成；所述示波器可替换为数据采集处理系统或锁相放大器；激光器发出的光束通过机械斩波器强度调制，经孔径光阑和扩束系统调节光斑尺寸后入射到分束元件上，分束元件将入射激光光束分为两部分，一束光经第二聚焦透镜后进入参考探测器，另一束光穿过被测样品和第一聚焦透镜后入射到测量探测器；参考探测器与测量探测器将光信号转换成电信号送入示波器或数据采集卡，数据采集处理系统或锁相放大器利用数据采集卡采集电信号，示波器或数据采集卡同时记录两个探测器的电信号，通过放置样品前后两个探测器电信号的比值计算其透射率，利用透射率值的大小定量表征被测样品的针孔密度，并根据针孔密度随加速环境试验的变化判断被测样品的环境稳定性。进一步的，该方法具体包括以下步骤：步骤(1)：通过孔径光阑调节光斑大小；步骤(2)：测量分光元件的分光比，通过示波器或数据采集卡同时读取并记录探测器的电信号，如果参考探测器的电信号为V1，测量探测器的电信号为V2，C为探测器响应的标定因子，则分光比步骤(3)：将被测样品放置在二维平移台上，通过示波器读取并记录探测器的电信号，如果参考探测器的电信号为V1'，测量探测器的电信号为V2'，则被测样品的透射率为步骤(4)：根据光斑尺寸和样品被测区域大小，调节扫描或手动二维平移台位置，测量被测样品一定区域的透过率分布，取其平均值作为被测样品的透过率值；步骤(5)：测量不同工艺参数制备的金属高反膜样品，或不同环境试验后的金属高反膜样品，获得透过率与工艺参数或环境试验参数的关系曲线，并由此分析判断被测样品的环境稳定性。进一步地，当采用示波器或数据采集卡记录处理信号时，方波电信号取其峰峰值，并多次采样取其平均，且测量在暗室内进行，或者在探测器前放置窄带滤光片，以消除背景光的影响。进一步地，所测量的金属反射膜样品，金属反射层厚度应保证无针孔时透过率为零，即通常银反射层的厚度应该为120nm及以上，铝反射层的厚度应该为100nm及以上。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1、本专利技术可以定量测量金属高反膜样品的透过率，用于表征样品的针孔密度和环境稳定性。2、本专利技术装置简单，测量方法定量客观。附图说明图1为本专利技术的透过率测量装置示意图；图2为本专利技术的透过率测量装置测量的某一种银基高反膜样品透过率随湿热试验时间的演变关系图；图3为本专利技术的透过率测量装置测量的某一种银基高反膜样品透过率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于透过率测量定量评估金属高反膜环境稳定性的方法，其特征在于：该方法利用一个透过率测量装置；该透过率测量装置由激光器、机械斩波器、孔径光阑、扩束系统、分束元件、二维平移台、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、测量探测器、参考探测器和示波器组成；所述示波器可替换为数据采集处理系统或锁相放大器；激光器发出的光束通过机械斩波器强度调制，经孔径光阑和扩束系统调节光斑尺寸后入射到分束元件上，分束元件将入射激光光束分为两部分，一束光经第二聚焦透镜后进入参考探测器，另一束光穿过被测样品和第一聚焦透镜后入射到测量探测器；参考探测器与测量探测器将光信号转换成电信号送入示波器或数据采集卡，数据采集处理系统或锁相放大器利用数据采集卡采集电信号，示波器或数据采集卡同时记录两个探测器的电信号，通过放置样品前后两个探测器电信号的比值计算其透射率，利用透射率值的大小定量表征被测样品的针孔密度，并根据针孔密度随加速环境试验的变化判断被测样品的环境稳定性。

【技术特征摘要】
1.一种基于透过率测量定量评估金属高反膜环境稳定性的方法，其特征在于：该方法利用一个透过率测量装置；该透过率测量装置由激光器、机械斩波器、孔径光阑、扩束系统、分束元件、二维平移台、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、测量探测器、参考探测器和示波器组成；所述示波器可替换为数据采集处理系统或锁相放大器；激光器发出的光束通过机械斩波器强度调制，经孔径光阑和扩束系统调节光斑尺寸后入射到分束元件上，分束元件将入射激光光束分为两部分，一束光经第二聚焦透镜后进入参考探测器，另一束光穿过被测样品和第一聚焦透镜后入射到测量探测器；参考探测器与测量探测器将光信号转换成电信号送入示波器或数据采集卡，数据采集处理系统或锁相放大器利用数据采集卡采集电信号，示波器或数据采集卡同时记录两个探测器的电信号，通过放置样品前后两个探测器电信号的比值计算其透射率，利用透射率值的大小定量表征被测样品的针孔密度，并根据针孔密度随加速环境试验的变化判断被测样品的环境稳定性。2.根据权利要求1所述的一种基于透过率测量定量评估金属高反膜环境稳定性的方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：步骤(1)：通过孔径光阑调节光斑大小；步骤(2)：测量分光元件的分光比，通过示波器或数据采集卡同时读取并...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌成，徐旭，何文彦，王长军，魏铭，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51