大口径反射镜高反射膜研究进展

孙梦至; 王彤彤; 王延超; 刘震; 刘海; 王笑夷; 杨海贵; 高劲松

doi:10.3788/CO.20160902.0203

大口径反射镜高反射膜研究进展

doi: 10.3788/CO.20160902.0203

孙梦至^{1, 2, 3, ,},
王彤彤^{1, 2},
王延超^{1, 2, 3},
刘震^{1, 2},
刘海^{1, 2},
王笑夷^{1, 2},
杨海贵^{1, 2},
高劲松^{1, 2, ,}

1.
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春 130033;
2.
中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林长春 130033;
3.
中国科学院大学, 北京 100049

详细信息

通讯作者:
孙梦至(1991-)，女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，2013年于哈尔滨工业大学获得学士学位，主要从事光学功能薄膜方面的研究。E-mail:sunmengzhi@icloud.com

高劲松(1968—)，男，吉林白城人，博士，研究员，博士生导师，1989年于浙江大学获学士学位，2005年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获博士学位，主要从事光学薄膜的前沿研究以及特种光学薄膜的制备方面的研究。E-mail:gaojs@ciomp.ac.cn

中图分类号: O484;TN304
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出版历程
- 收稿日期: 2015-12-21
- 录用日期: 2016-01-13
- 刊出日期: 2016-01-25

Research development of high reflecting coating for large-diameter mirror

SUN Meng-zhi^{1, 2, 3
, ,},
WANG Tong-tong^{1, 2},
WANG Yan-chao^{1, 2, 3},
LIU Zhen^{1, 2},
LIU Hai^{1, 2},
WANG Xiao-yi^{1, 2},
YANG Hai-gui^{1, 2},
GAO Jin-song^{1, 2
, ,}

1.
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;
2.
Key Laboratory of Optical System Advanced Manufacturing Technology, Changchun 130033, China;
3.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

摘要

摘要: 大口径反射镜是大型反射式光学系统中关键的光学元件,在工作波段的反射率直接决定了光学系统的性能。随着地基、天基观测设备的发展,对大口径反射镜高反射膜提出了更宽的工作波段、更高的反射率、更好的环境适应性等要求。针对这些挑战,各种新的膜系结构、新的镀制方法、新的膜层材料纷纷出现,满足了大口径反射镜高反射膜的各种需求。本文对近些年国内外的大口径反射镜高反射膜研究进展予以综述,并预测大口径反射镜高反膜制备的技术趋势将由铝反射膜向银反射膜、由热蒸发向磁控溅射发展。
- 大口径 /
- 反射镜 /
- 高反射膜 /
- 环境适应性
Abstract: Large-diameter mirrors are the key optical elements in large aperture reflective type optical system, and the optical system performance is directly associated with the reflectance in the working wavelength region. With the great development of the ground-based and space-based observing instruments, more critical performance is required for large-diameter mirrors, such as wider wavelength region, higher reflectance, better environment durability and so on. Kinds of new coating structures, new coating methods, new coating material are emerging to the challenges, meeting the requirements of high reflecting coating for large-diameter mirror. This paper reviews the research development of high reflecting coating for large-diameter mirror home and abroad, and predicts the developing trend for preparing high reflecting coating of large-diameter reflector from Al mirror to Ag mirror as well as from thermal evaporation to magnetron sputtering.
- large-diameter, mirror /
- high reflecting coating /
- environment durability /
注释:

1) 国家自然科学基金资助项目(No.60478035)

1) Supported by National Natural Science Foundation of China(No. 60478035)

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图 1 常用金属膜的反射率(实线)和吸收率(虚线)曲线

Figure 1. Reflectance(solid) and absorptance(dash) of commonly-used metal coatings

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图 2 2.4 m(a)和MMT6.5 m(b)望远镜主镜镀Al反射率^[12]

Figure 2. Reflectance of 2.4 m(a) and MMT 6.5 m(b) primary Al mirrors

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图 3 Gemini镀银望远镜主镜反射率曲线^[16]

Figure 3. Reflectance of Gemini primary Ag mirror

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图 4 中国科学院长春光机所1.56 m望远镜铝增强高反射膜不同半径处测试片反射率

Figure 4. Sample reflectance of enhanced-Al high reflecting coating of 1.56 m telescope tested at different radii(CIOMP)

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图 5 4层银膜反射率随室外暴露时间变化曲线

Figure 5. Reflectivity loss of a 4-layer Ag film sample exposed outdoor

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1 目前国内外大口径天文望远镜主镜优缺点

1. Advantages and disadvantages of large-diameter astronomical telescope primary mirrors currently

望远镜	年份	地基/天基	单镜尺寸/m	反射膜材料	镀膜方式	优点	缺点
Subaru	1999	地基	8.3	Al	热蒸发	镀膜机放置在观测室地下室内，减少运输风险；主镜面朝上，无需竖起或反转；自行引入离子轰击棒，使它与气体产生辉光放电来清洁镜面	288个蒸发源难于控制
VLT	1995199619971998	地基	8.2*4	Al	磁控溅射	镀膜机结构与Subaru类似，有效减少主镜吊装风险；溅射技术可以获得性能更好的铝膜	镀膜时依靠主镜工转调节铝膜膜厚均匀性，对镀膜机的稳定性要求高
Gemini	1998	地基	8.1*2	NiCrN_x+Ag+NiCrN_x+SiN_x	反应溅射	圆柱体型阴极绕轴快速转动，使表面溅射更均匀，不再出现临近磁体的靶材被集中侵蚀现象	Si中掺杂5%的Al增加直流溅射时的电导性，但是氮化铝保护层虽然对红外反射率没有影响，却对蓝光紫外区域可能有危害
LBT	2009	地基	8.4*2	Al	热蒸发	28个氮化硼坩埚热蒸发工艺，蒸发源少，方便控制所有蒸发源同步蒸发，提高膜层质量	主镜与真空室竖直放置，增加操作风险
MMT	2000	地基	6.5	Al	热蒸发	独特的PWM循环系统使200个蒸发源可以同时被加热；真空室分区设计使一面的蒸镀压力得到很好的控制；源阵列靠近基底的设计使镀膜均匀性更好	原位镀膜方式，清洗不干净
云南天文台	2009	地基	2.4	Al+MgF₂	热蒸发	自上向下热蒸发,镀前使用无水乙醇清洗蒸发源和材料，可适当减少滴落的发生	铝膜膜厚不均匀性为5.82%，保护膜使可见波段反射率降低5%左右
上海天文台	2013	地基	1.56	Al+SiO₂+TiO₂	PIAD	膜层致密、牢固、具有良好的环境适应性，膜层均匀性优于3%	主镜在上的镀膜方式，使主镜吊装反转运输过程膜层有受损风险

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2 几种典型的银反射镜的膜层材料及优缺点

2. Several typical materials and advantages/disadvantages of Ag reflecting mirrors

年份	第一作者/项目名称	连接层材料	保护层材料	镀膜方式	优点	缺点
1973	D.K.Burge	-	SiO₂ MgF₂ Al₂O₃	热蒸发	坚固耐久未表现明显吸收 11 μm处达到吸收极大值，并向红外扩展，但11 μm处最低反射率仍约为99%	λ=9.5 μm(R=97.2%)和λ=12.5 μm(R=99.0%)处有明显的吸收带随时间增长，反射率下降速度比裸银快明显降低可见波段反射率
1975	G.Hass	-	Al₂O₃+SiO₂	热蒸发	坚固耐久	红外波段大角度入射时引起强烈的偏振效应
1982	S.D.Browning	厚Al	四层高低折射率介质堆(Al₂O₃、Ta₂O₅)	热蒸发	厚Al膜上镀薄银膜(20~25 nm)使300~320 nm区域反射率提高；保护膜能有效保护银膜并提高紫外反射率	宽带反射率并没有体现银膜优势，工艺复杂，不如直接用铝膜
1985	D.Y.Song	Cu	四层高低折射率介质堆(Al₂O₃、Ta₂O₅)	热蒸发	用线性外推法推测这种膜系的寿命长达两年	370 nm附近反射率明显降低
1998	Gemini	NiCrN_x	SiN_x	磁控溅射	完美通过环境测试耐久测试，反射率高达99.1%(λ= 10.6 μm)	500 nm以下反射率骤降，脱膜困难
1998	Norman Thomas(NIF)	NiCrN_x	SiN_x+金属氧化物	磁控溅射	R_VIS= 95%~97%，R_IR＞98%，且在0°~60°入射时R＞95%，60°~80°入射时R＞90%；推测使用寿命达30年以上	带宽只有400~1 000 nm，且反射率低于前人实验
2000	LLNL	Al+NiCrN_x+Ag+NiCrN_x	SiN_x+金属氧化物	磁控溅射	虽然实现大角度宽波段高反射率，但是反射率都与裸银相差甚远
2004	LLNL	Al+NiCrN_x+Ag+NiCrN_x	SiN_x+(SiO₂+Ta₂O₅)⁶+SiO₂	磁控溅射	300~2 500 nm宽带高反射率，暴露9个月且清洁之后反射率只轻微下降	宽带反射率只有95%左右
2008	开普勒空间望远镜	NiCrN_x	Si₃N₄+五层高低折射率金属氧化物	离子辅助蒸镀	温湿度测试前后反射率没有明显变化；热蒸发使NiCrN_x厚度控制到刚好能保护银膜，降低其在紫外区域的强吸收	宽带高反射率(＞400 nm)只有95%左右
2012	Andrew C. Phillips等(UCO)		Y₂O₃+YF₃+Al₂O₃+Ag+YF₃+高折射率金属氧化物	离子辅助电子束蒸镀	两侧镀氟化物保护Ag膜；基于YF₃的新银膜结构在340 nm及其更短波长都有极高的反射率；在热红外区域有约1.5%的发射率；满足空间望远镜长达5年以上的使用需求	由于未知原因，膜系在8~12 μm有少量吸收，推测是由YF₃引起

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表 1 Gemini望远镜南北半球位置(GS、GN)不同保护银膜结构反射率下降情况

Table 1. Reflectivity loss of different Ag coatings at GS/GN

膜层	GS 470 nm反射率月降低率(排除灰尘影响)/%	样品暴露时长/天	GN 470 nm反射率月降低率(排除灰尘影响)/%	样品暴露时长/天
裸银	3.98	566	1.47	566
SiN_x保护的银膜	2.28	315	-	-
3层银膜	0.28	411	0.47	263
4层银膜	0	263	0	263