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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

孙梦至, 王彤彤, 王延超, 刘震, 刘海, 王笑夷, 杨海贵, 高劲松. 大口径反射镜高反射膜研究进展[J]. 中国光学, 2016, 9(2): 203-212. doi: 10.3788/CO.20160902.0203
引用本文: 孙梦至, 王彤彤, 王延超, 刘震, 刘海, 王笑夷, 杨海贵, 高劲松. 大口径反射镜高反射膜研究进展[J]. 中国光学, 2016, 9(2): 203-212. doi: 10.3788/CO.20160902.0203
SUN Meng-zhi, WANG Tong-tong, WANG Yan-chao, LIU Zhen, LIU Hai, WANG Xiao-yi, YANG Hai-gui, GAO Jin-song. Research development of high reflecting coating for large-diameter mirror[J]. Chinese Optics, 2016, 9(2): 203-212. doi: 10.3788/CO.20160902.0203
Citation: SUN Meng-zhi, WANG Tong-tong, WANG Yan-chao, LIU Zhen, LIU Hai, WANG Xiao-yi, YANG Hai-gui, GAO Jin-song. Research development of high reflecting coating for large-diameter mirror[J]. Chinese Optics, 2016, 9(2): 203-212. 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
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
  • 国家自然科学基金资助项目(No.60478035)
  • Supported by National Natural Science Foundation of China(No. 60478035)
  • 中图分类号: O484;TN304

Research development of high reflecting coating for large-diameter mirror

  • 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。
    国家自然科学基金资助项目(No.60478035)
    Supported by National Natural Science Foundation of China(No. 60478035)
  • 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

    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

    图  3  Gemini镀银望远镜主镜反射率曲线[16]

    Figure  3.  Reflectance of Gemini primary Ag mirror

    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)

    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

    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 NiCrNx+Ag+NiCrNx+SiNx 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
    1973D.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
    1975G.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
    1982S.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
    1985D.Y.SongCu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
    1998GeminiNiCrNxSiNx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
    1998Norman Thomas(NIF)NiCrNxSiNx+金属氧化物磁控溅射RVIS= 95%~97%,RIR>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
    2000LLNLAl+NiCrNx+Ag+NiCrNxSiNx+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
    2004LLNLAl+NiCrNx+Ag+NiCrNxSiNx+(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NiCrNxSi3N4+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NiCrNx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
    2012Andrew 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
    SiNx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
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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

大口径反射镜高反射膜研究进展

doi: 10.3788/CO.20160902.0203
    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
  • 国家自然科学基金资助项目(No.60478035)
  • Supported by National Natural Science Foundation of China(No. 60478035)
  • 中图分类号: O484;TN304

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。

国家自然科学基金资助项目(No.60478035)
Supported by National Natural Science Foundation of China(No. 60478035)

English Abstract

孙梦至, 王彤彤, 王延超, 刘震, 刘海, 王笑夷, 杨海贵, 高劲松. 大口径反射镜高反射膜研究进展[J]. 中国光学, 2016, 9(2): 203-212. doi: 10.3788/CO.20160902.0203
引用本文: 孙梦至, 王彤彤, 王延超, 刘震, 刘海, 王笑夷, 杨海贵, 高劲松. 大口径反射镜高反射膜研究进展[J]. 中国光学, 2016, 9(2): 203-212. doi: 10.3788/CO.20160902.0203
SUN Meng-zhi, WANG Tong-tong, WANG Yan-chao, LIU Zhen, LIU Hai, WANG Xiao-yi, YANG Hai-gui, GAO Jin-song. Research development of high reflecting coating for large-diameter mirror[J]. Chinese Optics, 2016, 9(2): 203-212. doi: 10.3788/CO.20160902.0203
Citation: SUN Meng-zhi, WANG Tong-tong, WANG Yan-chao, LIU Zhen, LIU Hai, WANG Xiao-yi, YANG Hai-gui, GAO Jin-song. Research development of high reflecting coating for large-diameter mirror[J]. Chinese Optics, 2016, 9(2): 203-212. doi: 10.3788/CO.20160902.0203
    • 自第一台伽利略望远镜的诞生到现在已有400年的时光。望远镜的发展延伸了人类视野的极限,得以让人类领略宇宙的浩瀚,也为天文学的不断进步奠定了基础。对于光学系统,瑞利判据指出在一定的波长下,系统的分辨率取决于通光孔径的大小,通光孔径越大则光学系统的分辨率越高,从1609年口径4.2 cm、镜筒长度1.3 m的伽利略望远镜到1990年发射升空的2.4 m口径哈勃望远镜再到2009年主镜单镜口径8.4 m的大双筒望远镜(LBT),为了满足观测更加遥远目标和获得更清晰图像的要求,大口径光学元件的制造能力不断取得突破,获得了飞速发展。

      反射式光学系统相对于透射式光学系统不存在色散的问题,而且更易获得大通光孔径,即更高的分辨率,因此反射式望远镜成为了目前被应用最为广泛的大口径光学系统的类型,而大口径反射镜正是大型反射式光学系统中的核心关键元件之一。大口径反射镜的光学性能重度依赖于镜体反射面镀制的反射膜的性能。

    • 随着近些年探测技术及激光技术的发展,光谱响应范围已经不只局限于可见光波段,对于紫外波段,红外波段,乃至太赫兹波段都提出了需求,宽光谱观测的需求无疑对反射膜的光谱性能提出了工作波段的要求[1, 2]。此外,大型光学系统中大多需要经过多次反射,反射率的差异在经过多次运算后对信噪比的影响很大。因此,宽光谱高反射率是目前所要提高的大口径反射膜的主要光学性能之一。

    • 大口径镀膜对大口径反射镜的吊装、膜厚均匀性的控制也是一项挑战。大口径反射镜重量大,运输、转移,吊装、反转对于反射镜有很大的破坏风险;对大口径反射镜镀膜,反射镜中心到边缘蒸镀或者溅射的角度差异很大,不易于控制膜厚均匀性,而膜厚均匀性是衡量镀膜装置和膜层质量的一项重要指标[3]

    • 地基大口径反射镜通常都要暴露在室外的严苛环境下使用,天基大口径反射镜还需考虑空间辐射的影响[4],这就对反射膜的光学性能和环境适应性提出了很高的要求,不仅希望高反射膜具有优秀的耐久性,更希望反射膜层在被破坏失效后易于清洗清除。因此,选择合适的反射层以达到大口径反射镜光学性能的需求;选择合适的保护层以防止反射膜被外界环境所腐蚀或清洁表面污物时被损伤;选择合适的连接层以使膜层间连接更加牢固;并且希望连接层材料易于被化学试剂清洗而不损伤反射镜基底。

    • 大口径光学系统制造难度大,成本高,所以在单一的大口径光学系统当中需要尽可能的收集更宽的光谱,最大化的利用一套系统收集更多信息,所以反射膜的宽光谱反射特性在反射层选择时被列为主要因素。金属反射膜具有膜系简单,制备工艺相对需求低,工作波长范围宽等优点,可以在很宽的工作波长下都能达到非常高的反射率,最大程度的满足了大口径光学系统的设计和使用需求,因此在目前使用的大口径光学系统中金属反射膜得到了大范围的应用。

      图 1给出几种常用金属膜在不同波长上的反射率和吸收率。从图中我们看到,Al在紫外到红外区域都拥有很高的反射率,Ag和Au虽然拥有的工作波段不如Al,但是在自己所在的工作波段拥有更高的反射率,其他金属材料在光学特性上都要稍逊一筹,目前反射光学系统中最常用的金属反射膜材料就是Al、Au和Ag。但是由于一般大口径光学系统工作波段为紫外到红外,所以除非工作波段仅在红外有要求,否则Au作为反射膜是比较少出现的。

      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

      目前著名的大口径反射式天文望远镜主要参数如附表 1所示[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15],可见目前常用的反射镜材料为铝,这是因为铝在宽波段有较高的反射率,而且其表面在空气中迅速形成一层致密的Al2O3保护膜防止Al被进一步腐蚀破坏,且Al2O3保护膜对反射率的影响可以被天文应用所接受[10],所以可以不在表面加镀保护膜。但是铝镜大部分光谱范围在可见到近红外波段,且反射率在90%左右,其中两个大口径铝反射镜在所需光谱范围内的反射率曲线如图 2所示。

      表 1  目前国内外大口径天文望远镜主镜优缺点

      Table 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 NiCrNx+Ag+NiCrNx+SiNx 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

      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

      然而,随着大口径反射镜对光学性能要求的提高,铝反射镜的反射率、吸收率越来越无法满足人们的需求,因此,银反射镜被看作是有望实现各项要求的金属膜材料。但是由于银与玻璃基底连接性差易发生剥落,在空气中被氧化、硫化、氯化等严重影响其反射率,因此尚无法实现广泛应用。但1998年Gemini(8 m双子星望远镜)成功实现银膜在大口径反射镜的应用[10, 16],虽然尚存在脱膜困难、反射率在400 nm以下骤降等一系列问题,但是仍然使银膜应用在大口径反射镜上成为可能,更将光谱带宽拓宽至0.3~25 μm且显著提高宽带反射率,如图 3所示。而我国云南天文台在2009年建成的主镜镀铝2.4 m大口径天文望远镜系统也正式投入使用[13, 14]。随着目前更宽的工作波段的需要,2013年又对银反射膜层进行了探索。

      图  3  Gemini镀银望远镜主镜反射率曲线[16]

      Figure 3.  Reflectance of Gemini primary Ag mirror

    • 反射膜淀积技术包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等。一般反射镜镀膜均采用物理气相沉积,包括热蒸发、溅射和离子镀等[17]

      离子镀虽然兼具热蒸发和溅射的特点,但是由于其淀积原理使处于离子态的淀积粒子最终在基板表面氧化生成低吸收的氧化物,因此不适合采用离子镀方法镀大口径金属反射镜。

      热蒸发几乎能淀积所有薄膜,蒸发粒子不带电,而且因为高真空淀积,几乎不受残余气体分子碰撞,能够制成高纯度薄膜。但是由于淀积粒子能量低,故常呈多孔的柱体结构。离子辅助蒸镀(IAD)或PIAD虽属于热蒸发,但是随着氩、氧离子的辅助轰击,大大提高薄膜的致密度、牢固度,也使氧化物薄膜的吸收进一步降低。

      普通的溅射系统溅射速率较低,磁控溅射技术使溅射速度大大提高,在溅射金属时更可避免二次电子轰击而使基板保持接近冷态,在低温镀膜要求下具有重要的意义。但是由于溅射过程中有大量荷电粒子,激活粒子易反应而降低膜层纯度。

      附表 1附表 2[1, 2, 4, 10, 16, 18, 19, 20, 21, 22, 23]可以看出,镀铝反射膜大多数采用热蒸发的方式(Subaru、LBT、MMT、国内大口径镀铝天文望远镜等均采用热蒸发方式),但是在大口径镀膜过程中,普遍存在蒸发源过多难于控制、主镜过重不适宜Face-down的蒸镀方式的问题。此外,热蒸发功率小,也是造成膜层质量差的原因之一,而这在镀银过程中尤为明显。

      表 2  几种典型的银反射镜的膜层材料及优缺点

      Table 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
      1973D.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
      1975G.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
      1982S.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
      1985D.Y.SongCu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
      1998GeminiNiCrNxSiNx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
      1998Norman Thomas(NIF)NiCrNxSiNx+金属氧化物磁控溅射RVIS= 95%~97%,RIR>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
      2000LLNLAl+NiCrNx+Ag+NiCrNxSiNx+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
      2004LLNLAl+NiCrNx+Ag+NiCrNxSiNx+(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NiCrNxSi3N4+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NiCrNx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
      2012Andrew 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

      另一方面,溅射由于功率大,粒子运动速率大,更容易获得均匀致密的膜层。溅射过程中基板温度低于热蒸发情况而对反射镜面型影响更小。溅射粒子运动方向受磁场控制,可以满足Face-up镀膜方式的需求,避免翻转吊装过程对膜层有破坏,也对镀膜机的机械稳定性能要求有所降低。因此,溅射技术逐渐被广泛应用(如VLT镀铝、Gemini镀银、LLNL镀银等均采用溅射方式)。

      但是,2008年,开普勒空间望远镜工程采用IAD方式使银膜在空间环境中吸湿作用明显减小,2012年,加州天文台大学(UCO)采用离子辅助电子束蒸镀方式,对镀膜机结构加以改进,电子枪、离子源和基底几何位置固定,单轴转动基底,可使任意半径处淀积的膜层一致。2013年,中科院光学系统先进制造技术重点实验室通过对挡板的设计修正膜厚也取得重大成果[24]

      2013年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所使用PIAD技术成功在低温下完成了1.56 m望远镜铝增强高反射膜的镀制,实现了多波段多层介质增强高反射膜的镀制,膜层致密、牢固、具有良好的环境适应性,膜层均匀性优于3%,不同位置测试片反射率如图 4所示;2014年,完成了国内目前最大的Face-up形式多模式磁控溅射镀制大口径光学元件的镀膜设备建造,可完成4.5 m量级反射镜的多层高反射膜镀制。

      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)

      因此,不同的镀膜工艺配合着不同的需求和不同的镀膜机结构,均有望获得优秀的反射镜膜层。

    • 随着大口径反射镜对光学性能的要求越来越高,银膜已被看做是唯一有望实现各项要求的金属膜材料。

      根据多年来镀铝经验,铝反射膜由于其在空气中迅速被氧化形成Al2O3保护膜而鲜有再在外层加镀保护膜的设计,一般外层保护膜的主要作用为增强铝膜反射率等光学性能。

      相对而言,裸银反射镜表面会由于环境的因素出现变色(氧化、硫化、氯化等形成Ag2O、Ag2S、AgCl、Ag2SO4、Ag2CO3[21, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34])导致反射率降低,因此需要在其表面加镀保护膜防止其在空气中被腐蚀变色。J.M.Bennett等人指出[18],Ag2S吸收主要在1.4 μm,在红外区几乎是透明的,但是Ag2S会影响银膜的光学性质,粗化银膜表面,也因此通过反常的皮肤效应[35]带来额外的吸收。并且硫化产生的Ag2S并不能像Al膜表面氧化生成的Al2O3保护膜一样,阻止硫化和腐蚀的进一步发生,因此最终导致银膜完全被腐蚀。有必要为Ag添加有效的保护膜。

      保护膜不仅需要不易被腐蚀,能够提供有效的防护作用,同时也要对工作波段反射率影响小,并且其制备简单、成膜致密。Gemini提出的银膜保护方案[16]使银反射镜耐久性有显著提高,完全暴露在室外各种环境(灰尘、高湿度、雨季、暴风雪)下254天后可见反射率损失只有0.75%/月,并且只是由于膜间嵌入的灰尘导致。而后又对比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,结果如表 1所示。

      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
      SiNx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

      银反射膜的另一个缺憾就是其与基底和保护层的结合力弱,使膜层易脱落,更不利于保护层其作用,因此需要上、下连接层起过渡作用,增强膜层之间的结合[10, 36],同时下层连接膜也有可能对上层生长的反射膜的晶粒大小、粗糙度等有改善,好的连接层使薄膜更致密、不易脱落、反射率更高[37]

      几种典型的银反射镜的连接膜和保护膜材料及其优缺点如附表 2所示。

      从表中可以看出,基于氮化物的膜系结构比传统的Cr或Al2O3与Ag连接更牢固,对反射率影响也最小,但是由于其不仅在镀膜过程中不易控制溅射比例,而且在蓝光到紫外的强吸收,使其应用受限;此外,脱膜困难也是亟待解决的问题。

      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

      也有人提出用Cu或氟化物做连接层的方案,更多结果仍然需要进一步研究。

    • 本文详细介绍了大口径反射镜高反射膜的研究进展,简要阐述了人们在面对日益增强的天文观测的需求时,反射膜的进步和发展历程。Al反射镜在目前的大口径光学系统中的制备已经相当成熟,其材料的光学性能也已被发挥到接近极限,如果继续增强其宽带反射特性,要增加介质反射层,这将影响金属反射膜的中性特性。所以拥有从可见到红外波段反射率最高、红外吸收率最小的金属反射层材料,Ag将成为今后大口径反射层材料的研究热点。如何将Ag膜长期可靠地应用在大口径反射镜表面成为今后大口径反射膜的发展趋势。

      上述研究进展为今后的大口径反射镜高反射膜的研究提供了方向:(1)由铝反射膜向银反射膜发展,可获得更高反射率、更宽的光谱带宽、更优秀的光学性能;(2)镀膜手段由热蒸发向磁控溅射改进,既解决了大口径镀膜由于面积过大而使蒸发源过多导致难于控制同步蒸发,又由于溅射粒子运动速率高于热蒸发而更易获得致密的膜层,提高膜层质量,更可以解决被镀件在下、靶材在上、蒸发粒子受重力影响导致热蒸发获得的膜层均匀性差的问题;(3)研发新的膜系结构,寻找其他膜层材料,并寻找合适的脱膜剂,使银反射镜能长期可靠地应用在大口径光学系统中。

参考文献 (1)

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