近期，上海市激光學(xué)會理事、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部薄膜光學(xué)研發(fā)中心邵宇川研究員團(tuán)隊，基于磁控濺射技術(shù)制備了一種應(yīng)用于Si襯底上的高性能耐用中紅外抗反射涂層，該薄膜最高硬度達(dá)到20.8 GPa，具備優(yōu)異的抗砂蝕沖擊能力。相關(guān)研究成果以“Scratch-resistant antireflective coating for mid-wave infrared band”為題發(fā)表于Infrared Physics & Technology。

在3-5 μm中波紅外(MWIR)大氣透明窗口區(qū)，紅外探測器被廣泛應(yīng)用于光譜成像、遙感等領(lǐng)域，其快速發(fā)展對紅外光學(xué)窗口提出了更高的要求。常見的中波紅外光學(xué)材料折射率較高，存在了較大的反射損失，極大的影響了設(shè)備的光學(xué)性能。為了降低這種反射損失，常見的做法是在光學(xué)元件的表面沉積抗反射(AR)涂層。這類薄膜通常由硫族化合物、氟化物等組成，機(jī)械強度和環(huán)境穩(wěn)定性相對較差，這在一定程度上限制了中波紅外光學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。

為了獲得優(yōu)異的光學(xué)和力學(xué)性能的減反射薄膜，研究選用了AlN、Al₂O₃高硬度高低折射率材料設(shè)計了兩種面向硅基板的AlN/Al₂O₃/AlN中紅外硬質(zhì)減反射薄膜，其最外層AlN厚度分別為50 nm和100 nm。雙面沉積薄膜后，器件在3μm-5μm波段平均透過率約94.1%，硬度達(dá)~16GPa。經(jīng)高溫退火處理后，薄膜光學(xué)性能保持穩(wěn)定，結(jié)晶度提高，薄膜硬度進(jìn)一步提高，最高達(dá)20.8GPa，明顯改善了薄膜的抗沖蝕能力。該硬質(zhì)減反射膜在劃痕試驗、落沙沖擊試驗、附著力測試等各種環(huán)境中均表現(xiàn)出優(yōu)良的機(jī)械性能。研究表明，制備的薄膜可以滿足中波紅外光電系統(tǒng)在惡劣環(huán)境工作的要求，對于制造應(yīng)用高硬度、耐沖擊的紅外減反射膜有重要參考意義。

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金項目的支持。

圖1.膜系結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的透射光譜.(a) 兩種膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(b) 樣品照片；(c) 設(shè)計和測量的樣品透射光譜；(d) 退火樣品的測量透射光譜。

圖2.樣品的納米壓痕表征結(jié)果.(a)樣品4納米壓痕測量的硬度-位移曲線；(b)退火前后薄膜系統(tǒng)1和薄膜系統(tǒng)2（斜線）的楊氏模量測量值；(c) 未退火情況下測量的Al₂O₃、AlN和多層膜的硬度；(d) 退火后測量的樣