在硫系玻璃表面加工微纳结构改善红外波段透过率的方法与流程

本发明具体涉及一种在硫系玻璃表面加工三维规则排列的微纳结构以改善其红外波段透过率的方法，属于红外光学玻璃加工及应用技术领域。

背景技术：

硫系玻璃是由硫、硒、碲三种元素和其它玻璃网络体(如砷、锑、锗等)相互组合而构成的二元或三元化合物玻璃。20世纪五六十年代，硫化砷玻璃被美国、英国以及欧洲等多国的几家公司进行了大批量的生产，用于3μm～5μm的中红外窗口材料。同一时间，红外热成像概念和技术逐渐出现，使得人们将重点转到了透射更长波段硫系玻璃的研究。之后在8μm～14μm波段及更宽波段都能良好透射的硒化物和碲化物硫系玻璃被相继研制了出来。硫系玻璃的折射率比目前常用红外材料ge和si的低，在中波和长波红外的透过率较高，色散特性良好，并且由于硫系玻璃材料的折射率温度系数较低，相对于ge来说低一个数量级，是极好的消热差和消色差红外光学镜片材料。

硫系玻璃材料虽然折射率低于常用的锗、硅，但反射损失仍然较大，裸基底在中波、长波红外波段的透过率仍然只有65％左右，表面增透是透镜和窗口的首要技术。目前硫系玻璃解决该问题的方法是镀制红外增透膜，由于膜材与基底的热膨胀失配，应力极大，膜层牢固度差，极大限制了红外硫系玻璃光学元件的使用范围。有报道用尖的模具在一定温度压力下机械冲压无毒硫系玻璃获得微米级线性光栅微结构，用来实现偏振光相延迟。该微结构的加工方法虽然可以实现硫系玻璃表面的微结构加工，但也存在不足：采用机械冲压，模板的硬度要高于硫系玻璃的硬度，且整个加工表面都会产生变形及应力；模压时需将硫系玻璃加热到其玻璃转变温度之上，模压过程在高温下进行；硫系玻璃的成分必须为低毒或无毒以防止高温下有毒成分的挥发；该加工方式只适合硫系玻璃平片；由于是一次冲压成功，微结构的参数固定，不能像刻蚀一样通过改变刻蚀时间等参数来控制微结构的形貌；适合简单的线性结构，不适合尺度更小更复杂的三维结构。

技术实现要素：

针对采用镀制红外增透膜法或模压工艺获得线性微结构改善硫系玻璃表面红外波段透过率存在的问题，本发明提供了一种在琉璃玻璃表面加工微纳结构改善红外波段透过率的方法，该方法直接在硫系玻璃表面上制备折射率合适的微纳结构，不引入新的膜材料，而且通过改变微纳结构的形状以及工艺参数，可以获得规则排列的三维微纳结构，实现硫系玻璃的高效增透。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种在硫系玻璃表面加工微纳结构改善红外波段透过率的方法，所述方法步骤如下：

(1)在硫系玻璃表面涂覆一层聚合物涂层；

其中，聚合物涂层的材质为pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)、ps(聚苯乙烯)或紫外光固化聚合物；聚合物涂层的厚度优选100nm～300nm；

(2)用带有目标图形的模板压印转印模板，先在135℃～160℃下保温80s～120s，然后降温至100℃～130℃并保温80s～120s，继续降温至80℃～100℃，完成压印，将目标图形转移到转印模板上；

进一步地，相邻两道降温过程的温差不少于10℃，带有目标图形的模板材质为sic、si3n4或sio2，转印模板材质为热塑性塑料；其中，所述目标图形与硫系玻璃上刻蚀的微纳结构形状一致；

(3)用带有目标图形的转印模板压印硫系玻璃表面的聚合物涂层，在50℃～100℃和500kpa～5000kpa下，保温保压60s～120s，将目标图形转移到聚合物涂层上；

其中，聚合物涂层的材质为紫外固化聚合物时，在保温保压过程，还可通过照射紫外光照固化辅助转移；或者，直接在紫外光照射下固化转移，不需要加热以及加压；

(4)采用反应离子刻蚀去除硫系玻璃上目标图形区域以外的聚合物涂层，暴露出硫系玻璃表面；

进一步地，刻蚀参数：刻蚀气体o2流量为50sccm，刻蚀功率100w，偏压功率50w，刻蚀时间随聚合物涂层的种类以及厚度变化，直至暴露出硫系玻璃表面即可；相对于100nm～300nm的聚合物涂层，刻蚀时间约为20s～60s；

(5)按照目标图形结构对剩余聚合物涂层进行反应离子刻蚀，刻蚀工艺参数依据硫系玻璃成分及微纳结构参数的不同而不同，将压印在聚合物涂层上的目标图形通过刻蚀转移到硫系玻璃表面上；

(6)去除残留的聚合物涂层，获得表面具有增透功能的微纳结构的硫系玻璃。

进一步地，采用丙酮或硫酸水溶液浸泡深刻蚀后的硫系玻璃去除残留的聚合物涂层。

所述微纳结构是由截面形状为长方形、圆形、三角形、六边形或者抛物线形等三维结构单元重复排列而成的，其排列周期为0.6μm～4μm，刻蚀深度为0.9μm～3.6μm，能够实现对2.5μm～15μm波段的红外增透效果。

有益效果：

(1)本发明是直接在硫系玻璃表面上制备折射率合适的微纳结构，将微纳结构凹入硫系玻璃内部，规则有序，具有明显的增透效果和良好的增透微纳结构稳定性，避免引入新的膜材料，解决了传统镀制红外增透膜存在的多层膜膜材受限及膜层质量问题；

(2)本发明所述方法中对于硫系玻璃采用的反应离子刻蚀主要是基于气体和硫系玻璃的化学反应，对聚合物涂层覆盖的部分不产生任何效应，避免了应力的产生；而且该刻蚀过程不需加温，且在一定真空度状态下进行，不会产生有毒成分的气化和泄露；另外，由于采用了转印模板该方法可以在平面或曲面的硫系玻璃上加工出复杂的三维微纳结构，并避免了模板与硬质基底接触损伤；

(3)本发明所述方法的加工过程中可以灵活的调整各工艺参数，结合目标图形结构的改变，可以实现硫系玻璃在红外各波段峰值可调，也可实现宽波段的红外增透。

附图说明

图1为实施例1中制备的表面具有微纳结构的硫系玻璃表面的扫描电子显微镜(sem)图。

图2为实施例1中制备的表面具有微纳结构的硫系玻璃与未处理的裸硫系玻璃的透过率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

实施例1

针对硫系玻璃as40se60(as40se60，成都信息工程大学&成都蓝隼光电科技有限公司联合研究中心)设计了一种规则排列的三维碗状微纳结构，目的是实现3μm～12μm宽波段增透，具体加工过程如下：

(1)在硫系玻璃as40se60表面以甩胶方式涂覆厚度为100nm的紫外压印胶(代号04n，obducat微纳米压印公司)涂层；

(2)用刻有目标图形(由三维碗状结构单元排列而成，与硫系玻璃as40se60表面刻蚀的微纳结构一致)的sic印版压印聚乙烯(pe)转印模板，先在155℃下保温100s，然后降温至100℃并保温90s，再降温至90℃，将目标图形转移到pe转印模板上；

(3)用带有目标图形的pe转印模板压印硫系玻璃as40se60表面的紫外压印胶涂层，在75℃和4000kpa下，保温保压100s，将目标图形转移到紫外压印胶涂层上，并拔出pe转印模板；

(4)采用反应离子刻蚀去除硫系玻璃as40se60上目标图形以外的紫外压印胶涂层，暴露出硫系玻璃as40se60表面；其中，刻蚀参数：刻蚀气体o2流量为50sccm，icp功率为100w，偏压功率为50w，刻蚀时间为45s；

(5)以剩余聚合物涂层为掩模进行反应离子深刻蚀，将压印在紫外压印胶涂层上的目标图形通过刻蚀转移到硫系玻璃as40se60表面上；其中，刻蚀参数：刻蚀气体cl2流量为30sccm，刻蚀气体bcl3流量为30sccm，惰性气体ar2流量为30sccm，icp功率为100w，偏压功率为30w，压力为3pa，刻蚀时间为120s；

(6)将深刻蚀后的硫系玻璃as40se60浸泡丙酮中2h，去除残留的紫外压印胶涂层，获得表面具有增透功能的微纳结构的硫系玻璃as40se60。

采用扫描电子显微镜对所制备的表面具有微纳结构的硫系玻璃as40se60的表面进行形貌表征，结果如图1所示。根据图1中的sem照片可知，在硫系玻璃as40se60的表面获得了规则排列的碗状微纳结构阵列，该微纳结构的三维碗状结构单元的排列周期为1.2μm，碗口半径为550nm，碗的深度为3μm。

采用wgh-30/6型双光束红外分光光度计对未处理的裸硫系玻璃as40se60以及处理后的表面具有微纳结构的硫系玻璃as40se60分别进行透过率表征，结果如图2所示。由测试结果可知，在硫系玻璃as40se60表面加工微纳结构后，其在3μm～12μm波段的透过率平均提高了约7％，增透效果显著。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。