一种超长焦距薄膜凹面镜阵列的制备方法

1.本发明属于薄膜材料技术领域，具体为一种超长焦距薄膜凹面镜阵列的制备方法。


背景技术：

2.超长焦距凹面镜阵列在空间光探测、光通信等方面具有举足轻重的地位。凹面镜焦距越长，意味着曲率半径越大、曲率(曲率半径的倒数)越小，当超过几十到几百米后，曲率即趋于零，很难利用传统的机械打磨方法实现，且精度控制困难。
3.经检索，论文《飞秒激光和酸刻蚀方法制作凹面微透镜阵列》(李明，《光子学报》2009年39卷第3期，547-560页)中采用飞秒激光光刻玻璃基材、氢氟酸(hf)刻蚀的方法制作凹面透镜阵列，该技术具有精度高、单元尺寸小的优点；但对设备要求高(价格高的飞秒激光器、高精度ccd、三位移动设备等)、制作过程复杂(需要激光光束匀化、光束质量控制)，且需使用具有腐蚀性的hf酸。
4.专利cn201710449031.9“凹面结构上贴反射镜阵列的方法、凹面反射镜阵列和灯具”、cn201120476751.2“一种阵列式单元聚焦反射镜”中虽然提到了“阵列”，但上述专利中的“阵列”所指的是拼装成单个大尺寸平面反射镜或凹面反射镜的小尺寸面镜“碎片”集合，并且反射特性精度低，仅适用于工程和生活照明，无法用于科研和通信。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种超长焦距薄膜凹面镜阵列的制备方法，使得制备的薄膜凹面镜阵列具有超长焦距的特性，且可通过改变薄膜的膜厚差调节焦距大小，方向性、纠错性均强于同尺寸的单个反射面镜，为空间光探测、光通信提供了更好的反射器件。
6.本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
7.一种超长焦距薄膜凹面镜阵列的制备方法，具体步骤如下：
8.步骤(一)对基材进行溶剂擦拭、氮气干燥，并放入真空室内；
9.步骤(二)在基材非镀膜面上施加二维永磁阵列，调整二维永磁阵列、基材、靶材的相对位置；
10.步骤(三)对真空室进行抽真空至优于1
×
10-3
pa的真空度，氩离子清洗基材，时间5～20min；
11.步骤(四)采用脉冲激光沉积技术实施镀膜，激光对靶材进行二维均匀扫描，镀膜时间为20～30min。
12.优选的，步骤(一)中基材为硅、锗或石英玻璃中的任意一种。
13.优选的，步骤(一)中基材的长、宽各不大于120mm，厚度不大于15mm，基材的镀膜面的表面光洁度优于60-40，光圈数小于1。
14.优选的，步骤(二)中二维永磁阵列由9～100个相同的长方体单永磁体排列组成，
且任意相邻两个单永磁体的n、s极相反。
15.优选的，单永磁体的剩磁为0.5～5t、长、宽各为5～30mm，厚度为5～50mm，组成的二维永磁阵列长和宽分别不小于基材长和宽的120％。
16.优选的，步骤(二)中二维永磁阵列固定于基材的非镀膜面上，两者间距不大于10mm，保持同步旋转或静置。
17.优选的，步骤(二)中靶材为金、银、铝中的任意一种。
18.优选的，步骤(二)中靶材的长和宽不小于基材的长和宽，靶材与基材的镀膜面正对且平行，间距50～200mm。
19.优选的，步骤(四)中激光在靶材表面上的脉冲能量密度为0.1～40j/cm2或峰值功率密度为0.1～10
×
10
12
w/cm2。
20.优选的，步骤(四)中激光对靶材进行二维均匀扫描的扫描范围覆盖基材，二维均匀扫描为采用激光二维平移或二维振镜。
21.本发明的有益效果是：
22.本发明通过采用在基材的非镀膜面上施加二维永磁阵列，并采用脉冲激光沉积技术进行实施镀膜，与现有技术相比，使得制备得到的薄膜凹面镜阵列具有超长焦距的特性，且可通过改变薄膜的膜厚差调节焦距大小，方向性、纠错性均强于同尺寸的单个反射面镜，为空间光探测、光通信提供了更好的反射器件，具有精度高、制作成本较低、可用于科研和通信。
附图说明
23.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
24.图1为单个凹面反射薄膜剖面图；
25.图2为本发明中制备设备的结构示意图；
26.图3为7
×
7二维永磁阵列的磁感应强度分布图。
27.图中：1、二维永磁阵列；2、基材；3、靶材；4、激光；5、等离子体。
具体实施方式
28.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
29.本发明通过采用外置磁场调控脉冲激光沉积技术的镀膜方法，并利用膜厚的不均匀性及其旋转对称性，可以将反射薄膜等效为一个凹面镜。例如，如图1所述，图1中依附于基材2的圆形反射薄膜的厚度呈中间薄、边缘厚的形式，薄膜直径(等于或接近基材2的直径)为d、边缘与中心的厚度分别为h1和h2。一般的，d的尺寸为毫米到厘米，而(h
2-h1)为几十个纳米到几个微米的厚度尺寸级别，则其曲率半径r≈d2/8(h
2-h1)，那么其曲率半径可以达到百米甚至千米以上的级别。进一步，将该这种光学薄膜制备为二维阵列形式，则可以形成一种超长焦距薄膜凹面镜阵列。
30.一种超长焦距薄膜凹面镜阵列的制备方法，具体步骤如下：
31.步骤(一)对基材2进行溶剂擦拭、氮气干燥，并放入真空室内。
32.具体的，所述基材2为硅、锗或石英玻璃中的任意一种，长、宽各不大于120mm，厚度
不大于15mm，基材2的镀膜面的表面光洁度优于60-40，光圈数小于1。
33.主要基于成本和抛光难度考虑，上述几种材料成本低，更重要的是硬度、脆性适中，易于高精度抛光，在较低条件和成本下容易达到表面光洁度和光圈数要求；所述基材2的长、宽是指镀膜面上的两个正交长度，厚度是指垂直于镀膜面的长度。
34.在本实施例中，所述基材2选择石英玻璃，长、宽各均为100mm、厚度10mm，表面光洁度60-40、光圈数小于1。
35.对基材2进行溶剂擦拭、氮气干燥的目的在于去除基材2表面污染。
36.步骤(二)在基材2非镀膜面上施加二维永磁阵列1，调整二维永磁阵列1、基材2、靶材3的相对位置。
37.具体的，所述二维永磁阵列1由9～100个相同的长方体单永磁体排列组成，且任意相邻两个单永磁体的n、s极相反，该m
×
k二维磁阵列的磁感应强度分布呈现出(m-1)
×
(k-1)二维“磁漩涡”，单个“磁漩涡”中心对应为四个单永磁体交界点，其磁感应强度最低。以图2为例的一个7
×
7阵列，其形成的磁感应强度分布如图3所示，所述二维永磁阵列1的磁感应强度分布呈现出6
×
6二维“磁漩涡”阵列。由于m
×
k二维磁阵列的磁感应强度分布呈现出(m-1)
×
(k-1)二维“磁漩涡”，因此，纵横单元个数m和k均应不少于3，才能形成二维阵列，故二维永磁阵列1的规模不应小于3
×
3，即单元永磁体的个数不应少于9个。
38.所述单永磁体的剩磁为0.5～5t、长、宽各为5～30mm，厚度为5～50mm，组成的二维永磁阵列1长和宽分别不小于基材2长和宽的120％。进一步地，所述单永磁体的长、宽是指垂直于两极方向平面上的两个正交长度，厚度是指充磁方向上的长度。
39.在本实施例中，所述二维永磁阵列1由10
×
10个相同的长方体单永磁体排列组成，且任意相邻两个单永磁体的n、s极相反，单永磁体的剩磁0.6t，长、宽均为12mm，厚15mm。
40.聚焦或一定离焦的激光4烧蚀靶材3，形成等离子体5，其中含有大量的带电离子。这些离子在向基材2方向膨胀(飞行)过程中，受到磁场对其形成的洛伦兹力，而洛伦兹力方向始终垂直于离子飞行的方向，因此，离子始终做螺旋前进的飞行；同时，大部分离子被约束在离激光烧蚀点最近的“磁漩涡”中，直到其膨胀(飞行)到基材2表面、冷凝成膜。由于“磁漩涡”磁感应强度旋转对称的非均匀性，离子到达基材2表面的分布也呈现出旋转对称的非均匀性，即中心少、边缘多，因此，薄膜厚度呈现中心薄、边缘厚的情况。
41.进一步地，所述二维永磁阵列1与基材2之间的距离限制不大于10mm，主要是考虑较大距离会造成基材2镀膜面附近的磁感应强度弱，“磁漩涡”效果不明显，无法实现对等离子体5的约束；保持两者之间的同步旋转或静置，即使其相对静止，否则会造成薄膜厚度的均匀化。
42.在本步骤中，所述靶材3为金、银、铝中的任意一种，是因为这几种金属制备的膜层反射系数高。所述对靶材3长、宽不小于基材2长、宽的要求，是为了能够基材2表面对应的所有“磁漩涡”区域均有等离子体5被约束其中。
43.所述基材2与所述靶材3的距离50～200mm由实验经验设定：小于最低限50mm时，由于所述基材2的遮挡，所述激光4可能无法烧蚀靶材3的某些区域；高于最高限200mm时，所述靶材3附近区域距离二维永磁阵列1过远，等离子体5在膨胀初期受到“磁漩涡”的约束非常小甚至没有，而呈现无磁场情况下的自由扩散，膨胀到基材2附近磁感应强度较高的区域后，已经失去了约束的意义。
44.本实施例中，所述靶材3采用铝，所述靶材3的长、宽均为100mm，并与所述基材2的镀膜面正对且平行、相距120mm。
45.步骤(三)对真空室进行抽真空至优于1
×
10-3
pa的真空度，氩离子清洗基材2，时间5～20min。
46.步骤(四)采用脉冲激光沉积技术实施镀膜，激光4对靶材3进行二维均匀扫描，镀膜时间为20～30min。
47.具体的，激光4在靶材3表面上的脉冲能量密度为0.1～40j/cm2或峰值功率密度为0.1～10
×
10
12
w/cm2。
48.其中，所述激光脉冲能量密度和峰值功率密度要求分别是针对纳秒激光和飞秒激光。纳秒激光一般脉冲能量较大，可以达到几百mj甚至几j，因此，以单位面积上的脉冲能量(即脉冲能量密度)衡量；飞秒激光的脉冲能量一般较小，但其脉冲宽度极窄，使得脉冲能量完全作用于金属原子而没有热效应，这与脉冲宽度有直接关系，因此，以单位时间内、单位面积上的脉冲能量密度(即峰值功率密度)衡量。
49.所述激光4的二维均匀扫描，是将激光4在靶材3表面的烧蚀点按一定规律不断更换位置，实现两个主要目的：一是实现等离子体5在不同单个“磁漩涡”中的膨胀(飞行)，也就是在基材2表面的不同位置成膜，即对应于二维永磁阵列1“磁漩涡”形成二维薄膜凹面镜阵列；二是实现均匀烧蚀靶材3，使靶材3表面不会出现较明显的粗糙，从而使得形成等离子体5分布基本不变，即使其具有较强的稳定性。所述激光4的二维均匀扫描可以通过二维振镜或激光二维平移实现。
50.调整薄膜中心与边缘的厚度差，即可改变凹面反射薄膜的曲率半径(即焦距)。调整薄膜中心与边缘的厚度差，具体实现方法主要有以下三个：第一，调整激光4的能量密度或激光4在靶材3表面的光斑尺寸，从而改变等离子体5的分布。第二，调整磁感应强度分布，即改变二维磁阵列参数，如单个永磁体的尺寸、剩磁或磁阵列与基材2的距离。第三，改变制备时间或总激光脉冲数。在一定磁感应强度分布条件下，单个薄膜中心厚度与边缘厚度的比例是一定的，增加或减少制备时间(或总激光脉冲数)，就意味着增大或减小厚度差(h
2-h1)。
51.该步骤在本实施例中，使用的激光4为纳秒脉冲激光，在靶材3表面上的脉冲能量密度为1.2j/cm2；烧蚀靶材3的激光4做二维振镜扫描，其扫描范围覆盖基材2的长、宽；脉冲激光沉积技术的镀膜时间为30min。
52.镀膜实施结束后，在材料为石英玻璃的基材2表面上可获得9
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9阵列、单元尺寸12mm的二维凹面镜阵列。经测试，该阵列的焦距约763.5m。
53.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。