一种复合式单元阵列结构的增透型光学元件及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于增透型光学元件技术领域，具体涉及一种复合式单元阵列的增透型光学元件、制备方法和应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.增透型光学元件作为一种高透过的光学镜头或光学窗口，主要应用在光谱分析、光谱成像等方面。随着社会的发展和技术的进步，增透型光学元件正朝向减反射、高透过、消杂散光的新型的综合性能优异的方向发展，在800nm～1500nm波段具有减反增透的光学元件，尤其是在航空航天、分析检测、军事安防等重点领域，具有广阔的应用前景。
4.目前传统的减反射、高透过、消杂散光的光学元件是通过在已有的光学元件表面镀单层或多层抗反射介质薄膜来实现的，但此类薄膜存在材质种类受限、相邻材质间的膨胀系数不匹配以及在恶劣工作环境中的抗腐蚀性和热稳定性难以保证等问题，无法满足实际应用需求。
5.随着社会的发展和技术的进步，人们发明了新型的透射型光学元件，例如：“一种红外光学窗口及其制造方法(专利号zl2012103616463)”公布了一种在红外光学窗口基片的两个端面上制备抗反射结构，该结构是二维矩阵四方排列的周期性结构，在8～12μm波段平均透过率达到85％以上。“红外宽带减反射微结构及其制备方法(专利号zl2018105168219)”公布了一种纳米结构阵列层和低折射率层相结合的红外宽带减反射结构，该结构截面是三角形、圆锥形、抛物线形或高斯形等渐变结构，可使在2～5μm波段平均透过率提高11％以上。以上公布内容中的减反射增透射结构均是采用了多种形貌中的其中一种，即单一形貌的周期性阵列结构，且适用波段是微米红外较长波段范围。
[0006]“微纳米结构光学元件及其制备方法与应用(专利号zl2016112178663)”公布了一种宽光谱广角减反射的纳米结构，该结构是倒锥形单一形貌阵列，倒锥形结构高度400nm，在图像显示领域的结构周期在400nm以下。该专利内容没有涉及到不同形貌组合的阵列结构的增透效果。
[0007]“一种蛾眼微结构基板的制备方法(专利号zl2016108293048)”公布了一种在基板表面上制备高分子聚合物抗反射结构，该结构是高分子聚合物涂层通过多次曝光、固化、清洗而形成凸起的抗反射结构。该专利所使用的高分子聚合物结构不适合经历高温环境，极容易氧化分解，因此无法满足特殊工作环境比如航空航天、军事安防等领域仪器装备的高温装配过程。“一种可见光和近红外波段的全介质角度不敏感超表面透射型长波通光学滤波器及其制备方法(专利号zl2019106799133)”公布了一种大圆孔阵列和小圆柱阵列的结构层与si层和mgf2层相结合的透射结构，该结构对于入射角度不敏感，在不同入射角下表
现出良好滤波效果，即抑制短波段400nm～700nm的透过，而700nm～1000nm高透过达80％以上。该专利中结构层只涉及到大圆孔阵列和小圆柱阵列，且在大于800nm波段的透过率低于90％。


技术实现要素：

[0008]
鉴于此，本发明提供了一种在800nm～1500nm波段范围具有显著增透的新型光学元件、及其结构与制备方法，该种新型光学元件通过在其表面构建复合式微纳结构及其周期性阵列，即能够实现优异的透光性能，可以单独用于光学镜头、光学窗口等，来提升相关仪器的综合性能，满足不同领域的高端需求。
[0009]
本发明提供如下技术方案：
[0010]
本发明第一方面，提供一种复合式单元阵列的增透型光学元件，所述光学元件包括基片、及基片入射面的微阵列结构(即基片入射面表面的微结构阵列)；
[0011]
所述基片为800nm～1500nm波段范围高透的材质；
[0012]
所述微阵列结构为亚微米级别的凹陷，呈周期性重复排列，每一复合式单元由第一凹陷和第二凹陷复合构成，其中第二凹陷分布于第一凹陷外围，并且第二凹陷的环绕中心与第一凹陷的中心重合，复合式单元微结构阵列呈六方密排排列；
[0013]
复合式单元中心间距为550nm～750nm。
[0014]
由于光线入射到两种介质的分界面上时会发生折射与反射，对于光学元件而言，有时候这些反射光是无用的，甚至会造成不必要的危害。例如，在光谱成像系统中反射会导致杂散光，造成眩光现象，噪声杂散信号增大，导致目标信号模糊不清、光谱成像质量变差。在光学分析系统中，当光学玻璃基片上下内表面来回反射，造成透过信号变弱、目标信号杂乱，背景噪声增大，严重降低了分析仪器的准确性和可靠性。
[0015]
在基片表面制备微结构，当微结构的周期尺寸小于入射光目标波长时，可使得目标光波无法辨认出该微结构，可等效看作基片表面的折射率沿基片的厚度方向而变化，通过控制微结构阵列形貌的大小和尺寸，减小了因折射率急剧变化所带来的菲涅尔反射效应。因此，当微结构的周期尺寸、以及微结构单元形貌、深度等因素合适时，将在目标波段内实现较好的抗反、增透效果。
[0016]
本发明的复合式单元，一方面通过单元大小尺寸控制来保证基片的增透效果；另一方面通过两种凹陷微结构复合而成的新的单元形式，第二凹陷分布于第一凹陷外围，并且第一凹陷的中心与第二凹陷的环绕中心重合，复合式单元微阵列呈六方密排排列，当复合式单元中心间距为550nm～750nm时，在800nm～1500nm波段范围具有明显增透效果。
[0017]
复合式单元中心间距：主要决定着高透过率的波段范围1；
[0018]
复合式单元的中心凹陷：主要影响着波段范围1的中间波段(～900nm《λ《～1300nm)；
[0019]
复合式单元的外围凹陷：主要影响着波段范围1的较短波段(800nm～900nm)、以及较长波段(1300nm～1500nm)；
[0020]
凹陷的大小、深度、以及陡直度：影响着透过率的高低；
[0021]
中心凹陷和外围凹陷相结合可以扩大高透过率的波段范围，当凹陷的深度、侧壁陡直度、以及凹陷尺寸参数合适时，可实现800nm～1500nm波段透过率的提高。
[0022]
通过调节复合式单元中的凹陷的尺寸大小、凹陷深度以及凹陷侧壁陡直度来控制增透效果的强弱程度，即影响微结构阵列层的折射率过渡，有效降低入射光的界面菲涅尔反射效应、降低基片内表面的往返反射杂散光、提高入射透过率，同时也提高了目标光波的信噪比，提高了信号准确性、成像清晰度。
[0023]
本发明第一方面所称的光学元件(optical windows)，是一种对目标光学信号可以高透过的透明件，因此该光学元件具有入射面，以及出射面，其实现的效果在于对800nm～1500nm波段范围的光学信号减反增透、消杂散光。
[0024]
优选的方案中，所述基片采用高透材质，如石英、火石玻璃、冕玻璃，所述基片的厚度为0.5mm～5mm。
[0025]
一种实施方式中，所述基片表面还具有蒸镀或沉积的透近红外薄膜层，所述薄膜层材料可选自氧化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硅中的至少一种。
[0026]
上述微结构阵列由复合式单元呈周期性排列，每一复合式单元由第一凹陷和外围的六个第二凹陷构成，两者之间不接壤；第二凹陷的中心连线呈正六边形，并且第一凹陷的中心与该正六边形的中心重合，每三个相邻复合式单元共用其顶角邻接处的1个第二凹陷。
[0027]
优选的，第一凹陷可选正六边形或圆形：当第一凹陷为圆形时，直径范围为300nm～400nm，更优选为370nm
±
15nm；当第一凹陷为正六边形时，其内接圆的直径为300nm～400nm，更优选为370nm
±
15nm。
[0028]
六方密排是微结构单元排列最紧密的方式，复合式单元按六方密排排列目的：一、提高基片利用率；二、提高入射光的透光效率。
[0029]
第一凹陷是复合式单元里的主要形貌，按六方密排排列，第一凹陷选正六边形或圆形是为了与六方密排相适应，提高入射光的透光效率(其他形状会对透过的光产生相互之间的干扰，会引起透光效率降低)。
[0030]
凹陷尺寸过大或过小，凹陷深度过深或过浅，凹陷侧壁陡直度过小(陡直度最大90度)，都会导致透过率降低(即增透效果变差)。第一凹陷的圆形直径或正六边形内接圆的直径范围均为300nm～400nm，更优选为370nm
±
15nm；复合式单元外轮廓的六个顶角处的每一个凹陷(占第二凹陷的1/3)的等腰边长均为80nm～160nm，优选范围是110nm
±
10nm；第二凹陷在微结构单元中所要求的等腰边长的尺寸范围是一样的。例如，微结构单元俯视的示意图如图2、图7、图10所示。
[0031]
优选的，第二凹陷可选三角形、圆形或正六边形；
[0032]
第二凹陷形状选取也是基于与六方密排相适应，提高入射光的透光效率，因为第一凹陷六方密排阵列对入射光有六方形方向的衍射，且能够最大程度地透过入射光，而第二凹陷形状选取三角形、圆形或正六边形，其对入射光也是有六方形方向的衍射；如果第二凹陷是其他形状，比如，正方形有十字形方向的衍射，会干扰第一凹陷的透光效果，导致透过光效率降低。
[0033]
进一步的，当第二凹陷为三角形时，其中心到顶点的距离为80nm～160nm，更优选为110nm
±
10nm；
[0034]
进一步的，当第二凹陷为圆形时，其直径为80nm～160nm，更优选为110nm
±
10nm；
[0035]
进一步的，当第二凹陷为正六边形时，其边心距为80nm～160nm，更优选为110nm
±
10nm。
[0036]
第二凹陷在微结构单元中所要求的等腰边长的尺寸范围是一样的。
[0037]
复合式单元外轮廓的六个顶角的每一个凹陷(占第二凹陷的1/3)的等腰边长均为80nm～160nm，优选范围是110nm
±
10nm；(凹陷尺寸、深度、陡直度影响同上文)。
[0038]
凹陷尺寸过大或过小，凹陷深度过深或过浅，凹陷侧壁陡直度过小，都会导致透过率降低(即增透效果变差)。
[0039]
进一步的，复合式单元中心间距优选为700nm
±
20nm。
[0040]
优选的，上述第一凹陷及第二凹陷的凹进深度为300nm～600nm，更优选为500nm
±
50nm，凹陷侧壁陡直度大于80
°
，更优选范围是大于86
°
。
[0041]
侧壁陡直度最大90
°
即侧壁垂直，属于要求的范围；陡直度过低比如低于80
°
会导致透过率明显降低。
[0042]
上述优选技术方案的一种实施方式中，第一凹陷为圆形，第二凹陷为等边三角形，第二凹陷的边朝向第一凹陷。
[0043]
又一种实施方式中，第一凹陷为正六边形，第二凹陷为等边三角形，第一凹陷与第二凹陷的对应边相平行，并且第二凹陷中心连线构成的正六边形与第一凹陷具有30
°
的中心旋转角度。
[0044]
又一种实施方式中，第一凹陷为正六边形，第二凹陷为圆形，第一凹陷的吧边朝向第二凹陷，并且第二凹陷中心连线构成的正六边形与第一凹陷具有30
°
的中心旋转角度。
[0045]
又一种实施方式中，第一凹陷为圆形，第二凹陷为正六边形，第二凹陷的边朝向第一凹陷，并且第二凹陷中心连线构成的正六边形(即复合式单元外轮廓为正六边形)与第二凹陷正六边形的对角线的方向不重合或不平行，两者呈30
°
相交。
[0046]
在实施方式中，当第一凹陷为正六边形，第二凹陷为圆形、等边三角形、或正六边形时，第二凹陷中心连线构成的正六边形与第一凹陷正六边形具有30
°
的中心旋转角度；当第一凹陷为圆形，第二凹陷为正六边形时，第二凹陷中心连线构成的正六边形(即复合式单元外轮廓为正六边形)与第二凹陷正六边形的对角线的方向不重合或不平行，两者呈30
°
相交。保证第一凹陷阵列与第二凹陷阵列有相同的透过光衍射效果，避免不同衍射方向之间的干扰。
[0047]
本发明第二方面，提供第一方面所述增透型光学元件的制备方法，所述制备方法包括采用刻蚀工艺在基片的入射面构建所述微阵列结构。
[0048]
上述制备方法中，所述刻蚀工艺采用干法刻蚀，优选电子束刻蚀、离子束刻蚀或等离子束刻蚀工艺。
[0049]
另外，所述制备方法中，刻蚀前后还包括对基片进行清洗的步骤，清洗采用的试剂包括有机试剂及水，常用有机试剂如丙酮或乙醇，清洗方式可采用超声清洗，生产人员可根据实际清洗效果增加清洗的次数，如两次或三次；一种具体的实施方式中，所述基片依次采用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗4～6min，重复上述洗涤程序3次后采用氮气吹干。
[0050]
以上一个或多个技术方案的有益效果在于：
[0051]
本发明提供了一种在800nm～1500nm近红外波段具有良好透过性的光学元件，该光学元件应用于近红外波段光信号的检测和分析具有重要意义，可应用于近红外波段的光学窗口、镜头等设备的构建，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0052]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0053]
图1为实施例1中所述微阵列结构俯视图；
[0054]
图2为实施例1中所述微阵列结构中一个复合式单元结构俯视图；
[0055]
图3为实施例1中制备光学元件的近红外波段透过率；
[0056]
图4为实施例2中所述微阵列结构中一个复合式单元结构俯视图；
[0057]
图5为实施例2中制备光学元件的近红外波段透过率；
[0058]
图6为实施例3中所述微阵列结构俯视图；
[0059]
图7为实施例3中所述微阵列结构中一个复合式单元结构俯视图；
[0060]
图8为实施例3中制备光学元件的近红外波段透过率；
[0061]
图9为实施例4中所述微阵列结构俯视图；
[0062]
图10为实施例4中微阵列结构中一个复合式单元结构俯视图；
[0063]
图11为实施例4中制备光学元件的近红外波段透过率；
[0064]
上述图1-图11中，俯视图为俯视基片入射面的观察结果。
具体实施方式
[0065]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0066]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0067]
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
[0068]
实施例1
[0069]
采用ф20*0.5mm的k9玻璃片作为基片，经过丙酮、无水乙醇、去离子水各超声(功率为80khz)清洗5分钟，重复清洗3次，氮气吹干得到干净、透明的基片备用。
[0070]
采用干法电子束刻蚀技术在k9玻璃片的表面刻蚀凹陷形貌的微结构周期性阵列，所述干法电子束刻蚀技术的参数设置如下：工作真空度为5
×
10-4
pa，最大加速电压为100kv，扫描主频为12mhz，扫描步距为1nm，最小束斑为2nm。所述微结构阵列如图1所示。
[0071]
如图1，该微阵列结构中，第一凹陷为圆形，第二凹陷为等边三角形，每一圆形及外围的六个等边三角形的一部分构成一个复合式单元，并且每3个相邻复合式单元共用其邻接处的1个等边三角形凹陷。在该复合式单元中，第二凹陷中心的连线围成正六边形(如图2所示)，其中，圆形凹陷的直径为370nm，图2中正六边形顶点处等腰三角形的腰长为80nm(即第二凹陷外接圆半径)。上述第一凹陷及第二凹陷凹进基片的深度为300nm，侧壁陡直度为80
°
，图2中正六边形平行边间距为700nm。
[0072]
上述刻蚀完成后，采用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声(功率为80khz)清洗5分
钟，重复清洗3次(清洗因为样品在流转过程中、操作过程中所受到的有机油脂污染、灰尘污染)；在净化车间内用高纯氮气吹干，以得到干净的、带有微结构阵列的k9玻璃基近红外增透型光学元件，其与相同厚度同材质未做微结构的k9玻璃片(0.5mm)相比，该k9玻璃基近红外增透型光学元件在800nm～1500nm近红外波段的透过率普遍可提高3.5％～4.7％(见图3)。
[0073]
实施例2
[0074]
采用100*100*2mm的石英片作为基片，经过丙酮、无水乙醇、去离子水各超声(功率为80khz)清洗5分钟，重复清洗3次，离心机甩干得到干净、透明的基片备用。采用等离子体刻蚀技术在石英片的表面刻蚀形成微结构周期性阵列，所述等离子体刻蚀的参数设置如下：预抽时长为120s，送气时长为200s，工艺压强为15pa，辉光功率为600w，辉光时长为600s，一氧化碳流量为45sccm，c4f8流量为300sccm。
[0075]
所述微阵列结构中，第一凹陷为正六边形，平行边间距为400nm，第二凹陷为等边三角形，凹进基片深度为400nm，侧壁陡直度为85
°
。所述第二凹陷的中心连线围成正六边形，如图4所示，该正六边形与第一凹陷具有30
°
的中心旋转角，外轮廓正六边形顶角处的等腰三角形的腰长为160nm。
[0076]
刻蚀完成后，采用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声(功率为80khz)清洗5分钟，重复清洗3次(清洗因为样品在流转过程中、操作过程中所受到的有机油脂污染、灰尘污染)；在净化车间内用高纯氮气吹干，得到干净的、带有微结构阵列的石英基近红外增透型光学元件，与相同厚度同材质未做微结构的石英片(2mm厚)相比，该近红外增透型光学元件在800nm～1500nm近红外波段的透过率普遍可提高可提高3％～5.5％(见图5)。
[0077]
实施例3
[0078]
采用ф50*3mm的f6玻璃片作为基片，经过丙酮、无水乙醇、去离子水各超声(功率为80khz)清洗5分钟，重复清洗3次，烘干得到干净、透明的基片备用。采用电子束刻蚀技术在f6玻璃片的表面刻蚀形微结构周期阵列。所述电子束刻蚀技术的参数设置如下：工作真空度为5
×
10-4
pa，最大加速电压100kv，扫描主频为12mhz，扫描步距为1nm，最小束斑为2nm。
[0079]
刻蚀形成的微阵列结构如图6所示，第一凹陷为正六边形，第二凹陷为圆形，两者凹进基片的深度为500nm，侧壁陡直度为90
°
；第一凹陷所示正六边形外接圆直径为350nm，第二凹陷的半径为120nm。第二凹陷六个圆形中心连线围成的正六边形中平行边间距为650nm(如图7)。
[0080]
刻蚀完成后，经过丙酮、无水乙醇、去离子水各超声(功率为80khz)清洗5分钟，重复清洗3次(清洗因为样品在流转过程中、操作过程中所受到的有机油脂污染、灰尘污染)；在净化车间内90℃烘干，得到干净的、带有微结构阵列的f6玻璃基近红外增透型光学元件，与相同厚度同材质未做微结构的f6玻璃片(3mm厚)相比，该光学元件在800nm～1500nm近红外波段的透过率普遍可提高达4.2％～5.6％(见图8)。
[0081]
实施例4
[0082]
采用ф100*5mm的f6玻璃片作为基片(其表面沉积有一层450nm厚的二氧化硅薄膜层)，经过丙酮、无水乙醇、去离子水各超声(功率为80khz)清洗5分钟，重复清洗3次，氮气吹干得到干净、透明的基片备用。
[0083]
采用离子束刻蚀技术在氧化硅薄膜层上刻蚀微结构周期性阵列。所述离子束刻蚀
技术的参数设置如下：采用氩离子源，预抽真空度为5
×
10-4
pa，离子束能量为1000ev，扫描频率为10mhz，扫描步距为1nm，最小束斑为1nm。
[0084]
所述微阵列结构如图9所示，第一凹陷为圆形，第二凹陷正六边形，两者凹进基片的深度为600nm，侧壁陡直度为88
°
。第一凹陷圆形的直径为300nm，第二凹陷正六边形的边心距为80nm。第二凹陷中心围成的正六边形中，两平行边的间距为550nm(如图10)。
[0085]
刻蚀完成后，经过丙酮、无水乙醇、去离子水各超声(功率为80khz)清洗5分钟，重复清洗3次(清洗因为样品在流转过程中、操作过程中所受到的有机油脂污染、灰尘污染)；在净化车间内氮气吹干，得到干净的、带有微结构阵列的f6玻璃基近红外增透型光学元件，与相同厚度同材质未做微结构的f6玻璃片(5mm厚)相比，该光学元件在800nm～1500nm近红外波段的透过率局部可提高达4.2％～5.5％(见图11)。
[0086]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。