摘 要 通過采用非對稱F-P（法布里-珀羅）結(jié)構(gòu)和吸收性材料鉻（Cr），成功開發(fā)了一種新型的窄帶高反射吸收器件。這種新型器件結(jié)合了窄帶反射和寬譜吸收兩種特性，并在自主研發(fā)的型號為DR2001的磁控濺射鍍膜設(shè)備上制造出了8英寸量產(chǎn)樣品，8英寸樣品峰值偏移小于3nm，樣品的光譜指標(biāo)和設(shè)計高度吻和，在特定的窄譜段展現(xiàn)出極強的反射能力，反射率可達94.11%，并在300-1000nm波段范圍內(nèi)除窄帶反射峰以外的位置實現(xiàn)了近似全吸收的效果。樣品已經(jīng)過各種環(huán)境測試的考驗，表明該工藝過程具備實際量產(chǎn)條件。這種新型的具備可控窄反射峰的吸收材料可在實現(xiàn)濾光片效果的同時實現(xiàn)收集太陽輻射的目的，其在熱光伏、熱發(fā)射、熱成像以及光探測等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 引 言

光學(xué)干涉薄膜在現(xiàn)代航空航天探測及精密儀器等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，窄帶濾波器作為其中一種技術(shù)較為成熟的元件，在空間探測、化學(xué)分析、激光技術(shù)和光通訊傳輸領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。常見的光學(xué)窄帶濾光片多為透射型濾光片，但隨著應(yīng)用的需要和技術(shù)的發(fā)展，反射型濾光片越來越受到人們的關(guān)注，與透射型濾光片相比，反射型濾光片在一些場合下更有利于系統(tǒng)的擺放和集成，同時，由于材料固有的損失，透射型濾光片的效率通常要比反射型濾光片效率低。窄帶反射濾光片提供了和窄帶濾波器不一樣的光譜特性，可以實現(xiàn)窄帶反射。

公司研發(fā)團隊采用Ta₂O₅/SiO₂和金屬Cr膜層設(shè)計出了一種新型的具有可控窄帶反射峰的吸收器件，同時實現(xiàn)了窄帶反射彩色濾光和寬帶吸收效果，由于金屬Cr的高熔點特性，這種新型的吸收材料可以適應(yīng)光伏、熱光伏、能量收集等高溫的工作環(huán)境。通過膜系設(shè)計，這種新型的吸收材料在300-1000nm波段范圍內(nèi)除特定窄帶反射峰以外的位置可以實現(xiàn)近似全吸收的效果，并在特定窄帶位置可以達到極高的反射率。我們還在導(dǎo)潤公司自主研發(fā)的磁控濺射設(shè)備DR2001上成功制備了8英寸的量產(chǎn)樣品，樣品已經(jīng)過各項環(huán)境測試，表明該工藝過程已具備實際大規(guī)模量產(chǎn)條件。

從視覺顯示角度來看，這種吸收型窄帶反射器在可見光波段范圍可以設(shè)計成具有特定的反射波段，從而呈現(xiàn)出非常純凈的顏色。在材料應(yīng)用方面，它可以被設(shè)計成吸光材料，并且能夠?qū)μ囟ǖ恼V段進行強烈反射，不僅可用于顯示、防偽、傳感等方面的應(yīng)用，同時，由于其特殊的吸光特性，其在熱光伏、熱成像以及光探測等領(lǐng)域也有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 產(chǎn)品實物圖

2 工藝流程

2.1 制造設(shè)備

DR2001磁控濺射鍍膜系統(tǒng)是導(dǎo)潤科技有限公司自主研發(fā)的全自動控制設(shè)備，專門用于精密光學(xué)薄膜的制造。這款設(shè)備集產(chǎn)品設(shè)計、工藝控制和生產(chǎn)制造于一體，提供了全流程一體化的先進技術(shù)，為精密光學(xué)薄膜和光電子器件材料的研發(fā)與生產(chǎn)帶來了優(yōu)質(zhì)且具有競爭力的解決方案。

DR2001設(shè)備采用獨特的裝載腔與工藝腔室分離設(shè)計，確保了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和高效率。設(shè)備還配備了脈沖直流電源和離子源激活系統(tǒng)，以及能夠支持多種金屬和介質(zhì)膜層制造的多靶材系統(tǒng)。其業(yè)界領(lǐng)先的膜層厚度一致性（厚度差異小于0.5%）使得設(shè)備能夠高效生產(chǎn)6英寸和8英寸的產(chǎn)品。

2.2 鍍膜工藝

Ta₂O₅膜層的制備采用了純度為99.99%的金屬鉭（Ta）靶材，并在濺射過程中引入氧氣進行反應(yīng)，從而形成薄膜。經(jīng)過工藝優(yōu)化后，所獲得的Ta₂O₅膜層展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，具體表現(xiàn)為低吸收率和低應(yīng)力。

SiO₂薄膜的制備過程與Ta₂O₅類似，制備過程中我們使用了純度為99.99%的硅靶，在濺射過程中同樣通過氧氣反應(yīng)成膜，成功獲得了具有超低吸收率的SiO₂薄膜。

至于Cr薄膜，則是采用純度為99.5%的鉻（Cr）靶材，并通過磁控濺射技術(shù)進行制備。通過Coating Expert Pro 把設(shè)計程序?qū)氩⑦M行生產(chǎn)。

3 性能指標(biāo)

窄帶反射濾光片的實際反射率譜曲線如圖2所示，其在特定的窄譜段表現(xiàn)出極強的反射能力，與理論結(jié)果較為吻合。入射角度為6度時，其反射峰中心波長位置在631nm處，峰值反射率可達94.11%，與設(shè)計值相差不大，而隨著入射角變大，反射峰中心波長位置會向短波長方向移動，但是，雖然角度會對這種新型吸收材料的反射性能造成一定的影響，但是角度對這種材料的吸收性能卻影響極小，材料的吸收性能對角度并不敏感，結(jié)合實測的透過率曲線（圖4b）可以證明這一點。窄帶反射濾光片基本實現(xiàn)了300-1000nm超寬波段范圍無透過，整體光學(xué)性能與仿真設(shè)計數(shù)值相差不大，說明基于導(dǎo)潤光學(xué)自主研發(fā)設(shè)計的DR2001磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的鍍膜工藝已足夠成熟，膜厚精度控制準(zhǔn)確，鍍膜精度高。

圖2 窄帶反射濾光片的（a）反射率曲線和（b）透過率曲線

圖3（a）展示了量產(chǎn)所得8英寸樣品在不同點位的反射率曲線，其目的是檢測鍍膜的均勻性。我們選取了8英寸樣品上的不同的12個點位進行測試，12個點位的分布如圖3（b）所示，從測試結(jié)果來看，8英寸量產(chǎn)樣品均勻性極好，所測試的12個點位在光學(xué)性能基本無差別，如圖3（c）所示，反射峰中心波長位置最大偏移僅3nm，反射率峰值最大差值僅為1.57%。這些測試結(jié)果表明我們的鍍膜工藝已經(jīng)完全成熟，可以保證量產(chǎn)樣品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

圖3 （a）量產(chǎn)8英寸樣品不同12點位反射率曲線，（b）點位分布圖，（c）不同12點位的詳細光譜信息

圖4（a）則顯示了可靠性測試前后樣品的反射率曲線，處理前后樣品的光學(xué)性能變化極小，可靠性測試后，反射峰中心波長位置不變，仍為631nm，反射率峰值從94.11%變化為94.36%，這種變化是由于高溫處理改善了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和殘余應(yīng)力得到釋放所致。處理后樣品未出現(xiàn)膜裂、脫膜等現(xiàn)象，且光學(xué)性質(zhì)沒有出現(xiàn)明顯變化，我們還對量產(chǎn)8英寸樣品進行了百格附著力測試，測試結(jié)果見圖4（b）所示，薄膜和基底附著力良好，切口邊緣基本光滑，格子邊緣基本無脫落，說明本工作設(shè)計的新型光吸收器件有著良好的環(huán)境穩(wěn)定性和附著力，能夠適應(yīng)更多更復(fù)雜的工作環(huán)境。

圖4 環(huán)境測試（a）可靠性測試（b）百格附著力測試

4 結(jié) 論

 公司研發(fā)團隊基于非對稱F-P（法布里-珀羅）結(jié)構(gòu)和吸收性材料Cr ，成功開發(fā)了一種窄帶高反射的新型吸收器件，并實現(xiàn)了8英寸樣品的量產(chǎn)，這種新型器件能夠同時滿足窄帶高反射和寬譜光吸收兩種不同的功能需求。量產(chǎn)的8英寸樣品在光譜性能上與設(shè)計值高度一致，展現(xiàn)出在特定的窄帶譜段極強的反射能力，反射率可到94.11%。同時，在300-1000nm波段范圍內(nèi)，除了特定窄帶反射峰外，其他位置幾乎實現(xiàn)全吸收，具有廣泛的光吸收范圍和高吸收率。經(jīng)過各種環(huán)境測試的考驗，這些樣品顯示出良好的環(huán)境穩(wěn)定性，表明基于導(dǎo)潤光學(xué)自主研發(fā)設(shè)計的DR001磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的鍍膜工藝已足夠成熟，具備實際量產(chǎn)條件，樣品可以適應(yīng)各類高溫工作環(huán)境。此外，本設(shè)計不僅限于可見光波段的窄帶反射，還可以基于不同設(shè)計目的進行反射帶的調(diào)控，這種新型的具備可控窄反射峰的吸收材料可在實現(xiàn)濾光片效果的同時實現(xiàn)收集太陽輻射的目的，其在光伏、熱光伏以及光探測等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。