一种二氧化碳激光反射镜及其制备方法与流程

1.本发明属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种二氧化碳激光反射镜及其制备方法，特别涉及一种长波段、高反射超薄二氧化碳激光反射镜及其制备方法。


背景技术：

2.二氧化碳激光反射镜是激光光线传输系统中重要的元件。在co2激光光路中反射镜可以有几方面的应用：
①
在激光管内作为尾镜起到震荡激光的作用；
②
在反射镜在激光管内改变光线，起到减少激光管长度的作用；
③
在激光管外和聚焦镜配合，构成一个完整的光路。它可以使激光机器的设计更加节省空间减少激光损耗，最大程度保留激光工作功率。目前二氧化碳反射镜常采用单一金属镀膜或纯介质镀膜加工而成，或传统的钼镜抛光后作为反射镜。
3.而针对二氧化碳激光反射镜的研究很多，例如cn111505753a公开了一种基于碳化硅基底的co2反射膜及其制备方法，该方法制备的二氧化碳反射膜基于碳化硅基底的co2反射膜，包括顺序相接的碳化硅基底层、类金刚石膜层、镍铬合金粘接层、金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的ybf3层与znse层。该膜系具有在远红外10.6um波段的反射达到99.8％，并且能承受300℃的高温，密度小，弹性模量高，热膨胀系数低，热导率高，附着力强，耐温性好，耐湿热性强，无热应力，线膨胀系数均匀，热性能和机械性能具有各向同性；然而该反射膜的制备方法不存在连续性，因而制造成本高，实际生产流程复杂，且由于生产的不连续性导致产品良率降低，导致生产效率和产品良率降低；且该反射镜厚度过厚。cn115508930a公开了一种能够应用于红外激光系统的红外中波高反膜，其采用金膜加介质膜的堆叠，且介质膜采用硫化锌与ge交替的膜层，能够在红外3～5μm波段实现更高的反射率，平均反射率大于99.7％，能够达到高反射的要求，其膜系结构总厚度小于3μm，低于常规介质高反膜，能够降低内应力，消除脱膜风险，然而该反射膜仅适用于3-5μm波段，当将其扩展到长波10.6μm波长时仍然存在厚度会超过5μm的缺陷。cn211263834 u公开了一种二氧化碳激光反射镜，包括镜片基材、过渡层和镀膜层，其中过渡层由依次设置在晶片基材上的镀铬粘结层、镀金反射层和硒化锌粘结层构成，镀膜层包括依序设置在过渡层上的氟化镱层、硒化锌层、氟化镱层、硒化锌层、氟化镱层、硒化锌层，但是该反射镜容易吸潮，而且质地软，不耐擦拭因而降低使用寿命，且膜的总厚度过厚。


技术实现要素：

4.为解决以上问题，本发明提供一种二氧化碳激光反射镜及其制备方法。
5.针对上述技术问题，提出如下解决方案：本发明提供一种二氧化碳激光反射镜，该激光反射镜包括基底，依次设于所述基底上的镍铬合金镀层、金属银层、一组以上交替设置的硫化锌和锗层，以及碳化硼层。
6.作为优选，所述镍铬合金过渡层的厚度为15-30nm，所述金属银层的厚度为150-200nm；所述碳化硼层的厚度为100-300nm；所述基底为硅、铜、钼或砷化镓。
7.作为优选，所述交替设置的硫化锌和锗层为两组；第一硫化锌层厚度为1100-1300纳米，第一锗层厚度为600-700纳米，第二硫化锌层厚度为1100-1300纳米，第二锗层厚度为600-700纳米。
8.作为一个总的发明构思，本发明还提供一种前述的二氧化碳激光反射镜的制备方法，包括：s1、将抛光的基底置于蒸镀机中，抽真空和加热后，进行离子清洗；s2、在蒸镀机中依次镀镍铬合金镀层、金属银层、交替设置的硫化锌和锗层，以及碳化硼层；s3、镀膜完成后，进行静置保温释放应力，降温即得。
9.作为优选，步骤s2中，所述镍铬合金镀层、金属银层和硫化锌层采用电阻加热蒸发方式镀膜，所述锗层采用电子束加热蒸发方式镀膜，所述碳化硼层采用等离子辅助化学气相沉积法镀膜。
10.作为优选，所述碳化硼层的镀膜包括：将硼粉置于蒸发镀膜机坩埚内，开启电子枪以高能电子束对硼粉进行熔化、蒸发，同时开启离子源，以氩气和甲烷作为离子源气体，在锗层表面镀碳化硼层。
11.作为优选，所述碳化硼层镀膜过程中，所述硼粉熔化后蒸发的速率为2-10埃/秒；所述氩气和甲烷的体积比分别为氩气1-20%、甲烷80-99%。
12.作为优选，所述碳化硼层镀膜过程中，所述离子源为霍尔源，所述离子源的工艺参数为：中和电流为0.3-0.6a、中和气流量为5-8sccm、阳极电压为110-200v、阳极电流1.5-3a。
13.作为优选，镀硫化锌和锗层的过程中，均采用离子源辅助镀膜；所采用的离子源为霍尔源，离子源气体为氩气；离子源的工艺参数为：中和电流为0.3-0.6a、中和气流量为5-8sccm、阳极电压为110-200v、阳极电流1.5-3a。
14.作为优选，步骤s1中，所述抽真空的真空度为1.5*10-3
pa以下，所述加热的温度为10-200℃；所述离子清洗的时间为3-10min；所述离子清洗的气体为氩气；步骤s3中，所述静置保温的时间为10-20min；所述保温的温度为100-200℃。
15.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：1、本发明的二氧化碳激光反射镜由基底，依次设于所述基底上的镍铬合金镀层、金属银层、交替设置的硫化锌和锗层，以及碳化硼层构成，该激光反射镜膜层在保证8-12μm的长波长区间的高反射率的同时整体厚度极低，产品硬度高、耐磨性好、激光损伤阈值高、使用寿命长，激光功率高，且膜层的生产连续性好，无需进行多种工艺和生产场所的切换，可以在蒸镀机中实现所有膜层的沉积，因而生产流程简单、生产成本低、良率和生产效率高，适于进行大规模生产应用。
16.2、本发明的二氧化碳激光反射镜在8-12μm的长波长区间的平均反射率高达99.5%以上，在10.6μm波长处的反射率高达99.8%，且厚度低达4.5μm以下。
附图说明
17.图1为实施例1激光反射镜的构成。
18.图2为实施例1的反射镜在10.6um波长处的反射率图。
具体实施方式
19.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
20.实施例1本实施例提供了一种激光反射镜的制备方法，包括以下步骤：（1）将抛光好的直径25*2mm硅片置于蒸发镀膜机内的工装夹具上，将镀膜机真空抽至1.5*10-3
pa加热至150℃，开启离子源用氩离子轰击硅片表面，持续5min使硅片表面更加洁净。然后开始镀膜，膜层从基底硅开始分别为；第一层镍铬合金20纳米、第二层银180纳米、第三层硫化锌1188纳米、第四层锗646纳米、第五层硫化锌1252纳米、第6层锗619纳米、第七层碳化硼200纳米。
21.（2）在镀膜过程中前一至六层离子源只使用氩气（纯度为99.99%），氩流量比例100%，镀膜过程中，镀zns、锗与碳化硼层时，使用霍尔离子源辅助镀膜，离子源参数为电流0.3a、中和气流量5sccm、阳极电压180v、阳极电流2a。
22.（3）镀第七层碳化硼时开启电子枪融化硼粉，电子枪束流从0瓦缓慢增加到300瓦，避免功率增加过快温度瞬间升高使膜料产生喷溅，待硼粉（硼粉纯度为99.99%）融化后设定蒸发速率2埃/秒，同时开启离子源，以氩气（纯度为99.99%）和甲烷（纯度为99.99%）作为离子源气体，气体流量比例为：氩气10%，甲烷90%，在锗层表面通过化学气相沉积镀碳化硼膜层。
23.（4）完成镀膜后静置20min降温释放应力，取出硅片即可获得10.6um波长处表面反射率为99.8%以上的高反镜，测试结果如图2所示。
24.对比例1本对比例与实施例1的区别仅在于，省略第七层碳化硼的镀膜，即省略步骤（3）。
25.对比例2本对比例与实施例1的区别仅在于，省略第一层镍铬合金的镀膜。
26.对实施例1、对比例1-2制备的激光反射镜进行性能表征，结果如表1所示。
27.表1实施例1、对比例1-2的二氧化碳激光反射镜产品的表征参数以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种二氧化碳激光反射镜，其特征在于，该激光反射镜包括基底，依次设于所述基底上的镍铬合金镀层、金属银层、一组以上交替设置的硫化锌和锗层，以及碳化硼层。2.如权利要求1所述的二氧化碳激光反射镜，其特征在于，所述镍铬合金过渡层的厚度为15-30nm，所述金属银层的厚度为150-200nm；所述碳化硼层的厚度为100-300nm；所述基底为硅、铜、钼或砷化镓。3.如权利要求1或2所述的二氧化碳激光反射镜，其特征在于，所述交替设置的硫化锌和锗层为两组；第一硫化锌层厚度为1100-1300纳米，第一锗层厚度为600-700纳米，第二硫化锌层厚度为1100-1300纳米，第二锗层厚度为600-700纳米。4.一种如权利要求1-3任意一项所述的二氧化碳激光反射镜的制备方法，其特征在于，包括：s1、将抛光的基底置于蒸镀机中，抽真空和加热后，进行离子清洗；s2、在蒸镀机中依次镀镍铬合金镀层、金属银层、交替设置的硫化锌和锗层，以及碳化硼层；s3、镀膜完成后，进行静置保温释放应力，降温即得。5.如权利要求4所述的二氧化碳激光反射镜的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述镍铬合金镀层、金属银层和硫化锌层采用电阻加热蒸发方式镀膜，所述锗层采用电子束加热蒸发方式镀膜，所述碳化硼层采用等离子辅助化学气相沉积法镀膜。6.如权利要求4或5所述的二氧化碳激光反射镜的制备方法，其特征在于，所述碳化硼层的镀膜包括：将硼粉置于蒸发镀膜机坩埚内，开启电子枪以高能电子束对硼粉进行熔化、蒸发，同时开启离子源，以氩气和甲烷作为离子源气体，在锗层表面镀碳化硼层。7.如权利要求6所述的二氧化碳激光反射镜的制备方法，其特征在于，所述碳化硼层镀膜过程中，所述硼粉熔化后蒸发的速率为2-10埃/秒；所述氩气和甲烷的体积比分别为氩气1-20%、甲烷80-99%。8.如权利要求6所述的二氧化碳激光反射镜的制备方法，其特征在于，所述碳化硼层镀膜过程中，所述离子源为霍尔源，所述离子源的工艺参数为：中和电流为0.3-0.6a、中和气流量为5-8sccm、阳极电压为110-200v、阳极电流1.5-3a。9.如权利要求6所述的二氧化碳激光反射镜的制备方法，其特征在于，镀硫化锌和锗层的过程中，均采用离子源辅助镀膜；所采用的离子源为霍尔源，离子源气体为氩气；离子源的工艺参数为：中和电流为0.3-0.6a、中和气流量为5-8sccm、阳极电压为110-200v、阳极电流1.5-3a。10.如权利要求4或5所述的二氧化碳激光反射镜的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述抽真空的真空度为1.5*10-3
pa以下，所述加热的温度为10-200℃；所述离子清洗的时间为3-10min；所述离子清洗的气体为氩气；步骤s3中，所述静置保温的时间为10-20min；所述保温的温度为100-200℃。

技术总结
本发明提供一种二氧化碳激光反射镜，该激光反射镜包括基底，依次设于基底上的镍铬合金镀层、金属银层、一组以上交替设置的硫化锌和锗层，以及碳化硼层。该二氧化碳激光反射镜通过各镀层材料以及镀层厚度的配合，使得其在保证8-12μm的长波长区间的高反射率的同时整体厚度极低，产品硬度高、耐磨性好、激光损伤阈值高、使用寿命长，激光功率高，且膜层的生产连续性好，无需进行多种工艺和生产场所的切换，可以在蒸镀机中实现所有膜层的沉积，因而生产流程简单、生产成本低、良率和生产效率高，适于进行大规模生产应用。行大规模生产应用。行大规模生产应用。


技术研发人员：戴辉 尹士平 郭晨光
受保护的技术使用者：安徽光智科技有限公司
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/12