[发明专利]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

说明书

本发明涉及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，属于红外光学玻璃加工及应用技术领域。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，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；该方法中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，且是在常温以及真空状态下进行的，不会产生有毒成分的气化和泄露；该方法还可以实现非平面表面的微纳结构图案压印，拓展了大面积微纳加工的光学元件范畴，并且通过目标图形结构以及工艺参数的改变，可以实现硫系玻璃在红外各波段的高效增透。

技术领域

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。

发明内容

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；