第一章 绪论
1.1 研究背景
在红外区域有合适空运设备需求的光、热、和机械性能的少数材料存在，特别在8~12μm的波段，通过用红外窗口如，FLIR、ZnS和锗都展现了可以接受的光学特性，尤其是较弱的抗腐蚀性能。
在1~2µm厚度的DLC薄膜对红外（IR）窗口提供了很好的抗腐蚀性，但对高速的腐蚀下却只有微弱的保护能力，提高抗腐蚀的能力需要象杨氏膜量材料一样较后的墨，虽然DLC需要杨氏膜量，但因其有高压缩应力和吸收率，把DLC膜厚度限制到了大约2µm。
碳化锗薄膜虽没像DLC那样受应力限制，这样可以使DLC膜有足够的厚度，提供一定的抗腐蚀保护，然而腐蚀保护所应有的厚度将给大多数操作带来不可容忍的光学损耗
钻石是最有前景的薄膜之一，它能够展示独二的光、热、和机械性能，近年来大量多晶体蒸汽喷镀过程的发展，似乎为提供合成薄膜和大量窗口材料创造了可能性。然而对获得高质量的低散射钻石保护膜成为大量的窗口材料的前景来说，还需要很长的时间。
对于以薄膜为基底的磷化物，尤其是BP和GaP有许多类似钻石的特性。它包含了，杨氏膜量的高硬度，高热传导率和一个至少50µm3 的透射上限，更重要的是对提供起耐用薄膜所用磷化物的可能性是很广泛的
这篇文章主要以ZnS头罩的增透膜为例介绍，磷化物薄膜的各项性能
1.2 磷化物（BP、GaP）薄膜的最新动态
近年来，国外开展了对磷化物用作红外保护薄膜材料的研究。已有的研究表明，磷化物涂层具有最好的抗雨腐蚀性能。与BP相比，GaP有更宽的带隙，在制备过程中掺入的氢含量更低。因此它的透射光谱能够延伸到更短的波长，有更低的吸收系数，但是BP的硬度远高于GaP。GaP和DLC或其它氧化物薄膜组成的复合膜系，比BP与DLC或其它氧化物薄膜组成的复合膜系具有更好的光学性能。而切GaP可以做的更厚，提供更好抗雨腐蚀性能。GaP薄膜制备方法一般有两种：一种是等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和 反应溅射法（RS） 目前，由GaP构成的复合膜系还未用在ZnS头罩上，
图1-1 是Ge基片上制备不同磷化物增透保护膜系的透射光谱曲线，图中的曲线1、2、3所对应的膜系结构分别为DLC/BP（11.7µm）∥Ge∥ NARG3、DLC/GaP(10.6µm)∥Ge∥NARG3、DLC∕BP(2µm)∕GaP(10.6μm)∥Ge∥NARG3,它们在8~12μm所对应的平均透过率分别为76%、82%、81%；图1-2是磷化物膜系的DTV值与碰状次数的关系，图中的曲线1、2、3分别对应BP（12.9µm）/Ge、GaP(12.9µm)/Ge和未镀膜的Ge；图1-3是磷化物膜系透射率损失与雨蚀时间之间的关系，图中的曲线1、2、3、4分别对应DLC/BP（12µm）//Ge、DLC/GaP(12µm)//Ge、DLC/BP（2µm）/GaP(12.7µm)//Ge和未镀膜的Ge；图1-4是磷化物膜系透射率损失与沙蚀时间的关系，图中曲线1、2、3、4分别对应DLC/BP（10。5µm）//Ge、DLC/BP（2µm）/GaP(12.7µm)//Ge、GaP(12µm)//Ge和未镀膜的Ge。从图1—图4可知，BP膜系的保护性能（抗雨蚀、沙蚀）很好，但增透效果有限，GaP膜系的增透效果很好，但是保护性能比BP膜系稍差，而BP与GaP的复合膜系则可以得到接近GaP膜系的增透效果和BP膜系的保护效果。
图1-1到图1-4：
目前BP膜系已经达到使用阶段，有DLC/BP组成的复合膜系已经成功用在F14的红外搜索与跟踪的Ge头罩模拟件上镀BP膜系后的透射率分布情况。GaP膜系目前正处在于进一步研究之中，DLC/BP/GaP复合膜系则是有很大应用前景的增透保护膜系。
图1-5：
1.3 膜系的评价指标
“增透保护膜系”的性能可以从两个方面进行评价。一个就是透过率指标，另一个就是保护性能指标。从透过率指标来看，对小面积试样要求在使用波段的平均透过率大于某一设计值，，而对于大面积窗口和头罩，除了要求中心部位在使用波段的平均透过率大于设计值，还要求在整个面积上透过率分布比较均匀。例如，对于用ZnS制作的导弹头罩，要求在8~11.5µm波段平均透射率大于85%，透射率的不均匀性不大雨10%。从保护性能指标来看，主要有耐磨损、耐盐雾腐蚀、抗雨蚀和沙蚀等，其中抗雨蚀和沙蚀是膜系最重要的两个保护性能指标。抗雨蚀是指膜系抵抗液体粒子碰撞的能力，一般用DTV值来衡量，DTV值大小与测试时所采用液体粒子大小、速度、数量、试样的大小及碰撞的位置有关；抗沙蚀性能是指膜系抵抗固体粒子碰撞的能力，一般用透过率损失率来衡量，同样与测试时所采取沙粒子大小、速度、数量、试样的大小及碰撞的位置有关。
要满足膜系的透射率指标，可以通过合理的膜系设计来实现；要满足膜系的保护性能指标，则可以选择合适的薄膜材料以及这些薄膜材料在膜系中的位置来实现。
1.4 膜系设计
尽管在18世纪夫琅和费便已制成世界上第一批单层反射膜，麦克斯韦的《论电与磁》奠定了薄膜光学所需的全部理论，但是由于制造设备和实际需要的限制，知道20世纪30年代到70年代中期薄膜在光学上开始。在第二次世界大战以后，光学薄膜有了新的发展，无论在理论方面，还是设备、工艺方面否有了较大的进步。在20世纪50到70年代，许多关于薄膜光学的理论与专著相继出版，薄膜设计理论亦开始发展起来。膜系设计最早使用的方法有试凑法、图解法，以后逐步发展了各种解析设计方法。到了60年代，杨（Young）和西利（Seeley）根据电路网络设计理论的进步，把光学多层膜看成电路网络，在膜系设计理论中引入网络设计理论。到了70年代，随着计算机和最优化理论的发展，膜系设计有更大发展的是用计算机辅助的各种设计方法，特别是膜系自动设计方法，针对各种光学膜系的高效优化算法也得到长足的发展
在近期，膜系设计红外光学膜设计方法可分为三类：
1.1 研究背景
在红外区域有合适空运设备需求的光、热、和机械性能的少数材料存在，特别在8~12μm的波段，通过用红外窗口如，FLIR、ZnS和锗都展现了可以接受的光学特性，尤其是较弱的抗腐蚀性能。
在1~2µm厚度的DLC薄膜对红外（IR）窗口提供了很好的抗腐蚀性，但对高速的腐蚀下却只有微弱的保护能力，提高抗腐蚀的能力需要象杨氏膜量材料一样较后的墨，虽然DLC需要杨氏膜量，但因其有高压缩应力和吸收率，把DLC膜厚度限制到了大约2µm。
碳化锗薄膜虽没像DLC那样受应力限制，这样可以使DLC膜有足够的厚度，提供一定的抗腐蚀保护，然而腐蚀保护所应有的厚度将给大多数操作带来不可容忍的光学损耗
钻石是最有前景的薄膜之一，它能够展示独二的光、热、和机械性能，近年来大量多晶体蒸汽喷镀过程的发展，似乎为提供合成薄膜和大量窗口材料创造了可能性。然而对获得高质量的低散射钻石保护膜成为大量的窗口材料的前景来说，还需要很长的时间。
对于以薄膜为基底的磷化物，尤其是BP和GaP有许多类似钻石的特性。它包含了，杨氏膜量的高硬度，高热传导率和一个至少50µm3 的透射上限，更重要的是对提供起耐用薄膜所用磷化物的可能性是很广泛的
这篇文章主要以ZnS头罩的增透膜为例介绍，磷化物薄膜的各项性能
1.2 磷化物（BP、GaP）薄膜的最新动态
近年来，国外开展了对磷化物用作红外保护薄膜材料的研究。已有的研究表明，磷化物涂层具有最好的抗雨腐蚀性能。与BP相比，GaP有更宽的带隙，在制备过程中掺入的氢含量更低。因此它的透射光谱能够延伸到更短的波长，有更低的吸收系数，但是BP的硬度远高于GaP。GaP和DLC或其它氧化物薄膜组成的复合膜系，比BP与DLC或其它氧化物薄膜组成的复合膜系具有更好的光学性能。而切GaP可以做的更厚，提供更好抗雨腐蚀性能。GaP薄膜制备方法一般有两种：一种是等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和 反应溅射法（RS） 目前，由GaP构成的复合膜系还未用在ZnS头罩上，
图1-1 是Ge基片上制备不同磷化物增透保护膜系的透射光谱曲线，图中的曲线1、2、3所对应的膜系结构分别为DLC/BP（11.7µm）∥Ge∥ NARG3、DLC/GaP(10.6µm)∥Ge∥NARG3、DLC∕BP(2µm)∕GaP(10.6μm)∥Ge∥NARG3,它们在8~12μm所对应的平均透过率分别为76%、82%、81%；图1-2是磷化物膜系的DTV值与碰状次数的关系，图中的曲线1、2、3分别对应BP（12.9µm）/Ge、GaP(12.9µm)/Ge和未镀膜的Ge；图1-3是磷化物膜系透射率损失与雨蚀时间之间的关系，图中的曲线1、2、3、4分别对应DLC/BP（12µm）//Ge、DLC/GaP(12µm)//Ge、DLC/BP（2µm）/GaP(12.7µm)//Ge和未镀膜的Ge；图1-4是磷化物膜系透射率损失与沙蚀时间的关系，图中曲线1、2、3、4分别对应DLC/BP（10。5µm）//Ge、DLC/BP（2µm）/GaP(12.7µm)//Ge、GaP(12µm)//Ge和未镀膜的Ge。从图1—图4可知，BP膜系的保护性能（抗雨蚀、沙蚀）很好，但增透效果有限，GaP膜系的增透效果很好，但是保护性能比BP膜系稍差，而BP与GaP的复合膜系则可以得到接近GaP膜系的增透效果和BP膜系的保护效果。
图1-1到图1-4：
目前BP膜系已经达到使用阶段，有DLC/BP组成的复合膜系已经成功用在F14的红外搜索与跟踪的Ge头罩模拟件上镀BP膜系后的透射率分布情况。GaP膜系目前正处在于进一步研究之中，DLC/BP/GaP复合膜系则是有很大应用前景的增透保护膜系。
图1-5：
1.3 膜系的评价指标
“增透保护膜系”的性能可以从两个方面进行评价。一个就是透过率指标，另一个就是保护性能指标。从透过率指标来看，对小面积试样要求在使用波段的平均透过率大于某一设计值，，而对于大面积窗口和头罩，除了要求中心部位在使用波段的平均透过率大于设计值，还要求在整个面积上透过率分布比较均匀。例如，对于用ZnS制作的导弹头罩，要求在8~11.5µm波段平均透射率大于85%，透射率的不均匀性不大雨10%。从保护性能指标来看，主要有耐磨损、耐盐雾腐蚀、抗雨蚀和沙蚀等，其中抗雨蚀和沙蚀是膜系最重要的两个保护性能指标。抗雨蚀是指膜系抵抗液体粒子碰撞的能力，一般用DTV值来衡量，DTV值大小与测试时所采用液体粒子大小、速度、数量、试样的大小及碰撞的位置有关；抗沙蚀性能是指膜系抵抗固体粒子碰撞的能力，一般用透过率损失率来衡量，同样与测试时所采取沙粒子大小、速度、数量、试样的大小及碰撞的位置有关。
要满足膜系的透射率指标，可以通过合理的膜系设计来实现；要满足膜系的保护性能指标，则可以选择合适的薄膜材料以及这些薄膜材料在膜系中的位置来实现。
1.4 膜系设计
尽管在18世纪夫琅和费便已制成世界上第一批单层反射膜，麦克斯韦的《论电与磁》奠定了薄膜光学所需的全部理论，但是由于制造设备和实际需要的限制，知道20世纪30年代到70年代中期薄膜在光学上开始。在第二次世界大战以后，光学薄膜有了新的发展，无论在理论方面，还是设备、工艺方面否有了较大的进步。在20世纪50到70年代，许多关于薄膜光学的理论与专著相继出版，薄膜设计理论亦开始发展起来。膜系设计最早使用的方法有试凑法、图解法，以后逐步发展了各种解析设计方法。到了60年代，杨（Young）和西利（Seeley）根据电路网络设计理论的进步，把光学多层膜看成电路网络，在膜系设计理论中引入网络设计理论。到了70年代，随着计算机和最优化理论的发展，膜系设计有更大发展的是用计算机辅助的各种设计方法，特别是膜系自动设计方法，针对各种光学膜系的高效优化算法也得到长足的发展
在近期，膜系设计红外光学膜设计方法可分为三类：
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