中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着地基光学红外望远镜口径的逐渐增大，其光学系统以及终端仪器的透射部件对于增透膜的要求也越来越高，如大视场改正镜、大气色散改正镜、望远镜封窗等透射元件。传统真空介质膜层越来越难以满足大口径增透膜的镀制，特别是包含紫外波段的超宽带增透膜，其光谱性能往往不理想；另外，在膜层均匀性、镀膜性价比等方面也都随着口径的增大而变得不具有实用性。溶胶凝胶法的出现使得这个问题得到解决。

目前，世界上大型地基光学望远镜的透射元件大都达到米级，我国也正在计划建造12m 级的光学望远镜，因此，进行大口径透射元件新型增透膜的研究迫在眉睫。本文是对溶胶凝胶法镀膜在天文领域应用的初步研究，包括膜系设计、溶胶凝胶基本工艺探索，初步掌握了溶胶凝胶的镀膜流程，并成功实现了超宽带多层膜的制备，取得了较为理想的宽带高透过率效果。针对天文望远镜系统对于增透膜光谱性能要求的特殊性，本文首先进行了膜系设计，提出了膜系优化目标，即使目标波段内的透过率最小值达到最大，同时有良好的光谱还原能力。利用膜系设计软件，考察了薄膜光学常数（包括折射率、厚度），膜层数的变化对于薄膜光谱性能的影响，总结了对应于优化目标的膜系优化方法。然后考察了不同增透带宽下最优解的折射率分布特点，找到了相应的初始膜系，为今后相关膜系设计问题提供了优化思路。

另外，针对溶胶凝胶的工艺特点，进行了误差分析，即折射率和膜厚的微小变化对于薄膜透过率的影响。最后，对超低折射率膜层使用的必要性进行了讨论，发现一味地追求低折射率材料并不能使光谱透过率有大的提升，反而由于散射等问题使膜层透过率下降。针对溶胶凝胶的工艺特点，本文展开了详细的研究。简要介绍了溶胶凝胶化学原理和成膜方法。考察了碱催化、酸催化溶胶的理化性质及成膜特性。通过实验发现，溶胶粘度随陈化时间的变长而增大，并与提拉速度一起影响薄膜厚度。碱催化薄膜为多孔结构，折射率低，透过率高；酸催化薄膜结构致密，折射率高，透过率低。不同的后处理温度会影响薄膜的孔隙率，从而改变膜层折射率。各反应物间的配比决定了溶胶粒度大小以及粒径分布，从而直接影响成膜质量。针对碱催化膜机械性能差的特点，对其进行了后处理，一定程度上增强了薄膜耐用性。

最后，实现了超低折射率薄膜的制备，并使其具备了疏水性，进一步提高了膜层实用性。通过酸碱两步法实现了膜层折射率连续可调，为制备任意折射率的膜材料提供了实验基础。在此研究之上，本文成功制备了多层增透膜，包括基于真空介质薄层与溶胶凝胶低折射率膜层的混合薄膜系统，溶胶凝胶两层膜和三层膜，都实现了较好的宽带增透效果。溶胶凝胶两层膜在300nm-1100nm 透过率基本都在98%以上，可见光区高于99%，实验测量值较好地还原了理论设计值。溶胶凝胶三层膜在350nm-1100nm 波段透过率在98.63%以上，平均透过率好于两层膜，但紫外区由于光散射损失严重导致透过率下降较多。事实证明， 对于300nm-1100nm 波段，溶胶凝胶两层或三层膜可以很好地实现宽带增透效果，更多的膜层会因散射损失的增加而使薄膜光谱性能变坏。