光学镀膜简介

光学镀膜简介

光学镀膜用于增强光学元件的透射、反射或偏振特性。例如，未经镀膜的玻璃元件的每个表面将反射约4%的入射光。通过使用抗反射镀膜，可以将每个表面的反射率降低至0.1%以下，而使用高度反射的介质镀膜则可以将反射率提升至99.99%以上。本文将探讨光学镀膜的理论基础、不同类型镀膜的特点以及镀膜制造方法。

光学镀膜通常通过沉积介质和金属材料来实现，例如五氧化二钽（Ta2O5）、氧化铝（Al2O3）或二氧化铪（HfO2）等材料的交错薄层。为了最大化或最小化干涉效应，镀膜通常设计为应用光波长的四分之一光学厚度（QWOT）或二分之一光学厚度（HWOT）。这种高低折射率的薄膜层交错排列可以产生所需的干涉效应（图1）。

图 1:在三层宽带抗反射（BBAR）镀膜中，正确选择λ/4和λ/2的镀膜厚度，可以产生高透射和低反射损耗

光学镀膜可以在特定入射角和偏振条件下提升光学元件的性能。如果在与设计条件不同的入射角或偏振条件下使用镀膜，将导致性能显著下降。在偏离设计条件足够大的情况下，可能会完全丧失镀膜功能。

光学镀膜理论

理解光学镀膜需要掌握折射和反射的菲涅耳方程。折射是指波在通过光学介质进入另一个光学介质时传播方向的变化，由斯涅尔折射定律决定：

(1)$$ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 $$

其中n1是入射介质的折射率，θ1是入射角，n2是输出介质的折射率，θ2是折射/反射光线的角度（图2）。

图 2:光由低折射介质移往高折射介质，会造成光折射朝向介面法线

由不同折射率的平面平行表面组成的多层薄膜镀膜，可以通过斯涅尔定律找出其中任何位置的光线角度。薄膜中的光线内部角度不受堆叠的薄膜顺序或位置影响，因为斯涅尔定律适用于每个界面（图3）：

(2)$$ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 = n_3 \sin \theta_3 = n_4 \sin \theta_4 $$

图 3:以平面平行表面组成的多层薄膜镀膜，可利用斯涅尔定律找出其中任何层的光线折射角度，且不受层顺序影响

图3的出射光将与入射光平行，因为n1=n4。曲面表面的光学镀膜，由于光学元件曲率的原因，并不是真正的平面平行结构。不过由于镀膜非常薄，因此这种近似仍然有效。

反射定律指出，反射光的角度相对于表面法线与入射角的振幅相同，但方向相反：

(3)$$ \theta_1 = -\theta_2 $$

当光线通过介质进入折射率较低的介质时，如果入射角大于两个折射率比率定义的材料临界角（θC），就会发生全反射，使光线完全反射（图4）。入射角刚好等于临界角时，折射角会等于90°。

(4)$$ θ_C=sin ^{-1} \left({n_2 \over n_1}\right)$$

图 4:显示全反射（TIR），其中入射角大于θc

在两个光学介质之间界面的透射和反射振幅系数，由透射和反射的菲涅耳公式决定：

(5)$$ t_s = \frac {2n_1 \cos \theta_1}{n_1 \cos \theta_1 + n_2 \cos \theta_2} $$

(6)$$ r_s = \frac {n_1 \cos \theta_1 - n_2 \cos \theta_2}{n_1 \cos \theta_1 + n_2 \cos \theta_2} $$

(7)$$ t_p = \frac {2n_1 \cos \theta_1}{n_1 \cos \theta_2 + n_2 \cos \theta_1} $$

(8)$$ r_p = \frac {n_1 \cos \theta_2 - n_2 \cos \theta_1}{n_1 \cos \theta_2 + n_2 \cos \theta_1} $$

其中ts和tp是s偏振和p偏振的振幅透射系数，rs和rp是s偏振和p偏振的振幅反射系数，n1和n2是两个光学介质的折射率，θ1是入射角，θ2是透射或反射角。在法线入射的情况下，θ1和θ2为0，所有余弦条件均为1，振幅系数相同。这可以直观地判断在法线入射时s偏振与p偏振没有区别。

镀膜技术

目前有多种物理蒸发沉积技术用于涂布光学镀膜，包括离子辅助电子束蒸发沉积、离子束溅射、先进等离子体沉积以及等离子体辅助反应磁控溅射（表1）。没有一种镀膜技术可以作为所有应用的理想选择，因为每种技术都有其独特的优势，最适合特定和重叠的使用案例。

表 1:常见镀膜技术的关键参数显示，适合特定情况的理想镀膜技术与应用具有高度相关性（E-Beam IAD：离子辅助电子束蒸发沉积、IBS：离子束溅射、APS：先进等离子体沉积，以及PARMS：等离子体辅助反应磁控溅射）

离子辅助电子束蒸发沉积

离子辅助电子束（IAD e-beam）蒸发沉积是一种镀膜技术，其中使用电子枪在真空室中轰击和蒸发源材料。产生的蒸气会在光学表面冷凝，形成特定设计厚度的均匀低应力层。IAD e-beam镀膜在紫外光谱的损耗低，在近红外光谱具有高激光诱导损伤阈值（LIDT）。这种技术在镀膜设计方面比其他方法更具灵活性，因为可用材料的范围最大。IAD e-beam蒸发沉积设备制造镀膜的成本也低于其他方法，并可容纳更大尺寸的镀膜室。如果对弹性和成本的需求高于高性能，这项镀膜技术就是理想选择。视具体使用的离子源而定，此技术产生的镀膜可能会出现低密度、有限平滑度及反射率，以及低重复性等情况。因此，相比离子束或磁控溅射技术，本技术不容易精准控制层厚度。因此，IAD e-beam蒸发沉积无法产生极低或极高反射率镀膜。

离子束溅射

离子束溅射（IBS）是一种具有高度重复性的镀膜技术，可产生光学质量和稳定性都非常高的镀膜。在进行IBS的过程中，会使用高能量离子束轰击欲镀膜材料的目标，让目标原子“溅射”离开目标（图5）。目标原子会获得大量动能（~10至100 eV），让原子在光学元件表面形成密集、坚硬和平滑的薄膜。IBS的主要优点之一就是能够精准监控和控制各项参数，包括层生长速率、氧化程度及能量输入，产生具有高度重复性的镀膜。高速基材旋转也有助于实现高度准确的层厚度，让IBS能够建立符合最严苛要求的光学镀膜，其中包括反射率99.9%以上的超低损耗反射镜、适用于超快激光应用的啁啾反射镜，以及光谱转移非常急剧的滤光片。IBS镀膜效能受温度和湿度等环境因素的影响程度，低于其他镀膜技术。不过IBS镀膜有多项缺点，包括较高应力以及紫外光谱损耗。此外较慢的生长速率及较小的镀膜腔，也使得这种技术的相对成本远高于其他镀膜方法。

图 5:IBS是一种可高度控制的工艺，其中利用高能量离子枪，让材料从目标溅射到旋转中的基材，产生非常精准且可重复的光学镀膜

先进等离子体溅射

先进等离子体溅射（APS）是修改的IAD e-beam蒸发沉积版本，受益于各种先进自动化加工功能。APS利用热阴极DC辉光放电等离子体取代离子束用于沉积镀膜材料。等离子体充满整个镀膜室，释放目标离子，并将其沉积于光学表面。APS可产生平滑、密集和坚硬的镀膜，提供比IAD e-beam更稳定的光学特性，同时保持IAD e-beam高度多元的功能。APS也能以类似IAD e-beam蒸发沉积的价格结构大量沉积镀膜，对于效能需求略为严苛的大量镀膜而言，是最理想的选择。不过APS的应力较高、在紫外光谱的损耗较多，且需要反复的制程开发，因此成本略高于IAD e-beam蒸发沉积技术。就许多层面而言，APS与磁控溅射技术可视为许多参数的中间解决方案，介于IAD-beam蒸发沉积和IBS之间。

等离子体辅助反应磁控溅射

等离子体辅助反应磁控溅射（PARMS）是另一种以等离子体产生为基础的镀膜技术。其中会和APS一样产生辉光放电等离子体，不过会以磁场将其“限制”在目标附近，而不是充满整个镀膜室。等离子体可加速让正离子落在目标上，放出目标原子沉积在光学表面上。由于等离子体受到限制，PARMS是在相当低的镀膜室压力及高效率情况下运作。这样的低压可缩短设定时间，并能以更具经济效益的方式镀膜大量光学元件。PARMS形成的薄膜镀膜既坚硬又密集，原因是其中添加了反应气体，可强化镀膜的化学计量。PARMS具备高度重复性，但并不像IBS那样高。不过PARMS的光通量较高，因此在高价格高效能的IBS，以及IAD e-beam蒸发沉积等经济实惠的镀膜技术之间，成为具吸引力的中间解决方案。

Edmund Optics® 光学镀膜能力

参考文献

1. Willey, Ronald R. Field Guide to Optical Thin Films. SPIE Optical Engineering Press, 2006.
2. Greivenkamp, John E. Field Guide to Geometrical Optics. SPIE Optical Engineering Press, 2004.
3. Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
4. Vandendriessche, Stefaan. “No One-Size-Fits-All Approach to Optical Coatings.” Photonics Spectra, Photonics Media, December 2016.
5. “IBS Mirror Coatings for Highly Demanding Applications.” Photonics News, Laser Components Group, August 2016,www.lasercomponents.com/uk/news/ibs-mirror-coatings-for-highly-demanding-applications