光学镀膜：原理与技术

光学镀膜：原理与技术

光学镀膜用于增强光学元件的透射、反射或偏振特性。通过在光学元件表面沉积多层薄膜材料，可以实现对光的干涉效应，从而达到特定的光学性能。本文将从基础的光学原理出发，介绍光学镀膜的基本概念、工作原理以及不同类型的镀膜技术。

光学镀膜的基本原理

光学镀膜通常由金属氧化物、金属或稀土材料等薄层材料组成，其性能取决于层数、厚度以及各层之间的折射率差异。这些薄膜层通过干涉效应，可以最大化或最小化光的反射和透射。例如，未镀膜的玻璃元件每个表面会反射约4%的入射光，而通过抗反射镀膜，可以将反射率降低至0.1%以下；通过高反射电介质镀膜，可以将反射率提升至99.99%以上。

图 1：在三层层宽带抗反射（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

光学镀膜理论

要理解光学镀膜，需要掌握折射和反射的菲涅耳方程。当光波从一种光学介质传播到另一种光学介质时，其传播方向会发生变化，这一现象称为折射，由斯涅尔折射定律描述：

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

其中，$n_1$是入射介质的折射率，$\theta_1$是入射角，$n_2$是输出介质的折射率，而$\theta_2$是折射或反射光线的角度。

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

对于由不同折射率平面平行表面组成的多层薄膜镀膜，可以使用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：

(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

当光线从折射率较高的介质进入折射率较低的介质时，如果入射角大于临界角（$\theta_C$），就会发生全反射，使光线完全反射：

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

光学镀膜技术

目前，常用的物理气相沉积技术包括离子辅助电子束蒸镀、离子束溅射、等离子体辅助磁控溅射等。每种技术都有其独特的优势，适用于特定的应用场景。

离子辅助电子束蒸镀

离子辅助电子束（IAD e-beam）蒸镀是一种镀膜技术，通过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弹性，因为可用材料的范围最大。IAD e-beam蒸镀设备制作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。视确切使用的离子源而定，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。因此相比较于离子束或磁控溅镀技术，本技术比较不容易精准控制层厚度。有鉴于此，IAD e-beam蒸镀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，可产生光学品质及稳定度非常高的镀膜。在进行 IBS 的过程中，会以高能量离子束射击欲镀膜材料的靶材，让靶材原子「喷溅」离开靶材（图 5）。靶材原子会产生大量动能（~10 至 100 eV），让原子在光学元件表面形成密集、坚硬及平滑的薄膜。7 IBS 的主要优点之一就是能够精準監控及控制各項參數，包括層成長率、氧化程度及能量輸入，產生具有高度重複性的鍍膜。高速基材旋轉也有助於實現高度準確的層厚度，讓IBS 能夠建立符合最嚴苛要求的光學鍍膜，其中包括反射率 99.9% 以上的超低損耗反射鏡、適用於超快雷射應用的啁啾反射鏡，以及光譜轉移非常急遽的濾光片。IBS 鍍膜效能受溫濕度等環境因素的影響程度，低於其他的鍍膜技術。不過 IBS 鍍膜有多項缺點，包括較高應力以及紫外線光譜損耗。此外較為緩慢的成長率及較小的鍍膜腔，也讓這種技術的相對成本遠高於其他鍍膜方法。

圖 5:IBS 是可高度控制的製程，其中利用高能量離子槍，讓材料從目標噴濺到旋轉中的基材，產生非常精準及可重複的光學鍍膜

进阶等离子体溅射

进阶等离子体溅射（APS）是修改的 IAD e-beam 蒸发沉镀版本，受益于各种进阶自动化加工功能。APS 利用热阴极 DC 荧光放电等离子体取代离子束用於沉镀膜材料。等离子体充填整个镀膜室，释放靶材离子，并将其沉镀於光学表面。APS 可产生平滑、密集和坚硬的镀膜，提供比IAD e-beam 更稳定的光学属性，同时维持 IAD e-beam 高度多元的功能。APS 也能以类似 IAD e-beam 蒸发沉镀的價格结构大量沉镀膜，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的应变较高、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 蒸发沉镀技术。就许多层面而言，APS与磁控溅镀技术可视为许多参数的中间解决方案，介于 IAD-beam 蒸发沉镀和 IBS 之间。

等离子体辅助反应式磁控溅射

等离子体辅助反应式磁控溅射（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」在靶材附近，而不是充填整个镀膜室。等离子体可加速让正离子落在靶材上，放出靶材原子沉镀在光学表面上。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，並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，因此在高价格高性能的 IBS，以及 IAD e-beam 蒸发沉镀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。