光学镀膜简介

光学镀膜简介

光学镀膜由薄膜层组合而成，它会产生干涉效应来改变光学系统的透射或反射性能。光学镀膜的性能取决于层数、每层的厚度和不同层之间的折射率。精密光学中常见镀膜类型有：增透膜(AR)、高反射（镜）膜、分光镜膜和滤光片膜（短波通，长波通，陷波等）。增透膜适用于大多数折射光学件，可以增大光通量并减少不必要的反射。高反射膜可以在单个波长或某段波长范围内提供大反射，多用于反射镜。分光镜膜用于将入射光分为透射光和反射光输出。滤光片镀膜适用于大量生命科学和医学应用，能够以特定波长透射、反射、吸收或衰减光。爱特蒙特光学还可以提供各种定制镀膜，满足您的应用需求。

光学镀膜通常适用于特定的入射角和特定的偏振光，例如S偏振，P偏振或随机偏振。如果射入镀膜的光线角度与其设计入射角不同，将导致性能显着降低，如果入射角度与设计入射角偏差非常大，可能会导致镀膜功能*丧失。 类似地，使用与设计偏振光不同的偏振光会产生错误的结果。

光学镀膜由沉积电介质和金属材料制作而成，如交替薄膜层中的五氧化二钽（Ta2O5）和/或氧化铝（Al2O3）。为使应用中的干涉达到大或小，镀膜通常具有四分之一波长光学厚度(QWOT)或半波光学厚度(HWOT)。这些薄膜由高折射率和低折射率层交替制成，从而诱发干涉效应。请参阅图1，宽带增透膜设计示例。

图1：在三层BBAR镀膜设计中，选择合适的四分之一波长厚度和半波厚度的镀膜，可以增加透射率，降低反射损失

镀膜理论

镀膜控制穿过光学干涉机制的反射光和透射光。当两个光束沿着同步路径传输及其相位匹配时，波峰值的空间位置也匹配并将结合创建较大的总振幅。当光束为反相位（180°位移）时，其叠加会导致在所有峰值的消减效应，导致结合的振幅降低。这些效应被分别称为建设性和破坏性的干涉。

下列方程式1 - 4所示说明多层薄膜结构总反射率的关系。

q层数

δ相位项

η层的光学导纳

Np复杂的折射率

tp层的物理厚度

λ波长

θp入射角

Y堆叠的光学导纳

R堆叠的反射率

光的波长和入射角通常是的，折射率和层厚度则可以有所不同以优化性能。上述的任何更改将会影响镀膜内光线的路径长度，并将在光透射时改变相位值。这种效应可简单地通过单层增透膜例子说明。当光传输穿过系统时，在镀膜任一侧的两个接口指数更改处将出现反射。为了使反射小化，当两个反射部分在*界面处结合时，我们希望它们之间具有180°相位差。这个相位差异直接对应于aλ/2位移的正弦波，它可通过将层的光学厚度设置为λ/4获得佳实现。请参阅说明此概念的图2。

图2： 个反射光束之间具有180°相位差，形成相消干涉，因此不会产生反射光束

折射率不仅影响光路长度（以及相位），也影响每个界面的反射特性。反射率通过菲涅尔公式（方程式5）定义，其反射率与界面两边材料的折射率之差息息相关。

必须考虑到的后一个参数是膜层的入射角。如果光的入射角改变，则每层的内角和光程长度都将受到影响; 这将影响反射光束的相位变化量。使用非一般入射时，S偏振光和P偏振光将从每个界面互相反射，这将导致两个偏振光具有不同的光学性能。偏振分光计就是基于这一原理设计的。

镀膜技术

蒸发沉积

在蒸发沉积时，真空室中的源材料受到加热或电子束轰击而蒸发。蒸气冷凝在光学表面上。在蒸发期间，通过控制加热，真空压力，基板定位和旋转可以制造出具有特定厚度的均匀光学镀膜。 蒸发具有相对温和的性质，会使镀膜变得松散或多孔。 这种松散的镀膜具有吸水性，改变了膜层的有效折射率，将导致性能降低。通过离子束辅助沉积技术可以增强蒸发镀膜，在该过程中，离子束会对准基片表面。这增加了源材料相对光学表面的粘附性，产生更多应力，使得镀膜更致密，更耐久。

离子束溅射（IBS）

在离子束溅射（IBS）时，高能电场可以加速离子束。 这种加速度使得离子具有显着的动能。在与源材料撞击时，离子束会将靶材的原子“溅射”出来。 这些被溅射出来的靶材离子（原子受电离区影响变为离子）也具有动能，会在与光学表面接触时产生致密的膜。 IBS是一种的，重复性强的技术。

圖3：在离子辅助电子束沉积过程中，用离子枪瞄准光学表面可以增加镀膜的粘附力和密度

等离子体溅射

等离子体溅射是一系列技术的总称，例如等离子体溅射和磁控管溅射。不管是哪种技术，都包括等离子体的产生。等离子体中的离子经加速射入源材料中，撞击松散的能量源离子，然后溅射到目标光学元件上。 虽然不同类型的等离子体溅射具有其*的性质和优缺点，不过我们可以将这些技术集合在一起，因为它们具有共同的工作原理，它们之间的差异，相比这种镀膜技术与本文中涉及的其他镀膜技术之间的差异小得多。

原子层沉积

与蒸发沉积不同，用于原子层沉积（ALD）的源材料不需要从固体中蒸发出来，而是直接以气体的形式存在。 尽管该技术使用的是气体，真空室中仍然需要很高的温度。 在ALD过程中，气相前驱体通过非重叠式的脉冲进行传递，且脉冲具有自限制性。 这种工艺拥有*的化学性设计，每个脉冲只粘附一层，并且对光学件表面的几何形状没有特殊要求。 因此这种工艺使得我们可以高度的对镀层厚度和设计进行控制，但是会降低沉积的速率。

亚波长结构化表面

小于光波长的表面结构已成为光学界的一门研究课题，其灵感来自于飞蛾眼睛上的纹理图案。表面纹理化仍然是一种发展中的技术，与传统的薄膜镀膜交替沉积高折射率材料和低折射率材料不同的是，它需要改变基片表面的结构。 纹理表面上的特征可以是随机的或周期性的，犹如飞蛾眼睛的图案。 对于亚波长结构化表面的制造，如果想要周期性的图案，我们可以采用光刻法，如果想要随机的图案，我们可以采用改进的等离子体蚀刻。

镀膜工艺

光学镀膜所涉及的制造工艺是劳动和资本密集型的，并且十分耗时。 影响镀膜成本的因素包括被镀膜的光学件的数量，类型，尺寸，需要镀多少层膜以及光学件上需要镀膜的表面数量。镀膜采用的沉积工艺对镀膜成本以及镀膜性能方面的影响也十分巨大。此外，在这之前还需要做大量的准备工作，以确保每个镀膜光学件的质量都能达到高水平。

在镀膜之前，清洁和准备光学件是非常重要的。 光学元件必须具有适合镀膜粘附的清洁表面。一旦镀上膜，基片上未预先除去的污渍就很难被去除了。爱特蒙特光学®会进行一丝不苟的清洁，从而确保终产品拥有始终如一的高质量。

不同的镀膜沉积技术，具有各自的优缺点。爱特蒙特光学®可以采用不同的镀膜沉积技术为您服务。 请，告诉我们哪种镀膜技术适合您的应用。