光學(xué)鍍膜的原理及工藝

光的干涉在薄膜光學(xué)中廣泛應(yīng)用。光學(xué)薄膜技術(shù)的普遍方法是借助真空濺射的方式在玻璃基板上涂鍍薄膜，一般用來控制基板對(duì)入射光束的反射率和透過率，以滿足不同的需要。

為了消除光學(xué)零件表面的反射損失，提高成像質(zhì)量，涂鍍一層或多層透明介質(zhì)膜，稱為增透膜或減反射膜。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，對(duì)膜層的反射率和透過率有不同的要求，促進(jìn)了多層高反射膜和寬帶增透膜的發(fā)展。為各種應(yīng)用需要，利用高反射膜制造偏振反光膜、彩色分光膜、冷光膜和干涉濾光片等。光學(xué)零件表面鍍膜后，光在膜層層上多次反射和透射，形成多光束干涉，控制膜層的折射率和厚度，可以得到不同的強(qiáng)度分布，這是干涉鍍膜的基本原理。

光學(xué)薄膜在高真空度的鍍膜腔中實(shí)現(xiàn)。常規(guī)鍍膜工藝要求升高基底溫度(通常約為300℃);而較先進(jìn)的技術(shù)，如離子輔助沉積(IAD)可在室溫下進(jìn)行。IAD工藝不但生產(chǎn)比常規(guī)鍍膜工藝具有更好物理特性的薄膜，而且可以應(yīng)用于塑料制成的基底。圖19.11展示一個(gè)操作者正在光學(xué)鍍膜機(jī)前。抽真空主系統(tǒng)由兩個(gè)低溫泵組成。電子束蒸發(fā)、IAD沉積、光控、加熱器控制、抽真空控制和自動(dòng)過程控制的控制模塊都在鍍膜機(jī)的前面板上。圖19.12示出裝配在高真空鍍膜機(jī)基板上的硬件布局。兩個(gè)電子槍源位于基板兩邊，周圍是環(huán)形罩并被擋板覆蓋。離子源位于中間，光控窗口在離子源的前方。圖19.13示出真空室的頂部，真空室里有含6個(gè)圓形夾具的行星系統(tǒng)。夾具用于放置被鍍膜的光學(xué)元件。使用行星系統(tǒng)是保證被蒸發(fā)材料在夾具區(qū)域內(nèi)均勻分布的首選方法。夾具繞公共軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)繞其自身軸旋轉(zhuǎn)。光控和晶控處于行星驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置的中部，驅(qū)動(dòng)軸遮擋晶控。背面的大開口通向附加的高真空泵。基底加熱系統(tǒng)由4個(gè)石英燈組成，真空室的兩邊各兩個(gè)。

薄膜沉積的傳統(tǒng)方法一直是熱蒸發(fā)，或采用電阻加熱蒸發(fā)源或采用電子束蒸發(fā)源。薄膜特性主要決定于沉積原子的能量，傳統(tǒng)蒸發(fā)中原子的能量?jī)H約0.1eV。IAD沉積導(dǎo)致電離化蒸汽的直接沉積并且給正在生長(zhǎng)的膜增加活化能，通常為50eV量級(jí)。離子源將束流從離子槍指向基底表面和正在生長(zhǎng)的薄膜來改善傳統(tǒng)電子束蒸發(fā)的薄膜特性。薄膜的光學(xué)性質(zhì)，如折射率、吸收和激光損傷閾值，主要依賴于膜層的顯微結(jié)構(gòu)。薄膜材料、殘余氣壓和基底溫度都可能影響薄膜的顯微結(jié)構(gòu)。如果蒸發(fā)沉積的原子在基底表面的遷移率低，則薄膜會(huì)含有微孔。當(dāng)薄膜暴露于潮濕的空氣時(shí)，這些微孔逐漸被水汽所填充。 [3] 填充密度定義為薄膜固體部分的體積與薄膜的總體積(包括空隙和微孔)之比。對(duì)于光學(xué)薄膜，填充密度通常為0.75～1.0，大部分為0.85～0.95，很少達(dá)到1.0。小于l的填充密度使所蒸發(fā)材料的折射率低于其塊料的折射率。在沉積過程中，每一層的厚度均由光學(xué)或石英晶體監(jiān)控。這兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，這里不作討論。其共同點(diǎn)是材料蒸發(fā)時(shí)它們均在真空中使用，因而，折射率是蒸發(fā)材料在真空中的折射率，而不是暴露于潮濕空氣中的材料折射率。薄膜吸收的潮氣取代微孔和空隙，造成薄膜的折射率升高。由于薄膜的物理厚度保持不變，這種折射率升高伴有相應(yīng)的光學(xué)厚度的增加，反過來造成薄膜光譜特性向長(zhǎng)波方向的漂移。為了減小由膜層內(nèi)微孔的體積和數(shù)量所引起的這種光譜漂移，采用高能離子以將其動(dòng)量傳遞給正在蒸發(fā)的材料原子，從而大大增加材料原子在基底表面處凝結(jié)期間的遷移率。