光学镀膜的原理及工艺

光的干涉在薄膜光学中广泛应用。光学薄膜技术的普遍方法是借助真空溅射的方式在玻璃基板上涂镀薄膜，一般用来控制基板对入射光束的反射率和透过率，以满足不同的需要。

为了消除光学零件表面的反射损失，提高成像质量，涂镀一层或多层透明介质膜，称为增透膜或减反射膜。随着激光技术的发展，对膜层的反射率和透过率有不同的要求，促进了多层高反射膜和宽带增透膜的发展。为各种应用需要，利用高反射膜制造偏振反光膜、彩色分光膜、冷光膜和干涉滤光片等。光学零件表面镀膜后，光在膜层层上多次反射和透射，形成多光束干涉，控制膜层的折射率和厚度，可以得到不同的强度分布，这是干涉镀膜的基本原理。

光学薄膜在高真空度的镀膜腔中实现。常规镀膜工艺要求升高基底温度(通常约为300℃);而较先进的技术，如离子辅助沉积(IAD)可在室温下进行。IAD工艺不但生产比常规镀膜工艺具有更好物理特性的薄膜，而且可以应用于塑料制成的基底。图19.11展示一个操作者正在光学镀膜机前。抽真空主系统由两个低温泵组成。电子束蒸发、IAD沉积、光控、加热器控制、抽真空控制和自动过程控制的控制模块都在镀膜机的前面板上。图19.12示出装配在高真空镀膜机基板上的硬件布局。两个电子枪源位于基板两边，周围是环形罩并被挡板覆盖。离子源位于中间，光控窗口在离子源的前方。图19.13示出真空室的顶部，真空室里有含6个圆形夹具的行星系统。夹具用于放置被镀膜的光学元件。使用行星系统是保证被蒸发材料在夹具区域内均匀分布的首选方法。夹具绕公共轴旋转，同时绕其自身轴旋转。光控和晶控处于行星驱动机械装置的中部，驱动轴遮挡晶控。背面的大开口通向附加的高真空泵。基底加热系统由4个石英灯组成，真空室的两边各两个。

薄膜沉积的传统方法一直是热蒸发，或采用电阻加热蒸发源或采用电子束蒸发源。薄膜特性主要决定于沉积原子的能量，传统蒸发中原子的能量仅约0.1eV。IAD沉积导致电离化蒸汽的直接沉积并且给正在生长的膜增加活化能，通常为50eV量级。离子源将束流从离子枪指向基底表面和正在生长的薄膜来改善传统电子束蒸发的薄膜特性。薄膜的光学性质，如折射率、吸收和激光损伤阈值，主要依赖于膜层的显微结构。薄膜材料、残余气压和基底温度都可能影响薄膜的显微结构。如果蒸发沉积的原子在基底表面的迁移率低，则薄膜会含有微孔。当薄膜暴露于潮湿的空气时，这些微孔逐渐被水汽所填充。 [3] 填充密度定义为薄膜固体部分的体积与薄膜的总体积(包括空隙和微孔)之比。对于光学薄膜，填充密度通常为0.75～1.0，大部分为0.85～0.95，很少达到1.0。小于l的填充密度使所蒸发材料的折射率低于其块料的折射率。在沉积过程中，每一层的厚度均由光学或石英晶体监控。这两种技术各有优缺点，这里不作讨论。其共同点是材料蒸发时它们均在真空中使用，因而，折射率是蒸发材料在真空中的折射率，而不是暴露于潮湿空气中的材料折射率。薄膜吸收的潮气取代微孔和空隙，造成薄膜的折射率升高。由于薄膜的物理厚度保持不变，这种折射率升高伴有相应的光学厚度的增加，反过来造成薄膜光谱特性向长波方向的漂移。为了减小由膜层内微孔的体积和数量所引起的这种光谱漂移，采用高能离子以将其动量传递给正在蒸发的材料原子，从而大大增加材料原子在基底表面处凝结期间的迁移率。