光學鍍膜技術和裝備

前言

光學薄膜是現代光學和光電係統最重要的組成部分，在光通信、光學顯示、激光加工、激光核聚變等高科技及產業領域已經成為核心元器件，其技術突破常常成為現代光學及光電係統加速發展的主因。

光學薄膜的技術性能和可靠性，直接影響到應用係統的性能、可靠性及成本。如圖1是光通訊技術中使用窄帶濾光片調製不同的通訊通道示意圖。圖 2是激光核聚變係統中大量使用到的薄膜元器件。

圖1 光通訊係統中通過WDM濾光片係統調控不同波長示意圖

圖2 美國NIF高功率激光係統中的光學結構示意圖，其中大量使用到傳輸鏡、偏振膜等光學薄膜元器件

隨著行業的不斷發展，精密光學係統對光學薄膜的光譜控製能力和精度要求越來越高，而消費電子對光學薄膜器件的需求更強調超大的量產規模和普通大眾的易用和舒適性。

主要技術和裝備進展

光學鍍膜技術在過去幾十年實現了長足的進展，從舟蒸發、電子束熱蒸發及其離子束輔助沉積技術發展到離子束濺射和磁控濺射技術。近年來在這些沉積技術和裝備領域的主要技術進展包括：

1間歇式直接光控(intermittent measuring method)

間歇式直接光控(intermittent measuring method)：以Leybold Optics公司的OMS5000係統為代表，光學鍍膜過程中越來越多地使用間歇式信號采集係統，對鍍膜過程產品片實現直接監控。相對於間接光控和晶控係統，間歇式直接光控係統有利於降低實際產品上的薄膜厚度分布誤差，可以進一步提高產品良率並減少了工藝調試時間。

圖3 Leybold Optics 公司OMS5000的間歇式直接光控係統

2漸變折射率結構薄膜技術與裝備(Rguate filter and Coater)

漸變折射率結構薄膜技術與裝備(Rguate filter and Coater):已經有大量研究工作已經證實Rugate無界麵型薄膜結構和準Rugate多種折射率薄膜結構通過加強調製折射率在薄膜厚度方向上分布，能設計出非常複雜的光譜性能，(部分)消除了薄膜界麵特征，(部分)消除界麵效應，如電磁波在界麵上比薄膜內部更高密度的吸收中心和散射，也可以增加了薄膜力學穩定性。

漢諾威激光工程中心的數據顯示(圖4)，(準)Rugate薄膜結構與傳統的高低折射率光學薄膜結構相比，可以具有更高的抗激光損傷閾值。如Rugate Filter 設計，其1064 nm 10 ns 1000發零損傷幾率可以做到100 J/cm2以上。

圖4 高低折射率結構和(準)Rugate薄膜結構的抗激光損傷閾值對比測試結果

圖5所示為德國CEC公司開發的靶麵掃描共濺係統。通過在離子束濺射鍍膜過程中，精確掃描兩種材料拚接而成的混合濺射靶，可以實現折射率的漸變結構，高精度製備(準)Rugate複合薄膜結構的光學薄膜，獲得比高低折射率薄膜結構更複雜的光譜性能和更優異的附著力、應力等物理性能。

圖5德國CEC公司靶麵掃描共濺係統

3磁控濺射光學鍍膜係統(Magnetron Sputtering)

以Leybold Helioses和Shincron RAS為代表，磁控濺射技術及裝備在精密光學領域和消費光電子薄膜領域占據越來越大的份額。磁控濺射薄膜沉積過程控製簡單，粒子能量高，獲得的薄膜結構致密穩定。

圖6是Helioses的基本結構和原理，其采用非常緊湊的板式開合結構，真空室空間利用率非常高，整體結構也非常緊湊。其采用平麵雙靶磁控濺射陰極和等離子體源共同實現化合物薄膜的快速沉積過程，可以用於介質幹涉濾光片(氧化物、氮化物)、共濺射(摻雜，混合折射率薄膜)、金屬膜 (Cr,Ag,Al…)及金屬介質幹涉濾光片。其裝卡係統可以實現真空室處於真空狀態下快速進出產品，為整個係統的穩定性奠定了重要基礎。總的來說，該設備非常適合應用於中小批量的精密光學元件鍍膜。