光學鍍膜

光學鍍膜是指在光學零件表面上鍍上一層(或多層)金屬(或介質)薄膜的工藝過程。在光學零件表面鍍膜的目的是為了達到減少或增加光的反射、分束、分色、濾光、偏振等要求。常用的鍍膜法有真空鍍膜(物理鍍膜的一種)和化學鍍膜。

基本介紹

• 中文名：光學鍍膜
• 外文名：optical coating
• 目的：改變材料表面的反射和透射特性
• 鍍膜釋義：在材料表面鍍上一層透明電解質膜

概述

鍍膜是用物理或化學的方法在材料表面鍍上一層透明的電解質膜，或鍍一層金屬膜，目的是改變材料表面的反射和透射特性。

在可見光和紅外線波段範圍內，大多數金屬的反射率都可達到78%~98%，但不可高於98%。無論是對於CO₂雷射，採用銅、鉬、矽、鍺等來製作反射鏡，採用鍺、砷化鎵、硒化鋅作為輸出視窗和透射光學元件材料，還是對於YAG雷射採用普通光學玻璃作為反射鏡、輸出鏡和透射光學元件材料，都不能達到全反射鏡的99%以上要求。不同套用時輸出鏡有不同透過率的要求，因此必須採用光學鍍膜方法。

對於CO₂雷射燈中紅外線波段，常用的鍍膜材料有氟化釔、氟化鐠、鍺等；對於YAG雷射燈近紅外波段或可見光波段，常用的鍍膜材料有硫化鋅、氟化鎂、二氧化鈦、氧化鋯等。除了高反膜、增透膜之外，還可以鍍對某波長增反射、對另一波長增透射的特殊膜，如雷射倍頻技術中的分光膜等。

光學鍍膜基本原理

光的干涉在薄膜光學中廣泛套用。光學薄膜技術的普遍方法是藉助真空濺射的方式在玻璃基板上塗鍍薄膜，一般用來控制基板對入射光束的反射率和透過率，以滿足不同的需要。為了消除光學零件表面的反射損失，提高成像質量，塗鍍一層或多層透明介質膜，稱為增透膜或減反射膜。隨著雷射技術的發展，對膜層的反射率和透過率有不同的要求，促進了多層高反射膜和寬頻增透膜的發展。為各種套用需要，利用高反射膜製造偏振反光膜、彩色分光膜、冷光膜和干涉濾光片等。

光學零件表面鍍膜後，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，可以得到不同的強度分布，這是干涉鍍膜的基本原理。

鍍膜工藝

光學薄膜在高真空度的鍍膜腔中實現。常規鍍膜工藝要求升高基底溫度(通常約為300℃)；而較先進的技術，如離子輔助沉積(IAD)可在室溫下進行。IAD工藝不但生產比常規鍍膜工藝具有更好物理特性的薄膜，而且可以套用於塑膠製成的基底。圖19.11展示一個操作者正在光學鍍膜機前。抽真空主系統由兩個低溫泵組成。電子束蒸發、IAD沉積、光控、加熱器控制、抽真空控制和自動過程控制的控制模組都在鍍膜機的前面板上。圖19.12示出裝配在高真空鍍膜機基板上的硬體布局。兩個電子槍源位於基板兩邊，周圍是環形罩並被擋板覆蓋。離子源位於中間，光控視窗在離子源的前方。圖19.13示出真空室的頂部，真空室里有含6個圓形夾具的行星系統。夾具用於放置被鍍膜的光學元件。使用行星系統是保證被蒸發材料在夾具區域內均勻分布的首選方法。夾具繞公共軸旋轉，同時繞其自身軸旋轉。光控和晶控處於行星驅動機械裝置的中部，驅動軸遮擋晶控。背面的大開口通向附加的高真空泵。基底加熱系統由4個石英燈組成，真空室的兩邊各兩個。

圖19.11

圖19.12

薄膜沉積的傳統方法一直是熱蒸發，或採用電阻加熱蒸發源或採用電子束蒸發源。薄膜特性主要決定於沉積原子的能量，傳統蒸發中原子的能量僅約0.1eV。IAD沉積導致電離化蒸汽的直接沉積並且給正在生長的膜增加活化能，通常為50eV量級。離子源將束流從離子槍指向基底表面和正在生長的薄膜來改善傳統電子束蒸發的薄膜特性。

圖19.13

薄膜的光學性質，如折射率、吸收和雷射損傷閾值，主要依賴於膜層的顯微結構。薄膜材料、殘餘氣壓和基底溫度都可能影響薄膜的顯微結構。如果蒸發沉積的原子在基底表面的遷移率低，則薄膜會含有微孔。當薄膜暴露於潮濕的空氣時，這些微孔逐漸被水汽所填充。

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。對於光學薄膜，填充密度通常為0.75～1.0，大部分為0.85～0.95，很少達到1.0。小於l的填充密度使所蒸發材料的折射率低於其塊料的折射率。

在沉積過程中，每一層的厚度均由光學或石英晶體監控。這兩種技術各有優缺點，這裡不作討論。其共同點是材料蒸發時它們均在真空中使用，因而，折射率是蒸發材料在真空中的折射率，而不是暴露於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。由於薄膜的物理厚度保持不變，這種折射率升高伴有相應的光學厚度的增加，反過來造成薄膜光譜特性向長波方向的漂移。為了減小由膜層內微孔的體積和數量所引起的這種光譜漂移，採用高能離子以將其動量傳遞給正在蒸發的材料原子，從而大大增加材料原子在基底表面處凝結期間的遷移率。

鍍膜的折射率

根據電磁學的基本理論里，提到對於不同介質的透射與反射。

光學鍍膜機

若是由介質 n₁垂直入射至 n₂

反射率=[ (n₂－n₁) / (n₁+n₂) ]^2

穿透率=4n₁n₂ / (n₁+n₂)^2

範例講解：

若是空氣的折射率是 1.0 ，鍍膜的折射率nc (例如：1.5) ，玻璃的折射率n (例如：1.8)（1）由空氣直接進入玻璃

穿透率= 4×1.0×1.8 / ( 1+1.8 )²=91.84%

（2）由空氣進入鍍膜後再進入玻璃穿透率=[ 4×1.0×1.5 / ( 1+1.5 )²] × [ 4×1.5×1.8 / ( 1.5+1.8 )²]=95.2%

可見有鍍膜的玻璃會增加透光度。此外由此公式，我們可以計算光線穿透鏡片的兩面，發現即使一片完美的透鏡（折射率1.8），其透光度約為85%左右。若加上一層鍍膜（折射率1.5），則透光度可達91%。可見光學鍍膜的重要性。

光學鍍膜機

鍍膜的厚度

我們已經知道透光度與鍍膜的折射率有關，但是卻無關於它的厚度。可是我們若能在鍍膜的厚度上下點功夫，會發現反射光A與反射光B相差 n_c×2D 的光程差。如果

光學鍍膜玻璃

n_c×2D=（N+ 1/2）λ 其中 N= 0,1,2,3,4,5..... λ為光在空氣中的波長

則會造成該特定波長的反射光有相消的效應，因此反射光的顏色會改變。

例如，鍍膜的厚度若造成綠色光的相消，則反射光會呈現紅色的。市面上許多看似紅色鏡片的望遠鏡都是用這個原理製作的。儘管如此，透射光卻沒有偏紅的現象。

光學鍍膜機

在許多複雜的光學系統里，反射光的抑制是十分重要的功課。因此一組鏡片之間，會利用不同的鍍膜厚度來消去不同頻率的反射光。所以越高級的光學系統，發現反射光的顏色也會越多。

光學鍍膜材料

常見的光學鍍膜材料有以下幾種：

1、氟化鎂

材料特點：無色四方晶系粉末，純度高，用其製備光學鍍膜可提高透過率，不出崩點。

2、二氧化矽

材料特點：無色透明晶體，熔點高，硬度大，化學穩定性好。純度高，用其製備高質量Si0₂鍍膜，蒸髮狀態好，不出現崩點。按使用要求分為紫外、紅外及可見光用。

3、氧化鋯

材料特點 白色重質結晶態，具有高的折射率和耐高溫性能，化學性質穩定，純度高，用其製備高質量氧化鋯鍍膜，不出崩點。