光学镀膜技术和装备

前言

光学薄膜是现代光学和光电系统最重要的组成部分，在光通信、光学显示、激光加工、激光核聚变等高科技及产业领域已经成为核心元器件，其技术突破常常成为现代光学及光电系统加速发展的主因。

光学薄膜的技术性能和可靠性，直接影响到应用系统的性能、可靠性及成本。如图1是光通讯技术中使用窄带滤光片调制不同的通讯通道示意图。图 2是激光核聚变系统中大量使用到的薄膜元器件。

图1 光通讯系统中通过WDM滤光片系统调控不同波长示意图

图2 美国NIF高功率激光系统中的光学结构示意图，其中大量使用到传输镜、偏振膜等光学薄膜元器件

随着行业的不断发展，精密光学系统对光学薄膜的光谱控制能力和精度要求越来越高，而消费电子对光学薄膜器件的需求更强调超大的量产规模和普通大众的易用和舒适性。

主要技术和装备进展

光学镀膜技术在过去几十年实现了长足的进展，从舟蒸发、电子束热蒸发及其离子束辅助沉积技术发展到离子束溅射和磁控溅射技术。近年来在这些沉积技术和装备领域的主要技术进展包括：

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

间歇式直接光控(intermittent measuring method)：以Leybold Optics公司的OMS5000系统为代表，光学镀膜过程中越来越多地使用间歇式信号采集系统，对镀膜过程产品片实现直接监控。相对于间接光控和晶控系统，间歇式直接光控系统有利于降低实际产品上的薄膜厚度分布误差，可以进一步提高产品良率并减少了工艺调试时间。

图3 Leybold Optics 公司OMS5000的间歇式直接光控系统

2渐变折射率结构薄膜技术与装备(Rguate filter and Coater)

渐变折射率结构薄膜技术与装备(Rguate filter and Coater):已经有大量研究工作已经证实Rugate无界面型薄膜结构和准Rugate多种折射率薄膜结构通过加强调制折射率在薄膜厚度方向上分布，能设计出非常复杂的光谱性能，(部分)消除了薄膜界面特征，(部分)消除界面效应，如电磁波在界面上比薄膜内部更高密度的吸收中心和散射，也可以增加了薄膜力学稳定性。

汉诺威激光工程中心的数据显示(图4)，(准)Rugate薄膜结构与传统的高低折射率光学薄膜结构相比，可以具有更高的抗激光损伤阈值。如Rugate Filter 设计，其1064 nm 10 ns 1000发零损伤几率可以做到100 J/cm2以上。

图4 高低折射率结构和(准)Rugate薄膜结构的抗激光损伤阈值对比测试结果

图5所示为德国CEC公司开发的靶面扫描共溅系统。通过在离子束溅射镀膜过程中，精确扫描两种材料拼接而成的混合溅射靶，可以实现折射率的渐变结构，高精度制备(准)Rugate复合薄膜结构的光学薄膜，获得比高低折射率薄膜结构更复杂的光谱性能和更优异的附着力、应力等物理性能。

图5德国CEC公司靶面扫描共溅系统

3 磁控溅射光学镀膜系统(Magnetron Sputtering)

以Leybold Helios和Shincron RAS为代表，磁控溅射技术及装备在精密光学领域和消费光电子薄膜领域占据越来越大的份额。磁控溅射薄膜沉积过程控制简单，粒子能量高，获得的薄膜结构致密稳定。

图6是Helios的基本结构和原理，其采用非常紧凑的板式开合结构，真空室空间利用率非常高，整体结构也非常紧凑。其采用平面双靶磁控溅射阴极和等离子体源共同实现化合物薄膜的快速沉积过程，可以用于介质干涉滤光片(氧化物、氮化物)、共溅射(掺杂，混合折射率薄膜)、金属膜 (Cr,Ag,Al…)及金属介质干涉滤光片。其装卡系统可以实现真空室处于真空状态下快速进出产品，为整个系统的稳定性奠定了重要基础。总的来说，该设备非常适合应用于中小批量的精密光学元件镀膜。