高功率光學鍍膜的制造

基底準備 

在拋光或清潔后的任何有機或顆粒殘留物都可能吸收 激光 能量，因此會成為潛在的受損區域。因此，基底和鍍膜的界面是實現高損傷閾值的關鍵區域。所以，制作高功率光學鍍膜需要對生產的每個方面（從最初的基底制造到最終的封裝）進行嚴格控制。在光學元件進入鍍膜室之前，必須確保其表面質量及表面下質量和清潔度。

與高功率光學鍍膜搭配使用的基底必須具有高質量。對于折射性或透射性光學元件 而言，這一點尤其重要，這些基底必須在相關波長區域展示出極低的內在吸收能力。如需最大限度增加透射，基底的表面質量缺陷必須盡可能少，這一點非常重要，因為這些缺陷在照射期間會成為潛在的受損區域。表面質量的指定依據是劃痕與坑點值（劃痕值以 .001mm 為單位，坑點值以 .01mm 為單位）。高功率激光光學元件通常要求表面的劃痕坑點值低于 20-10 或 10-5。

此外，基底不得具有表面下缺陷。通過在清潔和鍍膜前采用適當的加工、研磨和拋光方法，可以避免產生表面下缺陷。第一步是開始使用足夠大的空白基底，以便能執行所需的所有基底消除操作。在加工時，鍍膜技術人員會仔細選擇適當的刀具進給、刀具速度以及冷卻液流，以減少表面下應力和損傷。隨后，以逐漸遞減的步長完成研磨，以產生經過更嚴格控制的表面。最后，通過拋光消除大約 0.01 - 0.03mm 的缺陷，該方法用于消除由之前的步驟產生的表面下損傷。

清潔程度

潔凈的鍍膜室、適當的薄膜材料選擇以及良好的流程參數控制也必不可少。在沉積之后，鍍膜技術人員必須仔細控制污染，污染可能會導致形成產生故障的吸收區域。因此，在裝配階段也需要采用一絲不茍的清潔程序，通常會在嚴格的無塵室工作條件下進行這項清潔流程。

對有機或顆粒殘留物的這種敏感性為鍍膜技術人員帶來了非常真實的挑戰，凸顯出全面清潔流程的重要性。若要在對要鍍膜的光學元件進行清潔后最大限度降低再次污染的風險，無塵室必不可少。在最后的清潔流程中進行手動清潔時，多數制造商都會使用不含硅酮成分的無絨擦布 。此外，他們還使用純度極高的溶劑（通常是甲醇、異丙醇、丙酮）。超聲波清潔是另一種有用的工具，它在去除殘留的拋光劑時比手動清潔更有效（也更不容易出錯）。

典型的多階段手動流程包括使用氨溶液進行表面活性劑清洗和多項擦拭，然后采用牽引擦拭技術。該牽引擦拭階段會產生很高的剪切力，從而消除材料表面上的任何殘留污染物。

鍍膜室本身刀具和壁面上的污染物也會為要鍍膜的基底帶來污染。例如，擴散泵效率低下時會發生回流，導致發生有機污染。同時，若鍍膜室壁面上在沉積之前有過多材料沒有清除，這些材料可能會開始剝落，松散的顆粒可能會轉移到光學元件上。防止這種情況很簡單，只需對壁面襯以箔片，并定期在材料開始堆積過多時進行更換即可。

材料選擇

在諸如紫外 (UV) 或可見光/近紅外 (VIS-NIR) 區域等特定電磁波譜波長范圍內工作時，需要使用不同的材料。視應用是需要高功率連續照射還是需要高功率脈沖照射而定，也會使用不同的材料。例如，連續波(CW) 激光 會導致光學鍍膜升溫和熔化，而短脈沖激光可以產生高強度的電磁場。

遺憾的是，鍍膜設計師受限于高功率應用所適用的材料數量。例如，高反射性反射鏡鍍膜的制作方式是交替采用厚度為四分之一波長的高折射率或低折射率材料層。這種材料堆疊設計可以大幅改變鍍膜的激光損傷閾值 (LIDT)。例如，只需添加厚度為一半波長的低折射率材料層就可以大幅提高 LIDT。選擇適當的低折射率和高折射率材料時，介電金屬氧化物憑借其低吸收能力獲得鍍膜技術人員的青睞。二氧化硅 (SiO2) 已獲得普遍接受，是低折射率層的普遍選擇，但是，選擇高折射率層的材料并不簡單：鈦、鉭、鋯、鉿、鈧和鈮的氧化物都是受歡迎的選擇。

鍍膜設計

采用多種方式的其中之一來操控鍍膜層可以進一步提高 LIDT 值。可以在多層之間平均分布電場，從而避免在數量相對較少的層內出現電場的高度集中。圖 2a – 2b 展示了在四分之一波長的反射性介質堆疊內標準化電場強度 (EFI) 的平方。EFI 峰值出現在層的界面，最高的 EFI 出現在最接近空氣邊界的層。不過，通過修改九層堆疊中最接近空氣的四層厚度，可以降低這些 EFI 值。這樣可以將高強度共振峰值位置從層的界面轉移到薄膜敷層中。最高強度共振峰值可以位于損傷閾值最高的薄膜材料層中。

圖 2a: 九層堆疊設計中各層 EFI 的比較

圖 2b: 九層堆疊設計中各層 EFI 的比較，已優化層厚度以降低 EFI

鍍膜方法

對于標準光學鍍膜，鍍膜技術人員可以采用三種沉積方法：熱蒸鍍、離子束技術，以及高級等離子體反應濺射 (APRS)。但是，并非所有方法都適用于高功率光學鍍膜。

熱蒸鍍方法是如今行業中最常用的高功率光學鍍膜生產方法，?）也不例外。采用離子輔助沉積 (IAD) 進行強化后，熱蒸鍍方法（圖 3）可生產更緊密且性質更接近疏松材料的鍍膜。運用 IAD，還可以對層厚度進行更好的控制，如此能降低 EFI 值。

圖 3: 采用離子輔助沉積 (IAD) 技術的蒸鍍室

離子束技術現在已得到承認，并廣泛用于薄膜鍍膜的制造，它可以作為熱蒸鍍的強化方式 (IAD)，也可以作為濺射技術（離子束濺射 (IBS)）。IBS 是高級沉積技術，但是不存在決定性證據支持其產生的損傷閾值高于熱蒸鍍方式。

高級等離子體反應濺射 (APRS) 技術是最先進的流程，但是只用于規格非常嚴格的應用。例如, 非偏振平板分光鏡 可使用 APRS，因為對 S 偏振光和 P 偏振光的容忍能力很低。APRS 也很少與傳統的光學元件搭配使用，因為無法使用此方法對最適用于高功率應用的某些基底執行濺射。此外，蒸鍍的工作能力通常大于 APRS，這意味著蒸鍍在每次鍍膜操作中可以固定更多的基底。

鍍膜流程控制

許多參數在高功率光學鍍膜的沉積中發揮重要作用，其中包括沉積速率、基底溫度、氧分壓（用于包括介電金屬氧化物的設計）、厚度校準，材料熔化預處理和電子槍掃描。控制不佳的蒸鍍流程會從光源產生濺射，導致顆粒凝結在基底表面上和沉積的鍍膜中。這類凝結會產生潛在的損傷缺陷區域。遺憾的是，有些材料可用于高損傷閾值鍍膜，但很難順利沉積。生產結果是潔凈的高損傷閾值鍍膜，還是功率容量低得多的高散射鍍膜，區別在于應用于電子槍掃描的設置。

沉積速率、基底溫度與氧分壓（用于介電氧化物）可確定生長膜的化學計量性質，這會大幅影響沉積薄膜中金屬氧化物的化學性質。必須對這些參數進行優化和控制，以生產具有所需金屬氧化物含量和結構的同質層。

在鍍高功率增透 (AR) 膜時，沉積薄膜的厚度準確性是符合所需反射率的重要因素。高功率高反射性（反射鏡）鍍膜一般對小的厚度誤差不太敏感，因為高折射率層和低折射率層的折射率比值提供了相對寬廣的反射率范圍。不過，深 UV (DUV) 反射鏡鍍膜是例外，因為該光譜范圍中的材料限制會產生相對較窄的反射范圍。

測試高功率光學鍍膜

測試設備能提供多種測試，這些測試可以確定特定光學鍍膜的質量（從表面粗糙度與光學密度到環境照射量）。為便于討論，此處僅討論對激光損傷耐受力進行測試的兩種方法：損傷閾值測試和耐受力認證。

• 損傷閾值測試（又稱直到出現故障的測試）- 光學鍍膜的測試方式是使用 激光 照射表面，逐漸增大輸出功率，直到觀察到損傷為止。如需鍍膜故障的一些實際影像，請參閱圖 1a - 1d。

• 耐受力認證 - 根據預先確定的規格或規格組合對光學鍍膜進行測試。可能的測試參數包括脈沖重復頻率、脈沖持續時間、脈沖數量、輻照度和/或光束參數。光學鍍膜只有在符合或優于客戶或制造商制定的需求時，才視為通過檢測。

• 鍍膜故障因素

  在測試高功率光學鍍膜時，鍍膜技術人員會對改變一些測試參數產生的影響進行仔細監控。因此，在嘗試防止產生 激光 損傷時，這些參數對于光學設計師而言非常重要。許多參數會對光學鍍膜的激光損傷閾值 (LIDT) 產生影響，以下特性展示了其中一些參數:

• 脈沖特性:

• 持續時間 - 各激光脈沖長度（通常為納秒級）的衡量指標。對于非矩形脈沖，此衡量指標并不簡單，其定義是在達到最高強度一半時的脈沖完整寬度 (FWHM)。在時序脈沖的持續時間上升時，LIDT 值會以指數形式降低。

• 形狀 - 激光脈沖的時序形狀（即矩形、三角形、高斯曲線形等）。研究已經指出不同形狀將影響光學損傷。例如，矩形脈沖產生的鍍膜損傷大約是以 FWHM 相同的高斯曲線光束照射時產生損傷的 80%。

• 光束特性:

• 工作模式 - 橫向電磁 (TEM) 波模式。與單模激光相比，多模激光的 LIDT 值低得多.

• 波長 - 激光光源的波長。LIDT 值隨著波長降低而降低.

• 強度分布 - 能量強度在光束寬度上的分布（對于多數測試激光而言，高斯曲線是典型，因為它在行業中最常用)。

• 入射角 - 光束偏離表面法線的角度。入射角增大時，由于反射增大，因此 LIDT 值將增大。

• 光斑大小 - 光束在鍍膜表面上的大小。此衡量指標所用的指定依據是光束在 1/e2 強度處的完整寬度，其中 e 是最大強度值。LIDT 值隨著光斑大小的降低而降低。

• 光學設計師應特別注意光學鍍膜以及預計光源照射的特性，這一點非常重要。雖然對于多數低功率的商業產品通常不會產生問題，但是光學元件、成像與光電行業中所用的高功率激光 可能會因吸收區域或等離子體燒毀而導致鍍膜故障。光學設計師和制造商可以仔細選擇適當的鍍膜材料、保持鍍膜環境清潔，并根據指定的能量閾值規格對光學元件進行測試，從而采取步驟避免此類故障。

文章來源：鍍膜技術交流峰會