飛秒激光鏡片的光學涂層

光學涂層廣泛用于改變鏡片表面的反射率，從眼鏡到高功率激光應用。本文經常使用的三種主要涂層技術的概述。這幾種技術介紹了介電和金屬涂層背后的物理原理，以及結合金屬和介電層的可能性。Layertec掌握了飛秒激光鍍膜的核心科技，其鍍膜具有低色散、高損傷閾值的特點。對于脈沖100多飛秒，其損傷閾值可以達到接近1J/cm2。

一、熱蒸鍍和電子束蒸發（Thermal and Electron Beam Evaporation）：
熱氣流和電子束蒸發是生產光學涂層較常用的技術，也稱為蒸鍍或熱蒸鍍。Layertec主要將這些技術用于UV涂料。蒸發源安裝在蒸發室的底部。它們包含由電子槍(電子束蒸發)或電阻加熱(熱蒸發)加熱的涂層材料。加熱的方法取決于材料的性能(例如熔點)和光學規格。
所述襯底安裝在蒸發室頂部的旋轉襯底架上。必須旋轉基板，以確保涂層的均勻性。基底必須加熱到150-400℃，這取決于基底和涂層材料。這提供了低吸收損失和良好的附著力的涂層對基材。離子槍被用來獲得更緊湊的層。
 
圖一 高溫融化的鍍膜涂層材料

蒸鍍材料的性能：
成膜粒子的能量很低(約1eV)。這就是為什么必須通過加熱基質來增強粒子的流動性的原因。然而，蒸發涂層的堆積密度相對較低，層間經常含有微晶。這導致了相對較高的斜光損耗(根據波長的不同，大約是10%到1%)。
此外，根據溫度和濕度的不同，大氣中的水分可以擴散到涂層中或從涂層中擴散出來。這將導致反射波段的偏移，約為波長的1.5%。蒸發涂層具有較高的激光損傷閾值，廣泛應用于激光和其他光學器件中。
 
圖二 蒸發示意圖(蒸發器左和右)和支撐離子槍(中間)
二、濺射噴鍍法(Sputtering)：
一般來說，“濺射”一詞代表離子轟擊從固體中激發粒子(原子、離子或分子)。離子被加速朝向目標，并與目標原子相撞。原始離子和反沖粒子通過材料運動，同時與其他原子發生碰撞。大部分離子和反沖原子留在材料內部，但有一部分反沖原子通過這種多次碰撞過程向表面散射。這些粒子離開目標，然后可以移動到基底并形成薄膜。

磁控濺射(Magnetron Sputtering)：
上述離子通過在靶前燃燒的氣體放電傳遞。它可以由直流電壓(DC -濺射)或交變電壓(RF-濺射)激發。在DC -濺射的情況下，目標是一個高純度金屬(如鈦)的圓盤。對于射頻濺射，介電化合物(例如二氧化鈦)也可以用作靶材。在氣體排放中加入活性氣體(如氧)會形成相應的化合物(如氧化物)。
Layertec的已經將磁控濺射技術應用于超快激光鍍膜，從一種實驗室技術發展成為一種非常高效的工業工藝，使涂層具有優異的性能，特別是在可見光和近紅外光譜范圍內。他們的磁控濺射工廠可以涂覆直徑500mm的襯底。
 
圖三 磁控濺射過程示意圖:離子從氣體放電加速到目標(頂部)，在那里產生涂層粒子。
離子束濺射(Ion Beam Sputtering)：
這種技術使用一個單獨的離子源來產生離子。為了避免污染，射頻源在現代IBS工廠被使用。活性氣體(如氧氣)在大多數情況下也由離子源提供。這是制造出更好的反應性粒子和更緊密的層的原因。
磁控濺射與離子束濺射的主要區別在于IBS過程中離子生成、靶材和基片是*分離的，而磁控濺射過程中離子生成、靶材和基片是非常接近的。
 
圖四 離子束濺射:來自沉積源(中間)的離子被加速到目標(右邊)。濺射的粒子凝聚在基片上(上)。第二個離子源(左)協助這個過程。

濺射涂層的性能：
 由于濺射鍍膜的成膜粒子具有高動能(約10 eV)，即高遷移率，因此濺射層（飛秒光學薄膜）表現為:
-非晶態微觀結構
-高密度(接近散裝物料)
性能:
-低straylight損失
-光學參數具有較高的熱穩定性和氣候穩定性
-高激光誘導損傷閾值
-機械穩定性高
-不需要外部加熱，以產生具有min吸光度的氧化層。