作者：美國(guó)萊特太平洋公司編譯

隨著光學(xué)應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)步，其對(duì)光學(xué)元件的規(guī)格、精度、穩(wěn)定性和重復(fù)性等指標(biāo)也提出了更加嚴(yán)格的要求。除了使用新的鍍膜設(shè)備以外，還可以通過(guò)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，例如將離子輔助沉積鍍膜技術(shù)與膜層厚度光學(xué)寬帶光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)一種新型的高性能膜層，以更好地滿足應(yīng)用需求。

離子束濺射鍍膜

在過(guò)去的幾年中，離子束濺射（Ion Beam Sputtering，IBS）鍍膜技術(shù)已經(jīng)在市場(chǎng)上投入使用，尤其是用于要求非常苛刻的鍍膜。由于IBS鍍膜具有很高的可重復(fù)性，并且沉積速率緩慢，因此鍍膜層的厚度可以制作得非常精確。此外，這種鍍膜技術(shù)可以制造出緊湊的膜層，對(duì)環(huán)境溫度變化不敏感，并且散射非常少。但I(xiàn)BS鍍膜技術(shù)的一個(gè)最大缺點(diǎn)是：膜層生長(zhǎng)速度非常緩慢，制作一個(gè)膜層需要很長(zhǎng)時(shí)間。此外，與常規(guī)的鍍膜機(jī)器相比，IBS鍍膜機(jī)器的容量通常較小。

電子束鍍膜

電子束鍍膜是最廣為人知的、可能也是市場(chǎng)上使用最為廣泛的鍍膜技術(shù)。電子束鍍膜技術(shù)也被稱為PVD（Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積）或簡(jiǎn)單地叫做E-Beam。電子束鍍膜技術(shù)的工作原理是通過(guò)一個(gè)電子束，在真空環(huán)境中蒸發(fā)介質(zhì)材料。一般來(lái)說(shuō)，電子束鍍膜機(jī)器的室容積比較大，生產(chǎn)時(shí)間比離子束濺射鍍膜技術(shù)更短，從而能夠降低生產(chǎn)成本。尤其是對(duì)于納秒脈沖激光，通過(guò)電子束鍍膜方法產(chǎn)生的膜層具有很高的損傷閾值，而這是離子束濺射鍍膜是很難實(shí)現(xiàn)的。^[1]此外，電子束鍍膜可以在一次鍍膜過(guò)程中同時(shí)制作不同中心波長(zhǎng)或不同入射角的膜層。這些都是電子束鍍膜技術(shù)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是離子束濺射鍍膜技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，電子束鍍膜技術(shù)仍然是目前各種應(yīng)用的最佳選擇。直到最近，電子束鍍膜技術(shù)才顯現(xiàn)出了兩個(gè)缺陷：一是膜層對(duì)溫度變化過(guò)于敏感，存在熱漂移現(xiàn)象；二是對(duì)于復(fù)雜膜層的加工精度和重復(fù)性非常有限。

隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)精密光學(xué)的要求不斷增加。為了滿足這種要求，彌補(bǔ)上述鍍膜技術(shù)存在的一些不足，可以利用一些先進(jìn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的鍍膜設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

離子輔助沉積鍍膜——緊湊型溫度不敏感膜層

為了避免熱漂移現(xiàn)象，可以在現(xiàn)有的鍍膜機(jī)器上安裝一個(gè)高性能的離子源。鍍膜時(shí)，有一束低能量的離子流對(duì)準(zhǔn)沉積膜層，所以將這種方法稱為離子輔助沉積（Ion-Assisted Deposition， IAD）。由于這種動(dòng)力轉(zhuǎn)移，使得膜層表面沉積的分子獲得額外的動(dòng)能，從而在不斷生長(zhǎng)的膜層結(jié)構(gòu)中填充每個(gè)空隙。因此，通過(guò)仔細(xì)調(diào)整離子束，可以實(shí)現(xiàn)明顯更為緊湊的膜層。相較于電子束鍍膜技術(shù)，通過(guò)這種方法獲得的膜層的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性能都有了極大的提高，已經(jīng)接近于離子束濺射鍍膜技術(shù)所產(chǎn)生的膜層。這種方法還可以避免膜層中摻水。這樣膜層就可以不受外界環(huán)境的影響，而且能夠保證即使在多變的工作環(huán)境下，膜層的規(guī)格性能也能保持不變。

 通過(guò)交替使用低能量離子源，可以準(zhǔn)確地控制離子輔助的程度，得到不同性能的膜層。這是離子輔助沉積鍍膜的優(yōu)勢(shì)，尤其是在處理對(duì)壓力高度敏感的材料或者生產(chǎn)極高破壞閾值的膜層時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。

復(fù)雜膜層厚度的在線寬帶光譜監(jiān)測(cè)

為了達(dá)到更高的制造精度和重復(fù)性，可以另外安裝一個(gè)光學(xué)原位寬帶光譜監(jiān)測(cè)儀器，用于測(cè)量膜層的厚度（見(jiàn)圖1）。與通常的監(jiān)測(cè)概念不同，沉積的膜層厚度不是在白片的中心測(cè)量，或者是由石英微量天平測(cè)量，而是直接在基片上測(cè)量。這樣可以提高制造精度。更重要的是，整個(gè)可見(jiàn)光譜都用于監(jiān)測(cè)膜層厚度。白光光源發(fā)出的光束穿過(guò)要測(cè)量的基片，光束入射到真空室底部，耦合到光纖。白光通過(guò)光纖導(dǎo)入一個(gè)光譜儀，可以分析從紫外到近紅外的整個(gè)波長(zhǎng)范圍。

圖1：改裝的鍍膜真空室示意圖（帶離子輔助電子束汽化和光學(xué)寬帶光譜監(jiān)測(cè)膜層厚度）。

目前廣泛使用的是單波長(zhǎng)膜層厚度監(jiān)測(cè)，只有單個(gè)波長(zhǎng)用于探測(cè)分析。一般來(lái)說(shuō)，這限制了膜層結(jié)構(gòu)，膜層的光學(xué)厚度（膜層厚度×折射率）只能是1/4的參考光波長(zhǎng)，或其整數(shù)倍。這種膜層結(jié)構(gòu)也稱為λ/4系統(tǒng)。

 寬帶膜層厚度監(jiān)測(cè)技術(shù)使觀測(cè)的頻譜從單一波長(zhǎng)擴(kuò)展到寬光譜范圍。換句話說(shuō)，同時(shí)測(cè)量的參考波長(zhǎng)的數(shù)目只受限于光譜儀的分辨率，因此測(cè)量1000多個(gè)測(cè)量點(diǎn)也并不少見(jiàn)。寬帶監(jiān)測(cè)具有巨大優(yōu)勢(shì)。首先，膜層設(shè)計(jì)不再局限于單一的參考波長(zhǎng)和λ/4系統(tǒng)。因此，現(xiàn)在可以沉積任意厚度的膜層和任意組合，極大地?cái)U(kuò)展了復(fù)雜膜層的設(shè)計(jì)。其次，生產(chǎn)控制也得以顯著提高。測(cè)量點(diǎn)數(shù)目的增多顯著提高了當(dāng)前膜層厚度測(cè)量的準(zhǔn)確性。此外，基片每旋轉(zhuǎn)一次，就實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前基底的透過(guò)率，并且與理論目標(biāo)值比較。這樣，即使是光學(xué)材質(zhì)參數(shù)或者沉積膜層厚度發(fā)生微小的波動(dòng)，也都能被系統(tǒng)探測(cè)到，并且可以在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

 新產(chǎn)品的開發(fā)與改進(jìn)

將離子輔助鍍膜和寬帶膜層厚度監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠獲得傳統(tǒng)電子束鍍膜技術(shù)所具備的優(yōu)勢(shì)，而且還能實(shí)現(xiàn)IBS膜層的優(yōu)良性能。這方面的一個(gè)典型例子就是薄膜型偏振片（TFP， thin-film polarizer），這是以布魯斯特角（約56°）插入光路的。入射光的P偏振光部分透射（只略微偏離原光路），而S偏振光部分以約112°角反射（見(jiàn)圖2）。

圖2：薄膜型偏振片以約56°的布魯斯特角插入光路，P偏振光透射，S偏振光以112°角反射。

 由于薄膜型偏振片的高抗損傷閾值，尤其適用于高功率激光的偏振分離。達(dá)到了P偏振光的高透過(guò)率Tp和盡可能高的消光比Tp/Ts的目標(biāo)。LASER COMPONENTS公司生產(chǎn)的薄膜型偏振片的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)是P偏振光的透過(guò)率T_p>95%，消光比Tp/Ts>100:1，最高可達(dá)300:1。但是，為了達(dá)到這些最優(yōu)值，標(biāo)準(zhǔn)的薄膜型偏振片的入射角需要在53°～59°之間調(diào)整。

通過(guò)執(zhí)行寬帶監(jiān)測(cè)技術(shù)，現(xiàn)在可以顯著提高薄膜型偏振片的指標(biāo)。這直接促成了新型寬帶偏振片（TFPB，broadband thin-film polarizer）的發(fā)展。TFPB在53°～59°的整個(gè)入射角范圍內(nèi)都始終滿足這些指標(biāo)（見(jiàn)圖3），甚至可以實(shí)現(xiàn)300:1的消光比。

 受益于TFPB的寬接收角范圍，因此無(wú)需對(duì)入射角作進(jìn)一步優(yōu)化。這使得其使用非常簡(jiǎn)便，省去了后續(xù)的優(yōu)化調(diào)整步驟。此外，這種偏振片還可用于低發(fā)散光束或聚焦光束的光路中，而不用當(dāng)心性能的損失。另一方面，如果不需要擴(kuò)展角度范圍（也就是使用固定入射角），TFPB可以適用于某個(gè)波長(zhǎng)范圍，而不僅僅是適用于中心波長(zhǎng)（CWL，center wavelength）。以CWL=532nm為例，適用的波長(zhǎng)區(qū)間約為20nm，對(duì)CWL=1064nm，其適用的波長(zhǎng)區(qū)間可以增加超過(guò)25nm。

圖3：寬帶薄膜型偏振片TFPB(CWL=1064nm)的透射曲線。

寬帶薄膜型偏振片TFPB的產(chǎn)品可以覆蓋355～1064nm的常用波長(zhǎng)范圍。此外，對(duì)于特殊波長(zhǎng)的應(yīng)用，還可根據(jù)用戶需求定制。

 除了TFPB薄膜型偏振片的免調(diào)整之外，寬帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多膜層設(shè)計(jì)。比如，帶有負(fù)群速度色散的反射鏡，我們通常稱之為“啁啾鏡”。這種鏡片用于補(bǔ)償光學(xué)材料正常色散引起的超短激光時(shí)間脈沖展寬。此外，其他可能的設(shè)計(jì)還包括非偏振光束分束器、帶通鏡片、45°入射的薄膜型偏振片、光學(xué)濾光片，或者是根據(jù)客戶要求的透射率和反射率曲線定制產(chǎn)品。

 參考文獻(xiàn)：

[1]、Laser-Induced Damage in Optical Materials: 2008, Proc. SPIE, Vol. 7132, Editors G.J. Exarhos, D. Ristau, M.J. Soileau and C. J. Stolz.