作者：美國萊特太平洋公司編譯

隨著光學(xué)應(yīng)用的發(fā)展進步，其對光學(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，還可以通過對現(xiàn)有設(shè)備進行改進，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)測技術(shù)相結(jié)合，從而實現(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)在市場上投入使用，尤其是用于要求非�？量痰腻兡�。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，對環(huán)境溫度變化不敏感，并且散射非常少。但IBS鍍膜技術(shù)的一個最大缺點是：膜層生長速度非常緩慢，制作一個膜層需要很長時間。此外，與常規(guī)的鍍膜機器相比，IBS鍍膜機器的容量通常較小。

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）或簡單地叫做E-Beam。電子束鍍膜技術(shù)的工作原理是通過一個電子束，在真空環(huán)境中蒸發(fā)介質(zhì)材料。一般來說，電子束鍍膜機器的室容積比較大，生產(chǎn)時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。尤其是對于納秒脈沖激光，通過電子束鍍膜方法產(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現(xiàn)的。^[1]此外，電子束鍍膜可以在一次鍍膜過程中同時制作不同中心波長或不同入射角的膜層。這些都是電子束鍍膜技術(shù)所具有的獨特優(yōu)勢，是離子束濺射鍍膜技術(shù)無法實現(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)出了兩個缺陷：一是膜層對溫度變化過于敏感，存在熱漂移現(xiàn)象；二是對于復(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，對精密光學(xué)的要求不斷增加。為了滿足這種要求，彌補上述鍍膜技術(shù)存在的一些不足，可以利用一些先進技術(shù)對現(xiàn)有的鍍膜設(shè)備進行相應(yīng)的改進。

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)有的鍍膜機器上安裝一個高性能的離子源。鍍膜時，有一束低能量的離子流對準(zhǔn)沉積膜層，所以將這種方法稱為離子輔助沉積（Ion-Assisted Deposition， IAD）。由于這種動力轉(zhuǎn)移，使得膜層表面沉積的分子獲得額外的動能，從而在不斷生長的膜層結(jié)構(gòu)中填充每個空隙。因此，通過仔細調(diào)整離子束，可以實現(xiàn)明顯更為緊湊的膜層。相較于電子束鍍膜技術(shù)，通過這種方法獲得的膜層的機械性能和熱穩(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，尤其是在處理對壓力高度敏感的材料或者生產(chǎn)極高破壞閾值的膜層時，這一點尤為重要。

復(fù)雜膜層厚度的在線寬帶光譜監(jiān)測

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

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)測膜層厚度）。

目前廣泛使用的是單波長膜層厚度監(jiān)測，只有單個波長用于探測分析。一般來說，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，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)測技術(shù)使觀測的頻譜從單一波長擴展到寬光譜范圍。換句話說，同時測量的參考波長的數(shù)目只受限于光譜儀的分辨率，因此測量1000多個測量點也并不少見。寬帶監(jiān)測具有巨大優(yōu)勢。首先，膜層設(shè)計不再局限于單一的參考波長和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，極大地擴展了復(fù)雜膜層的設(shè)計。其次，生產(chǎn)控制也得以顯著提高。測量點數(shù)目的增多顯著提高了當(dāng)前膜層厚度測量的準(zhǔn)確性。此外，基片每旋轉(zhuǎn)一次，就實時測量當(dāng)前基底的透過率，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，也都能被系統(tǒng)探測到，并且可以在生產(chǎn)過程中進行相應(yīng)的補償。

 新產(chǎn)品的開發(fā)與改進

將離子輔助鍍膜和寬帶膜層厚度監(jiān)測技術(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，而且還能實現(xiàn)IBS膜層的優(yōu)良性能。這方面的一個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。達到了P偏振光的高透過率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偏振光的透過率T_p>95%，消光比Tp/Ts>100:1，最高可達300:1。但是，為了達到這些最優(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。

通過執(zhí)行寬帶監(jiān)測技術(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°的整個入射角范圍內(nèi)都始終滿足這些指標(biāo)（見圖3），甚至可以實現(xiàn)300:1的消光比。

 受益于TFPB的寬接收角范圍，因此無需對入射角作進一步優(yōu)化。這使得其使用非常簡便，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，如果不需要擴展角度范圍（也就是使用固定入射角），TFPB可以適用于某個波長范圍，而不僅僅是適用于中心波長（CWL，center wavelength）。以CWL=532nm為例，適用的波長區(qū)間約為20nm，對CWL=1064nm，其適用的波長區(qū)間可以增加超過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的常用波長范圍。此外，對于特殊波長的應(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)測系統(tǒng)也可以實現(xiàn)復(fù)雜的多膜層設(shè)計。比如，帶有負群速度色散的反射鏡，我們通常稱之為“啁啾鏡”。這種鏡片用于補償光學(xué)材料正常色散引起的超短激光時間脈沖展寬。此外，其他可能的設(shè)計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：

[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.