作者： 时间：2023-06-05
LASEROPTIK能够使用许多不同的涂层技术来满足各种需求，其中有标准镀膜和特殊镀膜。但本次介绍的是涂层镀膜技术的原理和方法，这几种镀膜的方法各有各的好处和缺陷，各自的涂层设计相辅相成的，原理上也大同小异，为了方便理解，LASEROPTIK还制作了原理图和镀膜机图。
这六种涂层镀膜技术的方法分别是：
- 原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)
- 电子束蒸发(Electron Beam Evaporation, EBE)
- 离子辅助沉积(Ion Assisted Deposition, IAD)
- 离子电镀(Ion Plating, IP)
- 磁控溅射(Magnetron Sputtering, MS)
- 离子束溅射(Ion Beam Sputtering, IBS)
这几种涂层镀膜技术针对不同的应用选择最优的涂层方案，比如裸纤维或完全配制的纤维可以涂覆在内部车间单独制造的支架中。这时就用到“冷”的工艺的离子束溅射IBS或磁控溅射MS，能够完成光纤涂层。但对于MS来说，几米长的光纤可以隐藏在宽敞的滚筒中或暴露在表面后面的其他地方，使用IBS可以实现更低的温度，调整夹具可用于各种光纤。
原子层沉积ALD (Atomic Layer Deposition，ALD)技术原理：
原子层沉积ALD是一种特殊的化学气相沉积（CVD）技术，主要用于创新和定制的光学应用。原子层沉积（ALD）的基础是一个连续的、自限制的、逐层的沉积，并且具有极强的薄膜一致性和亚纳米级的厚度控制。原子层镀膜是通过基底（the substrate）表面上发生的前驱体分子气相之间的化学反应形成固体膜，基底表面通常用预热（150-350°C）的方式来引发该反应。
ALD有两个特点：第一个特点是每一个周期只有一个单层的薄膜依次形成，虽然这提供了一个极端的沉积一致性和厚度控制，但也增加了涂层时间。镀膜过程中没有针孔，堆积密度接近于散装材料；另一个特点是可以给任何3D光学器件镀膜，即便是高纵横比不一致或强烈弯曲的表面也可以，例如特殊的棱镜、半球或管子。所有光学器件的表面都可以一次性镀膜，如果需要也可以进行保护。由于原子层镀膜不需要增加能量（如使用额外的离子源）来达到更好的密度，因此ALD等化学工艺通常表现出较低的内应力。
原子层镀膜有几种不同的反应室（reaction chamber）可供选择，符合几mm到300mm的基板尺寸，并且还可以轻松更换。最常见的涂层材料（SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5等）都可以使用，但是纯金属或氟化物仍然存在一定的缺陷，需要再进一步开发和优化。
图1：ALD涂层原理（左）； ALD镀膜机（中）； 特殊棱镜（右）
电子束蒸发EBE (Electron Beam Evaporation，EBE)技术原理：
电子束蒸发（EBE）是传统的镀膜技术，由于具有高蒸发率，涂层需要的时间相对较短。其主要的特点是：容量大，性价比高。
EBE涂层是在一个加热（>250℃）的高真空室中使用电子束枪（electron beam guns）完成的。当每个喷枪发射高压电子束时，该电子束就聚焦到包含涂层材料的水冷旋转坩埚中。另外，电子束在大约2000°C的温度下熔化并蒸发材料。热蒸发（TE）不是用电子枪产生，而是用一个由强电流加热的蒸发船来实现。
由于高真空环境，材料蒸汽像云一样移动到安装在室顶部的球形或平顶帽中的基底（the substrates）上，蒸汽凝结在基材表面，形成以柱状结构为主的膜。为了匹配表面几何形状并实现最佳的涂层厚度分布，需要旋转室顶部的球形或平顶帽圆盘。另外，光学厚度是通过对目击样品进行单色四分之一波测量来控制，而物理厚度则是通过晶体振荡器检测。其中，氧化物材料是在大约10-4mbar的氧气环境中反应性沉积的，主要作用是补偿蒸发过程中的分解。
因为EBE涂层技术中可以使用许多不同的涂层材料，如金属、金属氧化物或氟化物和硫化物，所以应用范围从深紫外（DUV）到红外（IR）。由于电子束蒸发EBE镀膜技术是多孔柱状结构，EBE涂层会存在一些热漂移的现象。
图2：EBE涂层技术原理图(左)；EBE涂层机(中)；机械设备(右)
离子辅助沉积IAD (Ion Assisted Deposition，IAD)技术原理：
离子辅助沉积IAD镀膜技术是在电子束蒸发EBE技术的涂层系统基础上实现的，但离子辅助沉积有一个额外的等离子体源，这个等离子体被引导到像帽状的基材上，对生长层进行轰击，从而形成更加密集的微观结构，因此消除了热漂移，这是IAD的优点之一。
IAD中的等离子体是由一个带有射频加热阴极的直流放电产生的。在大约40A的强烈放电时，蒸汽中的分子被激活并被电离，另外，活性的氩离子和氧离子以高达150eV的能量去撞击基底，因此沉积率比较高。
IAD和EBE一样，具备高蒸发率，降低成本，但IAD仅限于部分涂层材料，例如不能使用氟化物。另外，通过使用优化的参数，内应力可以被最小化。在VIS/NIR中，通常LIDT接近于EBE。
图3：IAD涂层技术原理图（左）；IAD涂层机（右）
离子电镀IP(Ion Plating，IP)技术原理：
离子电镀（IP）使用离子来产生致密层，但与IAD的方式不同。LASEROPTIK采用反应性低的电压离子镀（RLVIP），从而产生了机械抗性极强的镀膜涂层。
由于低电压电弧从等离子体源在坩埚中直接点燃，因此涂层材料被很好地电离。直接点燃以及坩埚和基顶的不同电位导致撞击基材的颗粒具有很高的动能，生长层的密度接近100%，这样的镀膜涂层具有非常高的折射率。
离子电镀IP的工艺气体是氩气，对于金属氧化物，我们使用额外的氧气作为活性气体。这种涂层非常坚硬，对温度或湿度的变化没有反应，但它们有很高的应力水平。
图4：IP涂层原理图(左)；IP涂层机(中)；IP坩埚上方的等离子体(右)
磁控溅射MS (Magnetron Sputtering，MS)技术原理：
磁控溅射（MS）镀膜技术是使用磁控等离子体（magnetron plasma）在基材（the substrates）上溅射金属层，之后在微波等离子体中将其氧化成化学计量的金属氧化物，这样的技术能够生产非常密集和坚硬的涂层。在涂层机中，一个直径为120cm的滚筒放置着基材，这个基材在两个磁控器和微波的前面垂直旋转，电离氩(Ar)的等离子体在靶前形成，促使带正电的氩离子被加速朝向带负电的靶，在那里它们撞击靶的表面并在基片上溅射金属原子。然后再旋转到微波等离子体中，金属膜被氧化，并为下一个循环做好准备。这种涂层非常坚硬，具有机械阻力，几乎可以在任何环境下工作。这种特定的涂层获得了欧空局（ESA）的空间认证。
在一个配置中可以使用两种不同的材料目标，溅射率非常稳定，因此厚度控制只需通过时间和光学监控器作为备份就可以高精度地完成。特别是对于UV涂层和cw应用，可以达到非常高的LIDT。
由于磁控溅射MS镀膜工艺是在低温下工作，是能够在塑料或其他非玻璃材料（如纤维末端）上镀膜的。另外，用MS制作的涂层像所有的溅射技术一样可能具备很高的应力，这主要是取决于所用的波长区域和涂层材料。
图5：MS涂层原理图(左)；MS镀膜机(右)
离子束溅射IBS (Ion Beam Sputtering，IBS)技术原理：
离子束溅射IBS是最先进的沉积技术，主要是用于满足对激光光学元件最为重要的需求。IBS与射频枪（RF-guns）一起工作，通常用于卫星推进。另外，氩（Ar）离子以大约1.5kV的电压加速到一个金属靶上，涂层材料从目标上溅射下来，并在垂直旋转的基体夹具上凝结。对于标准的IBS设备，均匀的涂层分布被限制在一个直径约30cm的区域。IBS涂层设备被设计为带有一个二级射频等离子体源，它直接向基材表面发射氧离子，以获得良好的氧化，形成非吸收性氧化层。
凭借LASEROPTIK的宽带监测系统的准确性，可以检测到单层的一些部分。由于薄膜生长的最高精度和非晶态的以及几乎没有缺陷的微观结构，IBS被认为是当今薄膜工业中最先进的镀膜技术。IBS像磁控溅射一样，都是一种 "冷 "工艺，其内部温度不超过150℃。另外，IBS的应力可以通过沉积在后表面的补偿层来减少，包括额外的光学特性，例如作为AR涂层工作。
在LASEROPTIK，实际上有13台机器可满足运行中的特殊要求，例如高反射率(99.99x%)和最低损耗(<10ppm)的高功率超反射镜、复杂的滤光器设计或晶体涂层。其中四种可用于大型光学系统，因此IBS涂层甚至可用于长度达2m或直径550mm的基材(参见大型光学系统)。
通过GDD测量装置，LASEROPTIK还提供色散涂层。
图6：IBS涂层原理图(左)；IBS涂层机(右)
