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镀膜

日期:2015年5月11日 17:01

在光学实验中使用蒸镀有各种薄膜的光学元件。
很多情况下,薄膜被蒸镀在抛光的玻璃表面。光学实验中反射率,波长特性,偏光特性等的很多必要的光学性能是通过镀膜实现的。因此,为了充分发挥如反射镜等元件的性能,都是将光线直接射入镀有薄膜的一侧使用的。
镀膜大致分为金属镀膜和透明膜(电介质膜)2种。
任何一种都可以用于光学实验的反射镜,但是反射机理是完全不同的,在使用方法或特性上也存在很多不同点。

金属膜

在抛光的玻璃基板上蒸镀铝(Al)或金(Au)等金属时,会成为反射率较高的反射镜。
此外,银(Ag)铂(Pt),或铬(Cr)等金属有时也可以用于反射镜。
金属膜能够在非常宽的波长谱区进行反射,且具有反射率随入射角度变化小的特征。
由于没有反射的光线被金属薄膜吸收,金属薄膜的厚度稍微变厚时,光线将不能透过薄膜到达玻璃基板。

铝膜

铝膜在紫外到红外谱区都具有高反射率,但非常容易氧化,特别是在紫外谱区具有不稳定的特性。而且,容易受损伤,即使弄脏也不能擦拭表面。
因此,在铝膜上附加保护膜,可以保护金属膜并防止氧化或损伤。
保护膜在特定的波长谱区有保持反射率的效果,但在其它波长谱区,有时反射率会降低。
与此相反,也有只在特定的波长谱区增加反射率的特殊保护膜。

铬膜

铬膜或其合金(铬镍铁合金)可以作为部分反射镜的镀膜使用。
铬膜的反射率比铝膜和金膜低,由于吸收较多而不被用于反射镜,但在宽波长谱区由于反射率和吸收率的变化较小,可以用于反射型的中性滤光片或分光镜。

金膜

在可见光谱区具有黄色的波长特性(蓝色有吸收),但是在红外谱区的非常宽广的范围内具有较高的反射率。
由于只有金膜时不能很好地附着在玻璃表面,很容易剥落,所以一般首先蒸镀铬的底膜。
金膜柔软很容易受损伤。在特定的波长谱区使用时,可以蒸镀金膜的保护膜。在整个红外谱区使用时,经常使用不镀有保护膜的金膜。
请绝对不要用纸或布擦拭金膜。一旦受损伤将不能恢复。

金属膜的反射率比较(参考数据)

电介质膜

电介质材料无色透明,没有像金属那样大的反射或吸收。 如果选择适当的材质和膜厚,在玻璃基板,薄膜和空气的分界面会产生干涉效果,可以得到特定的透过率·反射率的波长特性。

单层防反射膜

光线射入玻璃基板时,会产生4%左右的反射而造成透过率的损失。但是,通过在玻璃基板上蒸镀比玻璃的折射率更低的电介质膜,可以改变玻璃基板的反射率。
调节电介质膜的厚度使其光程(折射率n×膜厚d)为λ/4时,可以相互抵消玻璃基板和电介质膜,电介质膜和空气的分界面的反射,将反射率降到最低。
但是,由于折射率受到薄膜材料的限制,所以反射率不能完全为零。而且,由于受玻璃基板折射率的限制,所以并不是所有玻璃基板都能得到防反射效果。

单层防反射膜(SLAR)反射率的波长特性
单层电介质防反射膜的结构示意图
多层防反射膜

由于单层膜材料的选择范围很小,而且玻璃基板会残留一些反射。因此,通过重叠蒸镀几层薄膜,即使使用很少的薄膜材料也可以得到最佳的防反射效果。
此外,可以改变薄膜的构成,制造出降低特定波长的反射率的窄带防反射膜(NMAR),或制造出在宽波长谱区降低反射率的宽带防反射膜(MLAR)。

窄带防反射膜(NMAR)反射率的波长特性

宽带防反射膜(BMAR)反射率的波长特性
多层电介质防反射膜的结构示意图
多层反射膜

在玻璃基板上交替重复地蒸镀折射率较高的电介质膜和折射率较低的电介质膜时,可以得到反射率非常高的反射膜。
高折射率和低折射率的分界面会产生很少的反射。
由于每层的电介质膜的厚度都调节为λ/4的光程(折射率n×膜厚d),在各层上反射的光线的相位相同,反射将相互合成加强。相反,经过多重反射向透过方向前进的光线则相互抵消变为零。
如果电介质膜的层数足够多,入射光线会逐渐减弱,变得几乎不能透过。
衰减的光线将全部转为反射光。由于电解质膜没有吸收,入射的光线将没有损失,成为100%的反射光。

多层电介质膜(DML)的反射率的波长特性

通过改变多层膜的构造,可以附加某些特殊的效果。例如扩宽波长区域,相反地使透过谱区变得非常窄,使其它的波长谱区的光线不能透过,设定反射率为任意值等,可以根据需要设计各种薄膜。

多层电介质高防反射膜的结构示意图

特殊薄膜

多层电介质膜可以产生很多波长特性,用于各种光学仪器。
另一方面,在最前沿的研究中,为了得到更好的光学性能,有的非常特殊的多层电介质膜具有超过100层的薄膜构造。

超宽带反射镜

如果是可见光谱区,几十层的电介质膜即可达到反射效果。但是如果波长谱区包含从紫外到红外区域时,需要将紫外,可见光,红外谱区的3个以上的多层膜组合在一起。
因此,薄膜层数会变得极多,在制造方面也相应地需要更加精湛的技术。

强激光用膜

将高能量脉冲激光射入多层电介质膜时,薄膜的分界面上能量会变得极大,通常的薄膜会由于激光能量而被破坏。
因此,需要重新考虑薄膜结构和薄膜材料,开发不易受到激光损伤的特殊的多层膜。

飞秒激光用低分散膜

将飞秒激光射入宽谱区的多层电介质膜时,透过薄膜的光程因波长的不同而不同,因此产生色散。
飞秒激光用低分散膜的设计要求在薄膜中的光程不随波长的不同而改变,将色散降低到极小。而且,需要采用可以承受高能量的薄膜构造。

复合膜

在多层电介质膜中加入金属膜,可以制造出前所未有的特性光学的元件。
因为是将多层电介质膜和金属膜混合在一起,所以被称为复合膜。
这种薄膜被用于宽带无偏光分光镜和带通滤光片等。遗憾的是,由于金属存在吸收,所以会产生少量的光量损失。

多层膜的特性

多层膜可以具有任意的反射率·透过率的波长特性,但另一方面也受到很多制约。

入射角度的依赖性

在改变光线的入射角度时,多层膜的透过率·反射率的波长特性会产生变化。
多层膜的各层薄膜的相对厚度,在射入倾斜光线时,光线通过薄膜中的光程会变长。因此,入射角度为0度(垂直)时,透过率·反射率的波长特性在最长波长一侧,入射角度变大时,向较短波长一侧移动。
这种现象被称为多层膜的蓝色移动。

温度的依赖性

电介质膜的厚度和薄膜材料的折射率随温度的不同而变化,因此多层膜的透过率·反射率的波长特性也随之变化。由于温度依赖性随镀膜的制造方法和薄膜材料的不同而不同,需要在薄膜的设计阶段给予考虑。请事先通知使用环境和温度变动范围。

耐候性

多层电介质膜根据使用环境的不同,其光学特性有时会随着时间而产生变化。
虽然有不同的制造方法和薄膜构成,但长时间暴露在高温高湿的环境下时,薄膜都会膨胀,波长特性也会产生一些变化。
像分色反射镜或带通滤光片那样的透过率·反射率随波长不同变化剧烈的产品,特别需要注意。
光学元件在实验室或装置中使用时,要保持常温和低湿度状态。不使用时,请保管在电子干燥箱®等干燥的保存箱中。

偏光特性

光学元件被用于0度(垂直射入)之外的入射角时,会产生偏光特性。
偏光特性有P偏光与S偏光的透过率·反射率的变化特性,和P偏光与S偏光的相位差的变化特性的2个特性。
相位差特性很难控制,在本产品目录的镀膜产品中不予保证。例如,45度方向的直线偏光射入镀膜产品时,出射光的偏光状态不再是45度的直线偏光,而是椭圆偏光。但是,不将P偏光和S偏光分开时,考虑出射光的P偏光和S偏光的光量平均值时,其透过率·反射率的特性不会有特别影响。
以45度入射角度将光线射入无镀膜的玻璃基板时,P偏光和S偏光的反射率是不同的。
镀膜的每个薄膜分界面也一样,P偏光和S偏光的反射率存在差异,对于多层膜,由于P偏光和S偏光透过率和反射率存在很大差异,其波长特性也会受到影响。
因此,产品目录的透过率·反射率的波长特性曲线图中显示有P偏光和S偏光的特性。
即便图中未显示P偏光,S偏光的特性曲线的镀膜光学元件也存在偏光特性,这时特性曲线图显示的是P偏光和S偏光的平均值。
由于激光之外的大部分光源为非偏光,因此可以使用P偏光和S偏光平均值的曲线图。但是使用激光时,由于是直线偏光,取P偏光值还是取S偏光值,或是取两者间的值需要根据偏光方向来决定。
特别是像分光反射镜那样的透过区域和反射区域在较窄的波长谱区中发生转换的镀膜元件,S偏光和P偏光的从透过到反射的转换波长是不同的。

S偏光·P偏光的定义
多层电介质膜反射镜的反射率的波长特性
分色反射镜的反射率的波长特性

激光损伤阈值

用于脉冲激光谐振腔或激光加工装置的光学元件,要求即使射入能量非常高的光线,也要保持元件不至破损的特性。这时的定量化的能量数值被称为激光损伤阈值。用于需要选择用于高能量激光装置的光学元件或设计光学系统时。
激光损伤阈值的评估方法使用ISO21254国际标准中规定的S-on-1测试。

S-on-1

使用可以调节能量的脉冲激光,和能够以适当的能量密度照射检测对象的装置。
为了可以改变照射位置将检测对象装载在XY轴位移台上,每次照射结束后改变位置。重复发射脉冲激光,在同一部位照射S次激光脉冲。
接着改变位置再次以相同能量照射S次。如此重复地使用相同能量照射检测对象的10个位置。
然后改变激光能量,同样地在10处进行照射S次。在激光能量可以调节的范围内重复这个操作。
使用150倍的显微镜观察检测对象的薄膜有无损伤。
相对能量密度,在图表中表示损伤的出现率,从出现率曲线求出临界(出现率为0%和0%以上的分界线)的能量密度。将这个数值定为激光损伤阈值。

* 西格玛光机将1回的照射脉冲数量S定为200次,作为200 on 1测试评价。

照射回数和能量密度的照射位置关系
关于激光损伤阈值的注意点

激光损伤阈值随所使用的激光波长,脉冲宽,和重复频率的不同而不同。请确认所使用的激光和测试条件是否一致。

脉冲激光有单模式(TEM00)激光和多模式激光。激光损伤阈值使用TEM00激光进行测试。
多模式激光随激光的模式不同,有时可能形成局部能量密度很高的部位(峰值)。对于产生峰值的多模式激光,即使射入低于激光损伤阈值的激光,有时也会损伤光学元件。
使用多模式激光时,如果光学元件频繁损伤,有可能是多模式谐振器的光学调节产生了问题。这种情况时,请确认模式或者联系激光生产商。

光学元件表面有灰尘或有油污时,即使有时是低能量密度下,光学元件也会受到损伤。使用高能量激光时,请务必清洁光学元件,在洁净的状态下使用。

激光损伤的出现率随能量密度的变化

如果不在同一测试条件下评价激光损伤阈值的数值,将不能进行正确的比较。由于每个生产商的测试条件都不同,仅凭产品目录的激光损伤阈值的数值不能判定光学元件的优劣。
 西格玛光机为了使客户能在安全条件下使用产品,采用了严格的测试条件。如果能够在低于激光损伤阈值的条件下使用这些产品,和用于普通能量条件时相比,发生变质或历时变化的状况将不会更坏。

特订镀膜

除产品目录的产品之外,也承接设计·制造满足客户要求的镀膜元件。从研究开发或用于试造的1个样品,到用于机器量产的大批量生产,承接任何数量的委托生产。
此外,无论是使用标准玻璃基板镀膜,还是在特订制造的基板上的镀膜,或者是在提供的材料上镀膜,接受任何形式的合作方式,请安心联系营业部门。
使用产品目录的客户问询单,只要填入必要事项,我们便能顺利地确认镀膜的技术指标。 
根据技术指标内容的不同,特订薄膜有时会需要一定的制作时间。详细的交货期请至营业部门问询。

特订镀膜的例子 T: 透过率 R: 反射率

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