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前言

光學(xué)薄膜是現(xiàn)代光學(xué)和光電系統(tǒng)最重要的組成部分，在光通信、光學(xué)顯示、激光加工、激光核聚變等高科技及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成為核心元器件，其技術(shù)突破常常成為現(xiàn)代光學(xué)及光電系統(tǒng)加速發(fā)展的主因。

光學(xué)薄膜的技術(shù)性能和可靠性，直接影響到應(yīng)用系統(tǒng)的性能、可靠性及成本。如圖1是光通訊技術(shù)中使用窄帶濾光片調(diào)制不同的通訊通道示意圖。圖 2是激光核聚變系統(tǒng)中大量使用到的薄膜元器件。

圖1 光通訊系統(tǒng)中通過WDM濾光片系統(tǒng)調(diào)控不同波長示意圖

圖2 美國NIF高功率激光系統(tǒng)中的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，其中大量使用到傳輸鏡、偏振膜等光學(xué)薄膜元器件

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，精密光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)薄膜的光譜控制能力和精度要求越來越高，而消費(fèi)電子對(duì)光學(xué)薄膜器件的需求更強(qiáng)調(diào)超大的量產(chǎn)規(guī)模和普通大眾的易用和舒適性。

主要技術(shù)和裝備進(jìn)展

光學(xué)鍍膜技術(shù)在過去幾十年實(shí)現(xiàn)了長足的進(jìn)展，從舟蒸發(fā)、電子束熱蒸發(fā)及其離子束輔助沉積技術(shù)發(fā)展到離子束濺射和磁控濺射技術(shù)。近年來在這些沉積技術(shù)和裝備領(lǐng)域的主要技術(shù)進(jìn)展包括：

1間歇式直接光控(intermittent measuring method)

間歇式直接光控(intermittent measuring method)：以Leybold Optics公司的OMS5000系統(tǒng)為代表，光學(xué)鍍膜過程中越來越多地使用間歇式信號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)鍍膜過程產(chǎn)品片實(shí)現(xiàn)直接監(jiān)控。相對(duì)于間接光控和晶控系統(tǒng)，間歇式直接光控系統(tǒng)有利于降低實(shí)際產(chǎn)品上的薄膜厚度分布誤差，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品良率并減少了工藝調(diào)試時(shí)間。

圖3 Leybold Optics 公司OMS5000的間歇式直接光控系統(tǒng)

2漸變折射率結(jié)構(gòu)薄膜技術(shù)與裝備(Rguate filter and Coater)

漸變折射率結(jié)構(gòu)薄膜技術(shù)與裝備(Rguate filter and Coater):已經(jīng)有大量研究工作已經(jīng)證實(shí)Rugate無界面型薄膜結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)Rugate多種折射率薄膜結(jié)構(gòu)通過加強(qiáng)調(diào)制折射率在薄膜厚度方向上分布，能設(shè)計(jì)出非常復(fù)雜的光譜性能，(部分)消除了薄膜界面特征，(部分)消除界面效應(yīng)，如電磁波在界面上比薄膜內(nèi)部更高密度的吸收中心和散射，也可以增加了薄膜力學(xué)穩(wěn)定性。

漢諾威激光工程中心的數(shù)據(jù)顯示(圖4)，(準(zhǔn))Rugate薄膜結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的高低折射率光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)相比，可以具有更高的抗激光損傷閾值。如Rugate Filter 設(shè)計(jì)，其1064 nm 10 ns 1000發(fā)零損傷幾率可以做到100 J/cm2以上。

圖4 高低折射率結(jié)構(gòu)和(準(zhǔn))Rugate薄膜結(jié)構(gòu)的抗激光損傷閾值對(duì)比測(cè)試結(jié)果

圖5所示為德國CEC公司開發(fā)的靶面掃描共濺系統(tǒng)。通過在離子束濺射鍍膜過程中，精確掃描兩種材料拼接而成的混合濺射靶，可以實(shí)現(xiàn)折射率的漸變結(jié)構(gòu)，高精度制備(準(zhǔn))Rugate復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)的光學(xué)薄膜，獲得比高低折射率薄膜結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的光譜性能和更優(yōu)異的附著力、應(yīng)力等物理性能。

圖5德國CEC公司靶面掃描共濺系統(tǒng)

3磁控濺射光學(xué)鍍膜系統(tǒng)(Magnetron Sputtering)

以Leybold Helios和Shincron RAS為代表，磁控濺射技術(shù)及裝備在精密光學(xué)領(lǐng)域和消費(fèi)光電子薄膜領(lǐng)域占據(jù)越來越大的份額。磁控濺射薄膜沉積過程控制簡(jiǎn)單，粒子能量高，獲得的薄膜結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定。

圖6是Helios的基本結(jié)構(gòu)和原理，其采用非常緊湊的板式開合結(jié)構(gòu)，真空室空間利用率非常高，整體結(jié)構(gòu)也非常緊湊。其采用平面雙靶磁控濺射陰極和等離子體源共同實(shí)現(xiàn)化合物薄膜的快速沉積過程，可以用于介質(zhì)干涉濾光片(氧化物、氮化物)、共濺射(摻雜，混合折射率薄膜)、金屬膜 (Cr,Ag,Al…)及金屬介質(zhì)干涉濾光片。其裝卡系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)真空室處于真空狀態(tài)下快速進(jìn)出產(chǎn)品，為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性奠定了重要基礎(chǔ)。總的來說，該設(shè)備非常適合應(yīng)用于中小批量的精密光學(xué)元件鍍膜。

圖6 LeyboldOpitcs Helios磁控濺射光學(xué)鍍膜系統(tǒng)(上)，基本結(jié)構(gòu)與原理圖(下)

展望

我國的光學(xué)和光電子行業(yè)在產(chǎn)能擴(kuò)充和技術(shù)更替中需要大量的中高端光學(xué)鍍膜機(jī)。而相關(guān)元器件研發(fā)過程中，及時(shí)的工藝創(chuàng)新和相應(yīng)的裝備支持也是整個(gè)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的基石和可持續(xù)發(fā)展的基本戰(zhàn)略。

我國已在精密機(jī)械、真空技術(shù)、光電子技術(shù)和光機(jī)電自動(dòng)化控制等領(lǐng)域開展了大量的研究工作，獲得了長足的技術(shù)進(jìn)步，并形成了完善的產(chǎn)業(yè)集群，這些是研制高端光學(xué)薄膜裝備的重要基礎(chǔ)。

如果光學(xué)鍍膜裝備領(lǐng)域能牽引光機(jī)電、真空機(jī)械、薄膜工藝等領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新，共同研制出屬于我們自己的高端光學(xué)鍍膜機(jī)，將進(jìn)一步加速我國光學(xué)和光電子行業(yè)的發(fā)展。因此，也建議該領(lǐng)域能得到國家和地方更多的重視與投入。

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光學(xué)鍍膜技術(shù)和裝備