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光學鍍膜簡介
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光學鍍膜簡介

光學鍍膜是由薄膜層的組合構成並在光學系統裡建構出干涉效應來增加穿透或反射特性。光學鍍膜的性能取決於膜層數、每一層的厚度,以及在膜層介面的折射率差。許多常用的鍍膜種類均用於精密光學中,包括抗反射高反射(鏡),分光鏡以及濾光片鍍膜如短通、長通和陷波濾光片。抗反射膜也被涵蓋運用在最常被折射的光學系統中以及光穿透量上的最大化,並且減少不必要的反射。高反射膜被設計用來不管在單一或是橫跨一範圍的光譜波段上使其反射率能最大化,且最常用於打造反射鏡。分光鏡膜被用來將入射光分割成已知的穿透光和反射光輸出。濾光片可用於廣泛的生命科學和醫學應用,並用於在特定波長進行光穿透、光反射、光吸收或光衰減等。愛特蒙特光學亦能夠提供多樣化的客製化鍍膜服務來滿足不同的應用需求。

對於光線的特定入射角和特定偏振可以用光學鍍膜設計來達成,像是S偏振,P偏振或是任意偏振。以不同於設計入射角度將光線入射鍍膜將導致鍍膜效能大大降低,差別越大甚至導致鍍膜功效全無。同樣地,以不同於光學鍍膜偏振設計使用鍍膜將無法產生規格所宣稱應有的偏振特性。

光學鍍膜透過沉積像是五氧化二鉭(Ta2O5) 和/或三氧化二鋁(Aluminum Oxide (Al2O3))等介電材料和金屬材料在交替薄膜中。為了最大化或最小化干涉,它們在應用中被使用的光譜波段裡,其典型的有四分之一或二分之一波長光學厚度。這些薄膜之間高折射率和低折射率層疊交替,藉此誘導了所需的干涉效應。請參考圖1所述的寬帶抗反射膜設計的示例圖。

採取三層寬帶抗反射膜設計
圖一:在三層寬帶抗反射膜光中,正確選擇鍍膜四分之一波長以及半波厚度將導致高穿透率和低反射損失

鍍膜理論

鍍膜是透過光學干涉機制來控制光的反射與穿透。當兩束光線沿著一致的路徑傳播且它們的相位匹配,波峰的空間位置也匹配,則會結合創造出更大的波振幅。當光束不同相位(180度偏移),在重疊的部分會在所有的波峰處導致消減效應進而讓結合的波振幅減弱。這些效應分別稱為建設性干涉以及破壞性干涉。

由1-4式可知,規範了多層薄膜結構全反射的關係式:

Equation 1 (1)
Equation 2 (2)
Equation 3 (3)
Equation 4 (4)

q

膜層數

δ

相位

η

膜層光學導納

Np

複數折射率

tp

膜層物理厚度

λ

波長

θp

入射角

Y

堆疊光學導納

R

堆疊反射率

當光波長以及入射角已規範時,能夠藉由改變折射率與膜層厚度來達到最佳效能。任何參數値的改變都將影響到膜內部光線的路徑長度,隨著光線傳遞相位値也跟著改變。此影響可以透過單層抗反射膜方式來作簡單的說明。當光通過系統時,在鍍膜面任一側的兩個折射率改變的介面中會發生反射。為了最小化反射,理想情況是當這兩個反射部分在第一界面處重新結合時,它們之間將具有180°相移。該相位差直接對應於正弦波λ/2的相位偏移,這可由設定膜層厚度在λ/4來完成最佳化。請參考此概念圖示二。

兩道反射光束間180度相位偏移
圖二:兩個反射光束之間的180°相移將導致相消干涉,因此將沒有任何反射光束。

折射率不僅僅會影響到光學路徑長度(因此相位亦受影響),也會在每一個介面處影響到反射率特徵。反射率是透過菲涅耳方程式來定義(式五),此式提供了光線正向入射時在介面處從折射率改變來看反射率的量如何發生。

Equation 5 (5)

最後一個必須被納入考量的參數是該抗反射膜的光線設計入射角。如果光的入射角改變,則每層內的內角和光程長度均將受到影響;而這將影響反射光的相移程度。利用非正向入射光時,S偏振光和P偏振光在每一個介面處彼此之間不會一致地反射,這將導致在兩個偏振上不同的光學特性。也正是這個現象允許有偏振分光鏡設計的空間。

鍍膜技術

蒸發沉積

蒸發沉積期間,真空腔內的靶材會利用加熱或電子束撞擊而蒸發。產生的蒸氣會凝結在光學基材表面上,蒸發過程中須精準控制加熱、真空壓力、基材定位和旋轉,才能形成指定厚度的均勻光學塗層。蒸發作用的屬性相對溫和,會使塗層較鬆散或形成多孔。這些鬆散的塗層受吸水性的影響,會改變各層的有效折射率,進而導致效能下降。 蒸發塗層可用離子束輔助沉積加以強化,將離子束引導至基材表面。這樣可以增加靶材在表面上的附著力,創造密度更高、更穩固且應力更強的塗層。

離子束濺鍍(IBS)

離子束濺鍍(IBS)使用高能量電場來加快離子束的速度。加速會使離子獲得巨大動能,撞擊到靶材時,離子會「濺鍍」靶材,使其從目標鬆脫。而濺鍍起來的靶材離子便會充滿動能,並在接觸到光學表面時產生緊密的薄膜。IBS是一項成熟的技術,以精準度及可重複性聞名。

Ion-Assisted E-Beam Deposition Process

圖3:在離子輔助電子束沉積製程中,會用離子槍瞄準光學表面,以提高塗層的附著力與密度

電漿濺鍍

電漿濺鍍涵蓋許多使用不同名稱的技術,包括進階電漿濺鍍與磁控濺鍍。一般概念則由電漿的產生組成。接著電漿中的離子經過加速,接觸到靶材後,會使充滿能量的靶材離子鬆脫,接著再濺鍍到目標的光學元件上。每種電漿濺鍍都有各自的特殊屬性和優缺點,我們將這些技術歸在同一個群組是因為其操作概念相同,而且彼此的差異遠小於與本文談到之其他鍍膜技術的差異。

原子層沉積

與蒸發沉積不同,原子層沉積(ALD)的靶材不需要從固體蒸發,而是直接以氣體形式提供。而且雖然使用氣體,真空腔內通常還是使用高溫。在ALD中,前驅物以非重複脈衝提供,且每個脈衝均自我侷限。此製程的化學設計讓每次脈衝只會附著一層,且表面的幾何形狀並不構成限制因素。因此能夠絕佳地控制各層的厚度與設計,但也因此而使沉積速率過慢。

次波長結構表面

自發現蛾眼的結構性圖案後,小於光線波長的表面結構便成為光學研究的主題之一。表面結構作為一項持續演進中的技術,其方法是修改基材表面的結構,而不是像傳統的薄膜塗層,交錯使用折射率高和低的材料沉積出塗層。結構表面上的特徵可能是隨機或規律,就像蛾眼上的圖案。次波長結構表面可用光微影技術製作出規律的圖案,或用改良的電漿蝕刻製作出隨機圖案。

鍍膜生產

Planetary Substrate Holder

光學鍍膜的相關製程不僅需要投注大量人力與資金,也相當耗時。影響鍍膜成本的因素包括:待鍍膜的光學元件數量、光學元件類型、光學元件尺寸、鍍膜的層數,以及光學元件的鍍膜表面數量。進行鍍膜的沉積製程也是決定鍍膜成本及效能的重大因素。此外,為了確保每個鍍膜的光學元件獲得最高等級的品質,更需要大量的準備工作。

光學元件在鍍膜之前的清潔與準備,是製程中的關鍵步驟。光學元件的表面必須保持清潔,塗層才能附著。基材上若有髒汙未事前去除,在施加鍍膜後通常會更為明顯。因此,愛特蒙特光學® 提供了嚴密的清潔製程,可確保成品的品質一致且優異。

目前有許多不同的鍍膜沉積技術,且各有其優缺點,而愛特蒙特光學® 採用了多種不同的鍍膜沉積技術。請聯絡我們,以便判斷最適合您應用的鍍膜技術。

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