Layertec 金屬/電介質(zhì)/光學(xué)/激光應(yīng)用涂層

金屬涂層

金屬是鏡子制造中常見的材料。拋光金屬，特別是金，銅和青銅，在古代世界已被用作鏡子。在中世紀(jì)，使用鍍在玻璃上的錫箔和汞制作了在可見光譜范圍內(nèi)反射率相對恒定的鏡子。玻璃上的薄膜金屬涂層的時代始于19世紀(jì)，當(dāng)時Justus von Liebig發(fā)現(xiàn)可以使用硝酸銀和醛來制造銀薄膜。

用于精密光學(xué)和激光物理學(xué)的反射鏡是通過蒸發(fā)或?yàn)R射技術(shù)生產(chǎn)的。LAYERTEC使用磁控濺射技術(shù)來制造金屬涂層。這導(dǎo)致涂層具有極低的雜散光損耗。此外，還可以高精度地生產(chǎn)透明的，即非常薄的金屬涂層。有關(guān)我們的金屬鏡和中性密度濾鏡的詳細(xì)信息，請查閱我們的目錄。

有關(guān)銀鏡的更多信息，您還可以參考我們的fs應(yīng)用銀鏡部分。

下圖概述了常見金屬的反射率。

不同金屬的反射率

使用提示

在下文中，我們對這些金屬的使用以及防護(hù)涂層的作用提供了一些提示：

銀

ØVIS和NIR中的最高反射率

ØLAYERTEC通過磁控濺射產(chǎn)生保護(hù)層。這些具有非常高的填充密度的層使得銀鏡像其它金屬（例如鋁）的鏡子一樣穩(wěn)定。也證明了在正常大氣中10年的壽命。

Ø必須使用保護(hù)層，因?yàn)槲幢Ｗo(hù)的銀化學(xué)上不穩(wěn)定且柔軟

Ø請參閱我們目錄中的單獨(dú)數(shù)據(jù)表

金

Ø與NIR中與銀具有類似的反射率

Ø化學(xué)穩(wěn)定但柔軟

Ø需要保護(hù)層使金鏡可以清潔

Ø我們建議使用受保護(hù)的銀鏡代替受保護(hù)的金，因?yàn)闉R射的保護(hù)層克服了銀的不足，并且由于波長范圍更廣，反射率稍高且價(jià)格更優(yōu)惠而成為更好的選擇。

Ø請參閱我們目錄中的單獨(dú)數(shù)據(jù)表

鋁

ØVIS和NIR的反射率較高且恒定

Ø最高的紫外線反射率

Ø表面氧化層在深紫外線中吸收

Ø建議使用保護(hù)層，因?yàn)殇X是柔軟的

Ø請參閱我們目錄中的單獨(dú)數(shù)據(jù)表

金屬介電涂層

通常，由金屬和介電層組成的所有層系統(tǒng)都可以稱為“金屬介電涂層”。最熟悉的是由介電層隔開的透明金屬層組成的金屬介電濾波器。這些濾光片的特點(diǎn)是由于金屬層的反射率和吸收率而導(dǎo)致很寬的阻擋范圍。傳輸帶的光譜位置取決于介電間隔層的光學(xué)厚度。

在但是，在此我們要引起讀者對金屬介電反射器的注意。金屬和金屬涂層顯示出極寬的自然反射率，但是，其在UV光譜范圍（鋁）中限制為大約90％，在VIS（銀）中限制為96％，在NIR（金和銀）中限制為99％。而且，大多數(shù)金屬必須用介電涂層保護(hù)，以克服化學(xué)（銀）或機(jī)械穩(wěn)定性（鋁，銀，金）的限制。

更嚴(yán)格地說，幾乎所有金屬鏡都是金屬介電涂層。防護(hù)涂層始終會影響金屬的反射率。任何厚度的單個介電層都會降低光譜大部分部分的反射率。但是，金屬上的多層涂層可以提高金屬涂層的反射率。反射率的帶寬也可以針對非常寬的光譜范圍進(jìn)行優(yōu)化，如下圖所示。

受保護(hù)的銀鏡和金屬介電銀鏡的反射光譜，均針對在天文望遠(yuǎn)鏡中使用的可見光譜范圍內(nèi)的高反射率進(jìn)行了優(yōu)化。

激光應(yīng)用涂層

近年來，基于摻Y(jié)b的晶體或纖維的激光器變得越來越重要?；赮b：YAG以及摻Y(jié)b的光纖開發(fā)了高功率連續(xù)激光器。Yb：YAG和Yb：KGW激光器也可以用作高功率ns，ps或fs激光器。

反射鏡

圖1：HR腔鏡（a）和HR轉(zhuǎn)向鏡（b）的反射光譜

輸出功率*（例如> 10kW cw）的激光器通?；赮b：YAG。 LAYERTEC已開發(fā)出不同的涂料設(shè)計(jì)，以應(yīng)對非凡的高通量。 設(shè)計(jì)針對連續(xù)輻射或ns脈沖或ps脈沖進(jìn)行了優(yōu)化。

短波通濾光片

圖2：陡邊短波通濾光片的透射光譜

HR（0°，1030nm）> 99.9％，HT（0°，808-980nm）> 99.5％（后側(cè)AR涂層）

特殊功能

Ø邊緣很陡的短波長通過濾光片，用作摻有Yb的材料（例如Yb：YAG，Yb：KGW，摻Y(jié)b的光纖）用作固態(tài)激光器的泵浦反射鏡

Ø對于Nd摻雜和Yb-Nd共摻雜的材料也很有用

Ø在808nm–990nm處的透射率T> 99％，在1030nm處的反射率R> 99.9％，即在4％的激光波長范圍內(nèi)從高透射率范圍過渡到高反射率范圍

Ø*的激光損傷閾值（100 MW / cm2 cw at 1064nm *）

Ø熱和氣候穩(wěn)定

*耶拿大學(xué)弗里德里希-席勒大學(xué)物理研究所用高功率光纖激光器測量

長波通濾光片

圖3：HR（0，915 – 980 nm）> 99.8％的陡邊長波通濾光片的透射光譜

HT（0°，1030 – 1200 nm）> 97％，用作光纖激光器的輸出鏡（背面鍍AR）

圖4：阻擋二極管輻射的光纖激光器的輸出鏡的反射光譜在980nm處具有1030-1100nm的部分反射率R = 10％

長波通濾光片的陡峭邊緣也可以與在激光輻射的波長范圍內(nèi)定義的部分反射率組合。

薄膜偏振片

圖5：薄膜偏振片的S偏振和P偏振光的反射光譜

設(shè)計(jì)用于ps脈沖的高激光損傷閾值（AOI = 55°）

薄膜偏振片是ns激光和ps激光中的再生放大器的關(guān)鍵元件。

基于Yb摻雜材料的皮秒激光器

皮秒激光器，即具有幾百個fs到10ps的脈沖長度的激光器，可以基于Yb：YAG-，Yb：KGW-和Yb：KYW來構(gòu)建。這些激光使材料加工過程中不會產(chǎn)生不希望的熱效應(yīng)，例如熔化，從而導(dǎo)致了之前沒有的加工精度。此外，皮秒激光器不需要require脈沖放大，與fs激光器相比，它降低了成本，并且激光晶體沒有顯示可實(shí)現(xiàn)高輸出功率的熱透鏡。最近，已經(jīng)證明，基于Yb：YAG平板晶體，平均功率為400W（770fs，1MHz）的激光器是可能的。

皮秒激光光學(xué)器件需要特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)器件才能達(dá)到較高的激光損傷閾值。 有關(guān)詳細(xì)信息，請參見此處。

對于通常用于ps范圍至幾百fs范圍內(nèi)的脈沖壓縮的GTI反射鏡，請參見此處。

激光應(yīng)用涂層

Ruby和Alexandrite激光特別適用于醫(yī)療激光應(yīng)用，工作頻率分別為694nm和755nm。 LAYERTEC為兩種波長提供廣泛的激光光學(xué)器件，具有很高的激光誘導(dǎo)損傷閾值和長壽命。除了用于校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的典型波長組合（例如694nm + 633nm）以外，LAYERTEC產(chǎn)品的一個特殊功能是同一設(shè)備中醫(yī)療應(yīng)用中使用的其他常見波長的多種組合，但來自不同的激光源（例如532nm） + 694nm）。

腔鏡

Ø反射率：使用蒸發(fā)和濺射在AOI = 0°時R> 99.8 ... R> 99.9％

Ø高損傷閾值（800 MW / cm2，35ns脈沖長度）

圖1：694nm（a）和755nm（b）的腔鏡的反射光譜

轉(zhuǎn)向鏡

Ø反射率：對于隨機(jī)偏振光，AOI = 45°時R> 99.5％

Ø集成導(dǎo)頻激光束對準(zhǔn)（例如在630 - 650nm）

Ø高損傷閾值（800 MW / cm2，35 ns脈沖長度）

圖2：694nm的轉(zhuǎn)向鏡與633nm處的導(dǎo)向激光組合的反射光譜（非偏振光）

合束器

Ø通過濺射技術(shù)精確調(diào)節(jié)反射率

Ø集成的引導(dǎo)激光束對準(zhǔn)（例如635nm）

Ø具有特殊設(shè)計(jì)的高性能和成本優(yōu)化解決方案

圖3：特殊光束組合器在694nm和633nm處的反射光譜：

a）PRr（45°，694nm）= 99.0％+ Rr（45°，633nm）<35％

b）Rr（45°，630-640nm）> 35％+ Rp（45°，694nm）<0.3％

輸出耦合器和透鏡

圖4：增透膜在694nm和755nm處的反射光譜：a）AR（0°，694nm）<0.2％，b）AR（0°-30°，755nm）<0.5％

Ø反射率精確調(diào)整的輸出耦合器

ØAR涂層在輸出耦合器的背面以及熔融石英制成的透鏡和窗戶的兩側(cè)均具有剩余反射率R <0.2％

激光應(yīng)用涂層

LAYERTEC專門從事激光應(yīng)用光學(xué)器件的生產(chǎn)，其波長范圍從VUV（157nm及以下）到NIR（?4μm）。

激光的光學(xué)涂層最常見的類型是高反射鏡（對于法向入射，作為諧振鏡，對于AOI = 45°作為轉(zhuǎn)向鏡），對于輸出耦合器和分束器的部分反射鏡，以及用于窗戶和透鏡的抗反射涂層。較復(fù)雜的激光器類型的涂層組合了多達(dá)三個高反射率的波長范圍（例如，對于激光波長和諧波）和多達(dá)三個具有高透射率的波長范圍（例如，對于泵浦波長，諧波或用于抑制其他激光線）。在大波長范圍內(nèi)發(fā)射激光的情況下，需要寬帶反射鏡和為平滑群延遲和群延遲色散頻譜而優(yōu)化的反射鏡。染料激光器，鈦藍(lán)寶石激光器，光學(xué)參量振蕩器（OPO）和飛秒激光器。

除了反射率和透射率之外，還必須優(yōu)化激光應(yīng)用的涂層，以降低光學(xué)損失和提高激光誘導(dǎo)的損傷閾值。

用于VIS和NIR的濺射光學(xué)鍍膜具有極低的雜散光和吸收損耗（均為10–5左右）。 HR鏡的反射率或磁控濺射產(chǎn)生的部分反射鏡的反射率與透射率之和遠(yuǎn)高于99.9％。最近測得的濺射鍍膜和蒸發(fā)鍍膜在NIR中的吸收損失約為3–30ppm。蒸發(fā)的涂層在VIS–NIR區(qū)域顯示的雜散光損失約為10–3，而在UV和VUV中則高達(dá)10–2。然而，蒸發(fā)的涂層在紫外線下顯示出低的吸收損失。

cw和ns激光光學(xué)器件的損壞主要與熱效應(yīng)有關(guān)，例如吸收增加–涂層材料的固有吸收或缺陷吸收–或?qū)嵝圆詈屯繉尤刍瘻囟鹊汀８吖β释苛霞刃枰刂仆苛系墓逃行阅?，又需要減少涂層中的缺陷。皮秒和飛秒激光光學(xué)器件的激光損傷主要是由場強(qiáng)效應(yīng)引起的。這些激光器的高功率涂層需要非常特殊的涂層設(shè)計(jì)。

根據(jù)ISO 11254-1標(biāo)準(zhǔn)（cw-LIDT和1 –LIDT上的1，即單脈沖LIDT），ISO 11254-2（S 1，即多脈沖LIDT），確定激光誘導(dǎo)損傷閾值（LIDT） ISO 11254-3（針對一定數(shù)量的脈沖的LIDT）要求激光系統(tǒng)以單模運(yùn)行，精確的光束診斷以及在線和離線損壞檢測系統(tǒng)。這就是為什么只有數(shù)量有限的測量系統(tǒng)只能使用幾種類型的激光器的原因（例如，Laserzentrum Hannover的1064nm）。對于某些突出的激光波長，例如氬離子激光器（488nm或514nm），沒有可用的測量系統(tǒng)，也無法提供經(jīng)過認(rèn)證的LIDT數(shù)據(jù)。

1對1 LIDT（即在樣品的1個位置上產(chǎn)生1個脈沖）不能代表正常的操作條件。但是，這些值可用于比較不同的涂層和優(yōu)化程序。 此外，“一對一”值與更實(shí)際的S-on-1-LIDT（在樣本的同一位置上給定數(shù)量的“ S”個脈沖的LIDT）直接相關(guān)，可以解釋為LIDT的上限。具有高重復(fù)率（約kHz）的激光系統(tǒng)需要使用LIDT值表示的壽命測試來測試大量脈沖。

測量設(shè)備的數(shù)量有限，實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行壽命測試，因此有必要將多個客戶的測量，壽命測試或累積輻射測試也包括在我們的目錄和本網(wǎng)站中。請注意，這些值無法與LIDT測量進(jìn)行比較，因?yàn)榇颂幗o出的激光參數(shù)沒有損壞。此外，這些值始終存在不確定性，尤其是在確定光斑尺寸方面。必須考慮大約30％左右的誤差。盡管如此，我們認(rèn)為有關(guān)光學(xué)器件成功運(yùn)行參數(shù)的信息肯定會有助于決定使用LAYERTEC光學(xué)器件。但是，有時需要在客戶的激光系統(tǒng)上進(jìn)行測試。LAYERTEC在客戶工廠為這種測試提供了很大的折扣。

光學(xué)涂層

光學(xué)涂層被廣泛用于改變玻璃表面的反射率，從眼鏡到高功率激光應(yīng)用。該頁面將概述LAYERTEC經(jīng)常使用的三種主要涂層技術(shù)。

子類別介紹介電層和金屬涂層背后的物理原理，以及將金屬層和介電層組合在一起的可能性。

熱和電子束蒸發(fā)

熱和電子束蒸發(fā)是生產(chǎn)光學(xué)涂層的常用技術(shù)。LAYERTEC主要將這些技術(shù)用于UV涂層。蒸發(fā)源安裝在蒸發(fā)室的底部。它們包含涂層材料，該涂層材料通過電子槍（電子束蒸發(fā)）或電阻加熱（熱蒸發(fā)）加熱。加熱方法取決于材料特性（例如熔點(diǎn)）和光學(xué)規(guī)格。

將基板安裝在蒸發(fā)室頂部的旋轉(zhuǎn)基板支架上。為了確保涂層的均勻性，必須旋轉(zhuǎn)基板。根據(jù)基材和涂層的不同，必須將基材加熱到150–400°C。這提供了低吸收損失和涂層對基材的良好粘附性。離子槍用于獲得更緊湊的層。

蒸發(fā)涂層的性能

成膜顆粒的能量非常低（?1eV）。因此，必須通過加熱基材來提高顆粒的遷移率。然而，蒸發(fā)涂層的堆積密度相對較低，并且這些層通常包含微晶。這導(dǎo)致相對較高的雜散光損耗（取決于波長，大約為百分之一到百分之一）。

此外，取決于溫度和濕度，來自大氣的水可以擴(kuò)散到涂層中和從涂層中擴(kuò)散出去。這導(dǎo)致反射帶的偏移量約為波長的1.5％。然而，蒸發(fā)的涂層具有高的激光損傷閾值，并廣泛用于激光器和其他光學(xué)設(shè)備中。

濺鍍

通常，術(shù)語“濺射”代表通過離子轟擊從固體中提取顆粒（原子，離子或分子）。離子朝目標(biāo)加速并與目標(biāo)原子碰撞。原始離子以及反沖的粒子穿過材料移動，并與其他原子a.s.o碰撞。大多數(shù)離子和反沖原子保留在材料中，但是通過多次碰撞過程，一定比例的反沖原子向表面散射。這些顆粒離開目標(biāo)，然后可以移動到基材上并形成薄膜。

磁控濺射

上述離子是通過在靶材前面燃燒的氣體放電傳遞的。它可以通過直流電壓（DC濺射）或通過交流電壓（RF濺射）來激勵。在直流濺射的情況下，靶是高純度金屬（例如鈦）的盤。對于RF濺射，還可以將介電化合物（例如二氧化鈦）用作靶。將反應(yīng)性氣體（例如氧氣）添加到氣體排放物中導(dǎo)致形成相應(yīng)的化合物（例如氧化物）。

LAYERTEC已開發(fā)出用于光學(xué)鍍膜的磁控濺射技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)到非常高效的工業(yè)流程，都能生產(chǎn)出具有出色性能的鍍膜，尤其是在VIS和NIR光譜范圍內(nèi)。我們最大的磁控濺射工廠可以涂覆直徑最大為500mm的基材。

離子束濺射

該技術(shù)使用單獨(dú)的離子源來生成離子。為了避免污染，現(xiàn)代IBS工廠使用了射頻源。在大多數(shù)情況下，反應(yīng)氣體（氧氣）也由離子源提供。這導(dǎo)致顆粒更好的反應(yīng)性和更緊密的層。

磁控濺射和離子束濺射之間的主要區(qū)別在于，離子產(chǎn)生，靶材和襯底在IBS工藝中*分離，而在磁控濺射工藝中它們彼此非常接近。

濺射涂層的性能

由于成膜顆粒的動能高（?10 eV），即遷移率高，因此濺射層表現(xiàn)出：

Ø無定形微觀結(jié)構(gòu)

Ø高包裝密度（接近散裝材料）

結(jié)果是：

Ø雜散光損耗低

Ø光學(xué)參數(shù)的高熱和氣候穩(wěn)定性

Ø較高的激光誘導(dǎo)損傷閾值

Ø高機(jī)械穩(wěn)定性

無需外部加熱即可生產(chǎn)出具有最小吸收率的氧化物層。

熔融涂層

蒸發(fā)示意圖（左右蒸發(fā)器）和支撐離子槍（中間）

磁控管濺射原理圖：氣體放電產(chǎn)生的離子被加速到目標(biāo)（頂部），并在其中產(chǎn)生涂層顆粒。

離子束濺射：來自沉積源（中間）的離子被加速到目標(biāo)（右）。濺射的顆粒在基板上凝結(jié)（頂部）。第二個離子源（左）協(xié)助該過程。

電介質(zhì)涂層

光學(xué)涂層的目的是改變光學(xué)表面的反射率。根據(jù)所使用的材料和物理現(xiàn)象，原則上可以區(qū)分金屬涂層和電介質(zhì)涂層。金屬涂層用于反射器和中性密度濾光片?？梢赃_(dá)到的反射率由金屬的特性決定。我們的目錄中介紹了一些光學(xué)應(yīng)用中最常見的金屬。

但是，介電涂層使用光學(xué)干涉來改變涂層表面的反射率。另一個主要區(qū)別是用于這種涂層的材料顯示出非常低的吸收率。使用光學(xué)干涉涂層，光學(xué)表面的反射率可以從接近零（抗反射涂層）到接近100％（R> 99.999％的低損耗反射鏡）變化。但是，這些反射率值僅在特定波長或波長范圍內(nèi)才能達(dá)到。

有關(guān)光學(xué)干涉涂層物理的更詳細(xì)的解釋，請參閱我們的目錄和第22頁上引用的文獻(xiàn)！

基本

單個介電層對表面反射率的影響如圖1所示。入射光束（a）在空氣層界面處分為透射光束（b）和反射光束（c）。透射光束（b）再次被分成反射光束（d）和透射光束（e）。反射光束（c）和（d）可能會干涉。

圖1：解釋高折射率材料（左）和低折射率材料（右）的四分之一波層的干涉效應(yīng)的示意圖

PW.之后 Baumeister“光學(xué)鍍膜技術(shù)”，SPIE新聞專著，PM 137，華盛頓，2004年

在圖1中，波長由反射光束的陰影表示。“光到光”或“黑到黑”的距離是波長。取決于反射光束之間的相位差，可能會發(fā)生相長或相消干涉。

兩種介質(zhì)之間的界面的反射率取決于介質(zhì)的折射率，入射角和光的偏振。通常，它由菲涅耳方程描述。

光束（c）和（d）之間的相位差由該層的光學(xué)厚度n·t（折射率n和幾何厚度t的乘積）給出。此外，必須考慮到，如果來自低折射率介質(zhì)的光在界面處被反射到高折射率介質(zhì)，則發(fā)生π的相跳，即半波。

防反射涂層

單個低折射率層可以用作簡單的增透膜。為此目的常用的材料是在VIS和NIR中折射率n = 1.38的氟化鎂。這種材料將熔融石英的單位表面反射率降低到R?1.8％，將藍(lán)寶石降低到幾乎為零。

可以為所有基板材料設(shè)計(jì)由2至3層組成的單波長增透膜，以將給定波長的反射率降低到幾乎為零。這些涂層特別用于激光物理學(xué)。也可以使用幾種波長或?qū)挷ㄩL范圍的增透膜，并由4至10層組成。

圖2：單波長AR涂層（“V涂層”）（a）和寬帶AR涂層（b）的示意性反射光譜

鏡子和部分反射鏡

最常見的反射鏡設(shè)計(jì)是所謂的四分之一波長堆疊，即，對于所需的波長，具有相等的光學(xué)厚度n·t =λ/ 4的高低折射率交替層的堆疊。這導(dǎo)致在層之間的每個界面處產(chǎn)生的反射光束的相長干涉。對于給定數(shù)量的層對，反射帶的光譜寬度和可獲得的反射率取決于層材料的折射率之比。較高的折射率比導(dǎo)致較寬的反射帶，而使用較低折射率比的材料可以產(chǎn)生較窄的反射帶。

圖3：四分之一波疊層的示意圖，由具有相同折射率的高折射率材料（灰色陰影）和低折射率材料（無陰影）的層組成（在[1]之后）（a），四分之一波堆棧的反射光譜由 15對Ta2O5 / SiO2和TiO2 / SiO2（b）

[1P.W. Baumeister“光學(xué)鍍膜技術(shù)”，SPIE新聞專著，PM 137，華盛頓，2004年

為了可視化不同折射率比率的影響，圖3b比較了由15對Ta2O5 / SiO2和TiO2 / SiO2組成的四分之一波長堆棧在800nm處的反射光譜（n1 / n2 = 2.1 / 1.46和2.35 / 1.46）。

假設(shè)理想的涂層吸收和散射損耗為零，則隨著層對數(shù)量的增加，理論反射率將接近R = 100％。也可以僅使用少量的層對來制造具有在R = 0％和R = 100％之間的幾個離散反射率值的部分反射器（請參見圖4）。將一些非四分之一波長層添加到此類堆?？梢詫⒎瓷渎蕛?yōu)化到任何所需的值。

圖4：800nm處由1、2、3、5、10和15層Ta2O5 / SiO2對構(gòu)成的四分之一波堆疊的反射率

圖4還顯示，層對數(shù)量的增加導(dǎo)致反射率帶的邊緣變陡。這對于邊緣濾鏡（即具有平滑邊帶的反射鏡）尤其重要。兩極陡峭的邊緣需要大量的層對，這又導(dǎo)致很高的反射率。*的反射率值需要非常低的光學(xué)損耗。這可以通過使用濺射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

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