Layertec 金屬/電介質/光學/激光應用涂層

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，使用鍍在玻璃上的錫箔和汞制作了在可見光譜范圍內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，當時Justus von Liebig發現可以使用硝酸銀和醛來制造銀薄膜。

用于精密光學和激光物理學的反射鏡是通過蒸發或濺射技術生產的。LAYERTEC使用磁控濺射技術來制造金屬涂層。這導致涂層具有極低的雜散光損耗。此外，還可以高精度地生產透明的，即非常薄的金屬涂層。有關我們的金屬鏡和中性密度濾鏡的詳細信息，請查閱我們的目錄。

有關銀鏡的更多信息，您還可以參考我們的fs應用銀鏡部分。

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通過磁控濺射產生保護層。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）的鏡子一樣穩定。也證明了在正常大氣中10年的壽命。

Ø必須使用保護層，因為未保護的銀化學上不穩定且柔軟

Ø請參閱我們目錄中的單獨數據表

金

Ø與NIR中與銀具有類似的反射率

Ø化學穩定但柔軟

Ø需要保護層使金鏡可以清潔

Ø我們建議使用受保護的銀鏡代替受保護的金，因為濺射的保護層克服了銀的不足，并且由于波長范圍更廣，反射率稍高且價格更優惠而成為更好的選擇。

Ø請參閱我們目錄中的單獨數據表

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建議使用保護層，因為鋁是柔軟的

Ø請參閱我們目錄中的單獨數據表

金屬介電涂層

通常，由金屬和介電層組成的所有層系統都可以稱為“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。這些濾光片的特點是由于金屬層的反射率和吸收率而導致很寬的阻擋范圍。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，大多數金屬必須用介電涂層保護，以克服化學（銀）或機械穩定性（鋁，銀，金）的限制。

更嚴格地說，幾乎所有金屬鏡都是金屬介電涂層。防護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行優化，如下圖所示。

受保護的銀鏡和金屬介電銀鏡的反射光譜，均針對在天文望遠鏡中使用的可見光譜范圍內的高反射率進行了優化。

激光應用涂層

近年來，基于摻Yb的晶體或纖維的激光器變得越來越重要。基于Yb：YAG以及摻Yb的光纖開發了高功率連續激光器。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轉向鏡（b）的反射光譜

輸出功率*（例如> 10kW cw）的激光器通常基于Yb：YAG。 LAYERTEC已開發出不同的涂料設計，以應對非凡的高通量。 設計針對連續輻射或ns脈沖或ps脈沖進行了優化。

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Yb的光纖）用作固態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熱和氣候穩定

*耶拿大學弗里德里希-席勒大學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

設計用于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來構建。這些激光使材料加工過程中不會產生不希望的熱效應，例如熔化，從而導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現高輸出功率的熱透鏡。最近，已經證明，基于Yb：YAG平板晶體，平均功率為400W（770fs，1MHz）的激光器是可能的。

皮秒激光光學器件需要特殊設計的光學器件才能達到較高的激光損傷閾值。 有關詳細信息，請參見此處。

對于通常用于ps范圍至幾百fs范圍內的脈沖壓縮的GTI反射鏡，請參見此處。

激光應用涂層

Ruby和Alexandrite激光特別適用于醫療激光應用，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器件，具有很高的激光誘導損傷閾值和長壽命。除了用于校準光學系統的典型波長組合（例如694nm + 633nm）以外，LAYERTEC產品的一個特殊功能是同一設備中醫療應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

轉向鏡

Ø反射率：對于隨機偏振光，AOI = 45°時R> 99.5％

Ø集成導頻激光束對準（例如在630 - 650nm）

Ø高損傷閾值（800 MW / cm2，35 ns脈沖長度）

圖2：694nm的轉向鏡與633nm處的導向激光組合的反射光譜（非偏振光）

合束器

Ø通過濺射技術精確調節反射率

Ø集成的引導激光束對準（例如635nm）

Ø具有特殊設計的高性能和成本優化解決方案

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均具有剩余反射率R <0.2％

激光應用涂層

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

激光的光學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。較復雜的激光器類型的涂層組合了多達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）。在大波長范圍內發射激光的情況下，需要寬帶反射鏡和為平滑群延遲和群延遲色散頻譜而優化的反射鏡。染料激光器，鈦藍寶石激光器，光學參量振蕩器（OPO）和飛秒激光器。

除了反射率和透射率之外，還必須優化激光應用的涂層，以降低光學損失和提高激光誘導的損傷閾值。

用于VIS和NIR的濺射光學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生的部分反射鏡的反射率與透射率之和遠高于99.9％。最近測得的濺射鍍膜和蒸發鍍膜在NIR中的吸收損失約為3–30ppm。蒸發的涂層在VIS–NIR區域顯示的雜散光損失約為10–3，而在UV和VUV中則高達10–2。然而，蒸發的涂層在紫外線下顯示出低的吸收損失。

cw和ns激光光學器件的損壞主要與熱效應有關，例如吸收增加–涂層材料的固有吸收或缺陷吸收–或導熱性差和涂層熔化溫度低。高功率涂料既需要控制涂料的固有性能，又需要減少涂層中的缺陷。皮秒和飛秒激光光學器件的激光損傷主要是由場強效應引起的。這些激光器的高功率涂層需要非常特殊的涂層設計。

根據ISO 11254-1標準（cw-LIDT和1 –LIDT上的1，即單脈沖LIDT），ISO 11254-2（S 1，即多脈沖LIDT），確定激光誘導損傷閾值（LIDT） ISO 11254-3（針對一定數量的脈沖的LIDT）要求激光系統以單模運行，精確的光束診斷以及在線和離線損壞檢測系統。這就是為什么只有數量有限的測量系統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，也無法提供經過認證的LIDT數據。

1對1 LIDT（即在樣品的1個位置上產生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化程序。 此外，“一對一”值與更實際的S-on-1-LIDT（在樣本的同一位置上給定數量的“ S”個脈沖的LIDT）直接相關，可以解釋為LIDT的上限。具有高重復率（約kHz）的激光系統需要使用LIDT值表示的壽命測試來測試大量脈沖。

測量設備的數量有限，實際應用中需要進行壽命測試，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站中。請注意，這些值無法與LIDT測量進行比較，因為此處給出的激光參數沒有損壞。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，我們認為有關光學器件成功運行參數的信息肯定會有助于決定使用LAYERTEC光學器件。但是，有時需要在客戶的激光系統上進行測試。LAYERTEC在客戶工廠為這種測試提供了很大的折扣。

光學涂層

光學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用。該頁面將概述LAYERTEC經常使用的三種主要涂層技術。

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

熱和電子束蒸發是生產光學涂層的常用技術。LAYERTEC主要將這些技術用于UV涂層。蒸發源安裝在蒸發室的底部。它們包含涂層材料，該涂層材料通過電子槍（電子束蒸發）或電阻加熱（熱蒸發）加熱。加熱方法取決于材料特性（例如熔點）和光學規格。

將基板安裝在蒸發室頂部的旋轉基板支架上。為了確保涂層的均勻性，必須旋轉基板。根據基材和涂層的不同，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，蒸發涂層的堆積密度相對較低，并且這些層通常包含微晶。這導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散到涂層中和從涂層中擴散出去。這導致反射帶的偏移量約為波長的1.5％。然而，蒸發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設備中。

濺鍍

通常，術語“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）。離子朝目標加速并與目標原子碰撞。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，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。將反應性氣體（例如氧氣）添加到氣體排放物中導致形成相應的化合物（例如氧化物）。

LAYERTEC已開發出用于光學鍍膜的磁控濺射技術，從實驗室技術到非常高效的工業流程，都能生產出具有出色性能的鍍膜，尤其是在VIS和NIR光譜范圍內。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

該技術使用單獨的離子源來生成離子。為了避免污染，現代IBS工廠使用了射頻源。在大多數情況下，反應氣體（氧氣）也由離子源提供。這導致顆粒更好的反應性和更緊密的層。

磁控濺射和離子束濺射之間的主要區別在于，離子產生，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，因此濺射層表現出：

Ø無定形微觀結構

Ø高包裝密度（接近散裝材料）

結果是：

Ø雜散光損耗低

Ø光學參數的高熱和氣候穩定性

Ø較高的激光誘導損傷閾值

Ø高機械穩定性

無需外部加熱即可生產出具有最小吸收率的氧化物層。

熔融涂層

蒸發示意圖（左右蒸發器）和支撐離子槍（中間）

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

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

電介質涂層

光學涂層的目的是改變光學表面的反射率。根據所使用的材料和物理現象，原則上可以區分金屬涂層和電介質涂層。金屬涂層用于反射器和中性密度濾光片。可以達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應用中最常見的金屬。

但是，介電涂層使用光學干涉來改變涂層表面的反射率。另一個主要區別是用于這種涂層的材料顯示出非常低的吸收率。使用光學干涉涂層，光學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才能達到。

有關光學干涉涂層物理的更詳細的解釋，請參閱我們的目錄和第22頁上引用的文獻！

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的示意圖

PW.之后 Baumeister“光學鍍膜技術”，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，可能會發生相長或相消干涉。

兩種介質之間的界面的反射率取決于介質的折射率，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的光在界面處被反射到高折射率介質，則發生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％，將藍寶石降低到幾乎為零。

可以為所有基板材料設計由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。也可以使用幾種波長或寬波長范圍的增透膜，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

最常見的反射鏡設計是所謂的四分之一波長堆疊，即，對于所需的波長，具有相等的光學厚度n·t =λ/ 4的高低折射率交替層的堆疊。這導致在層之間的每個界面處產生的反射光束的相長干涉。對于給定數量的層對，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。較高的折射率比導致較寬的反射帶，而使用較低折射率比的材料可以產生較窄的反射帶。

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“光學鍍膜技術”，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）。

假設理想的涂層吸收和散射損耗為零，則隨著層對數量的增加，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棧可以將反射率優化到任何所需的值。

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

圖4還顯示，層對數量的增加導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，這又導致很高的反射率。*的反射率值需要非常低的光學損耗。這可以通過使用濺射技術來實現。

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