电介质涂层

2021-02-23 14:36:37 浏览:531

定义

由透明电介质材料制作的薄膜涂层,例如,激光反射镜涂层或者抗反射涂层。

电介质涂层也称为薄膜涂层或者干涉涂层,包含很薄的透明电介质材料层(其典型厚度为亚微米),电介质涂层需要涂覆在衬底材料上。电介质涂层的功能是利用多个光学界面处反射光的干涉效应改变表面的反射性质。它们可用作高反射率的激光反射镜、部分透射的输出耦合器、二向色性反射镜(对于不同波长表现不同)、抗反射涂层、各种光学滤波器(例如,用来衰减特定波长区域的光)、分束器、热反射器、太阳能电池罩和薄膜偏振片。单层涂层通常用作抗反射涂层,而电介质反射镜通常需要很多层(有时大于100层)。一种典型的反射镜为简单的布拉格反射镜,当然还有很多非常复杂的发射镜设计。

一般电介质涂层都是包含多层具有不同折射率的涂层。也有的渐变折射率涂层可用到梳状滤波器中,其中折射率是连续变化的。这可以通过在材料生长过程中逐渐改变其化学组分来得到。

大多数情况下,涂层衬底会选用某种玻璃,选取的玻璃通常具有很大的透明范围和很高的光学质量(气泡很少),平滑的表面(抛光后获得)以及很高的耐用性。电介质涂层也可以涂覆在晶体材料上,例如,在非线性晶体中涂覆抗反射涂层用于非线性频率转换和普克尔斯盒,或者涂覆在半导体器件(例如边发射激光二极管、垂直腔表面发射激光器和光电二极管)上。另一个非常重要的领域是在聚合物(塑料材料)上制备电介质涂层,塑料光学的应用越来越广泛,主要是由于其在价格以及制备非球表面等方面的优势。

电介质涂层的材料性质与制备方法(如下所述)和制备参数(例如,衬底温度或各组分的分压)密切相关。与普通的具有相同化学组分的体材料相比,薄膜层的密度和折射率更小。如需将电介质涂层制备在特定的镀膜机器上,需要知道机器在镀膜情况下的折射率值,因为不同情况下该值会有较大的差别。

制备过程和材料选择

这部分主要是针对在玻璃或晶体材料上镀膜的情况,当然也有一些内容适用于聚合物的情况。制备电介质反射镜通常需要用到以下技术中的一种:

1、电子束沉积通常是采用热灯丝产生电子书来加热坩埚,使坩埚中的材料蒸发,然后再采用磁场使其会聚。在真空容器中,蒸发的材料向衬底移动,当材料沉积的量足够时马上在衬底上覆盖机械快门。加热目标衬底可以提高镀膜质量。对于普通的涂层材料来说,得到的薄层通常具有多个孔,因此会降低其密度以及折射率。由于水可能充满孔洞,而温度升高后水会挥发,所以涂层的光学性质随温度的变化变大。这是截止滤波器设计时面临的一个很大的问题。

2、另一个类似的蒸镀方法是通过电阻丝加热坩埚。

3、离子辅助沉积(IAD)工作原理类似于电子束蒸镀方法,但是需要采用一束额外的离子束(包含氧离子或氩离子)入射到目标衬底上。离子具有相对高的能量可以使沉积的材料重新排序,即使不加热衬底也可以得到密度更大的涂层。这种方法非常适宜于氧涂层(例如,SiO2或TiO2),与IBS方法制备的涂层具有类似的质量。但是,IAD不适用于氟化物材料,因为该材料易于分离。

4、离子束溅射(IBS)采用第二个灯丝使离子中和,然后射向金属或金属氧化物目标物使材料溅射到衬底上。离子的通量和能量可精确独立的控制。IBS方法可以得到相当均匀、无孔的涂层,并且具有良好的附着性,很低的表面粗糙度(可能小于1 Å),可重复性强。但是,制备过程花费时间长,需要昂贵的设备和材料,并且与其它方法相比,这种方法比较不灵活。

5、等离子体增强反应溅射(APRS)是需要溅射薄金属涂层,而后涂层在一个单独的容器中氧等离子体区域被氧化。对于不同的涂层材料需采用单独的磁控管源。APRS可得到同时具有高精度和高密度的涂层(与IBS类似),并且速度快(与蒸镀技术可比拟)。

在以上任意一种技术中,开始都需要使用各向同向衬底材料,例如BK7玻璃,熔融石英或者CaF2。常见的涂层材料为氧化物,例如SiO2、TiO2、Al2O3和Ta2O5,或氟化物,例如MgF2、LaF3和AlF3。得到的涂层通常是无定形的,其密度通常与体材料差10%以上(与制备技术有关)。电子束沉积得到的密度更小,因此折射率也更小。这种多孔涂层具有微洞,可以填充水暴露在潮湿的空气中;实际上,涂层的折射率和其全部性质都与湿度有关。离子辅助沉积方法,尤其是离子束溅射方法可以得到更高的密度,湿度对其影响也更小。涂层的光学损伤阈值也与制备方法有关。

高折射率差的材料可以用在高反射率的反射镜中,尤其是需要很大反射带宽的情况下。但是,选择的材料也必须要保证可以得到很高的光学质量以及在制定的环境条件下能够具有很高的稳定性(主要是指激光波长和强度,工作温度,湿度等)。

在选择制备方法时需要考虑一下几点:

1、给定涂层材料的适用性
2、涂层厚度能达到的精度(若生长时采用实时自动控制可以提高)
3、沉积层的光学质量(会影响散射损耗等)
4、涂层能够经受高光强的能力
5、在很大区域内层厚度的均匀性
6、折射率的一致性(可重复性)和稳定性
7、所需的衬底温度
8、生长所需的时间

例如,采用离子辅助沉积方法得到的TiO2涂层更加紧凑和更加稳定均匀,并且与电子束蒸镀相比,折射率更高,但是电子束蒸镀方法更加快速。原因主要是TiO2更倾向于在低密度的纳米结构中生长,如果辐照高能粒子时则会破坏该过程而压紧该材料。

生长过程中实时控制在需要得到精确控制的薄层厚度时非常必要。它主要是利用在生长过程中的光反射和透射性质来控制生长层的厚度,因此在恰当的时间生长过程可以立刻停止。遇到的一个问题是生长时的温度与涂层需要工作的温度通常有很大差别,而我们又不能得到折射率随温度变化的准确关系。

除了基本的制备方法外,生长过程参数(例如,衬底温度和生长速度)对于涂层质量也非常重要。而这些细节则是生产商涉及所有权的机密资料。

不同应用对衬底材料的要求不同。若用作高反射镜时,需要考虑表面粗糙度和热膨胀系数(理想情况下与涂层材料本身类似),还有热导率。(用在高功率激光器中时,涂层的吸收效应会使反射镜表面隆起,引起热透镜效应。)对于部分透射的反射镜来说(例如,用做激光器的输出耦合器,或者二色性反射镜),需要很高的光学质量并且需要其衬底在相关波长范围内具有很高的透明度。其背面需要采用抗反射涂层。

对于激光器晶体上的抗反射涂层来说,尤其是具有各向异性热膨胀系数的非线性晶体,还有具有衬底的曲率半径很小或者光学器件需要暴露在一些化学品中时,很难得到非常稳定的涂层。光学损伤(通常发生在微小的缺陷处)对于工作在高光强情况下的器件也是一个严重的问题。

电介质反射镜也可以由结晶半导体材料制备得到,采用分子数外延(MBE)或者金属有机气相沉积(MOCVD)方法生长。这种反射镜通常为一些更大结构器件的一部分,例如垂直腔表面发射激光器。

电介质反射镜词条中详细解释了电介质涂层的光学性质如何计算,该结果在设计结构时非常重要。

参考文献

[1] J. R. McNeil et al., “Ion-assisted deposition of optical thin films: low energy vs. high energy bombardment”
[2] H. Sankur and R. L. Hall, “Thin-film deposition by laser-assisted evaporation”
[3] P. J. Martin, “Ion-based methods for optical thin film deposition”, J. Mat. Science 21 (1), 1 (1986)
[4] H. A. MacLeod, Thin-Film Optical Filters, Adam Hilger Ltd., Bristol (1986)
[5] A. Thelen, Design of Optical Interference Coatings, McGraw–Hill (1989)
[6] N. Kaiser (ed.), Optical Interference Coatings, Springer, Berlin (2003)

参阅:电介质反射镜、二色性反射镜、抗反射涂层、梳状滤波器、分束器、薄膜偏振片

光学器件

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