光學鍍膜簡介

雷射資源指南第11.1，11.2 及 11.7部份。

光學鍍膜用於增強光學元件的穿透、反射或偏振屬性。例如未鍍膜玻璃元件的各個表面，將反射約 4% 的入射光。其中可使用抗反射鍍膜，將各個表面的反射率降低至 0.1% 以下，也可以使用高度反射的電介質鍍膜，將反射率提升至 99.99% 以上。光學鍍膜由薄層材料組成，例如氧化物、金屬或稀土材料。光學鍍膜效能取決於層數及其厚度，以及各層之間的折射指數差異。本節探討光學鍍膜理論、不同類型的常見鍍膜，以及鍍膜製造方法。

薄膜光學鍍膜一般是以沉積電介質及金屬材料的方式產生，例如以五氧化二鉭 (Ta₂O₅), 氧化鋁 (Al₂O₃), 或二氧化鉿 (HfO₂), 交錯的薄層。為了最大化或最小化干涉效果，鍍膜一般為應用使用光線波長的 λ/4 光學厚度 (QWOT) 或 λ/2 光學厚度 (HWOT)。這類薄膜層交錯提供高低折射指數，藉此產生所需的干涉效果 (圖 1).

圖 1: 在三層寬頻抗反射 (BBAR) 鍍膜中，正確選擇 λ/4 及 λ/2的鍍膜厚度，可產生高穿透及低反射損耗

光學鍍膜可在特定入射角及偏振條件下提升光學元件效能。如果在有別於設計的不同入射角或偏振條件下使用鍍膜，將造成效能大幅退化。入射角及偏振在偏離情形夠大的情況下，將造成完全喪失鍍膜功能。

光學鍍膜理論

必須瞭解折射與反射的菲涅耳方程式，才能理解光學鍍膜。折射是指波通過光學介質前往另一個光學介質時，其傳播方向的變化，由司乃耳折射定律決定:

(1)$$ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 $$

n₁ 是入射介質的折射率， θ₁ 是光線入射角， n₂ 是輸出介質率，而 θ₂ 則是折射/反射光線角度 (圖 2)。

$Figure 2: Light moving from a low index medium to a high index medium, resulting in the light refracting towards the interface normal$

圖 2: 光由低折射介質移往高折射介質，會造成光折射朝向介面法線

以不同折射指數平面平行表面組成的多層薄膜鍍膜，可利用司乃耳定律找出其中任何位置的光線角度。薄膜中的光線內部角度不受堆疊的薄膜順序或位置影響，因為司乃耳定律適用於每個介面 (圖 3):

(2)$$ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 = n_3 \sin \theta_3 = n_4 \sin \theta_4 $$

$Figure 3: The refracted angle of a ray at any layer in a multilayer thin film coating consisting of plane parallel surfaces is independent of the layer order and can be found using Snell's law$

圖 3: 以平面平行表面組成的多層薄膜鍍膜，可利用司乃耳定律找出其中任何層的光線折射角度，並且不受層順序影響

圖 3 的出射光將與入射光平行，原因為 n₁ = n₄。曲面表面的光學鍍膜，由於光學元件曲率的緣故，並不是真正的平面平行結構。不過由於鍍膜非常薄，因此這樣接近的程度仍然有效。¹

反射定律指出，反射光角度就表面法線而言，與入射角振幅相同，但方向相反。

(3)$$ \theta_1 = -\theta_2 $$

若光線通過介質前往另一個折射率較低的介質，且其入射角大於兩個折射率比率定義的材料臨界角 (θ_C)，就會發生全反射，讓光線完全反射 (圖 4)。入射角剛好等於臨界角時，折射角會等於 90°。²

(4)$$ θ_C=sin ^{-1} \left({n_2 \over n_1}\right)$$

圖 4: 顯示全反射 (TIR)，其中入射角大於 Θ_c

在兩個光學介質之間介面的穿透及反射振幅係數，是由穿透及反射的菲涅耳公式決定：³

(5)$$ t_s = \frac {2n_1 \cos \theta_1}{n_1 \cos \theta_1 + n_2 \cos \theta_2} $$

(6)$$ r_s = \frac {n_1 \cos \theta_1 - n_2 \cos \theta_2}{n_1 \cos \theta_1 + n_2 \cos \theta_2} $$

(7)$$ t_p = \frac {2n_1 \cos \theta_1}{n_1 \cos \theta_2 + n_2 \cos \theta_1} $$

(8)$$ r_p = \frac {n_1 \cos \theta_2 - n_2 \cos \theta_1}{n_1 \cos \theta_2 + n_2 \cos \theta_1} $$

其中 t_s 及 t_p 偏振及 p 偏振的振幅穿透係數，r_s 及 r_p 為 s 偏振及p 偏振的振幅反射係數，n₁ 及 n₂ 為兩個光學介質的折射率， θ₁ 為入射角，而 θ₂ 為穿透或反射角。在法線入射情況下，θ₁ 及 θ₂ 為 0，讓兩種偏振狀態的所有餘弦條件 1 及振幅係數均相同。這樣就可直覺判斷s 偏振與 p 偏振在法線入射時並無區別。

Reflection occurs when light strikes electrons on the surface of the material it is entering. The electrons absorb and re-emit the light with some energy loss. Shiny, highly reflective mirrored materials have more electrons with free mobility, leading to maximum reflection and minimal transmission.

Coating Technologies

目前有多種物理蒸發沉積技術常用於塗佈光學鍍膜，包括離子輔助電子束蒸發沉積、離子束濺鍍、進階電漿沉積，以及電漿輔助反應式磁控濺鍍 (表 1)。沒有任何一種鍍膜技術可作為所有應用的理想選擇，因為每項技術都有各自的獨特優勢，最適合特定及重疊的使用案例。

	E-Beam IAD	APS	PARMS	IBS
光譜效能	穩定	穩定	穩定	非常穩定
鍍膜應力	低中	中高	中高	高
可重複性	中高	高	高	非常高
層密度	中高	高	高	非常高
層平滑度	中高	高	高	非常高
製程時間	快速	中等	緩慢至中等	緩慢
紫外線能力	高	中高	Medium	Low-Medium
基材幾何形狀	非常多元	多元	有限	有限
相對價格	$	$$	$$	$$$

表 1: 常見鍍膜技術的關鍵參數顯示，適合特定情況的理想鍍膜技術與應用具有高度相關性（ E-Beam IAD：離子輔助電子束蒸發沉積、IBS：離子束濺鍍、APS：進階電漿沉積，以及 PARMS：電漿輔助反應式磁控濺鍍）

離子輔助電子束蒸發沉積

離子輔助電子束 (IAD e-beam) 蒸發沉積是一種鍍膜技術，其中會以電子槍在真空室中射擊和蒸發來源材料。產生的蒸氣會在光學表面冷凝，形成特定設計厚度的均勻低應力層。IAD e-beam 鍍膜在紫外線(UV) 光譜的損耗低，在近紅外線 (NIR) 光譜則具備高雷射誘發損傷閾值 (LIDT)。這種技術在鍍膜設計方面也比其他方法更具彈性，因為可用材料的範圍最大。IAD e-beam 蒸發沉積機器製作鍍膜的成本也低於其他方法，並可容納更大尺寸的鍍膜室。如果您對彈性及成本的需求更甚於高效能，這項鍍膜技術就是理想選擇。視確切使用的離子源而定，此項技術產生的鍍膜可能會出現低密度、有限平滑度及反射率，以及低重複性等情況。因此相較於離子束或磁控濺鍍技術，本技術比較不容易精準控制層厚度。有鑑於此，IAD e-beam 蒸發沉積無法產生極低或極高反射率鍍膜。

離子束濺鍍

離子束濺鍍 (IBS) 是具有高度重複性的鍍膜技術，可產生光學品質及穩定度非常高的鍍膜。在進行 IBS 的過程中，會以高能量離子束射擊欲鍍膜材料的目標，讓目標原子「噴濺」離開目標 (圖 5)。目標原子會產生大量動能（~10 至 100 eV），讓原子在光學元件表面形成密集、堅硬及平滑的薄膜。7 IBS 的主要優點之一就是能夠精準監控及控制各項參數，包括層成長率、氧化程度及能量輸入，產生具有高度重複性的鍍膜。高速基材旋轉也有助於實現高度準確的層厚度，讓IBS 能夠建立符合最嚴苛要求的光學鍍膜，其中包括反射率 99.9% 以上的超低損耗反射鏡、適用於超快雷射應用的啁啾反射鏡，以及光譜轉移非常急遽的濾光片。IBS 鍍膜效能受溫濕度等環境因素的影響程度，低於其他的鍍膜技術。不過 IBS 鍍膜有多項缺點，包括較高應力以及紫外線光譜損耗。此外較為緩慢的成長率及較小的鍍膜腔，也讓這種技術的相對成本遠高於其他鍍膜方法。

Figure 5: During ion beam sputtering (IBS), a strong electric field accelerates ions from an ion gun onto the target, which releases more ions that deposit a dense thin film coating on the rotating substrates

圖 5:IBS 是可高度控制的製程，其中利用高能量離子槍，讓材料從目標噴濺到旋轉中的基材，產生非常精準及可重複的光學鍍膜

進階電漿濺鍍

進階電漿濺鍍 (APS) 是修改的 IAD e-beam 蒸發沉積版本，受益於各種進階自動化加工功能。APS 利用熱陰極 DC 輝光放電電漿取代離子束用於沉積鍍膜材料。電漿會充填整個鍍膜室，釋放目標離子，並將其沉積於光學表面。APS 可產生平滑、密集和堅硬的鍍膜，提供比IAD e-beam 更穩定的光學屬性，同時維持 IAD e-beam 高度多元的功能。APS 也能以類似 IAD e-beam 蒸發沉積的價格結構大量沉積鍍膜，對於效能需求略為嚴苛的大量鍍膜而言，是最理想的選擇。不過 APS的應力較高、在紫外線光譜的損耗較多，並且需要反覆的製程開發，因此成本略高於 IAD e-beam 蒸發沉積技術。就許多層面而言，APS與磁控濺鍍技術可視為許多參數的中間解決方案，介於 IAD-beam 蒸發沉積和 IBS 之間。

電漿輔助反應式磁控濺鍍

電漿輔助反應式磁控濺鍍 (PARMS) 是另一種以電漿產生為基礎的鍍膜技術。其中會和 APS 一樣產生輝光放電電漿，不過會以磁場將其「限制」在目標附近，而不是充填整個鍍膜室。電漿可加速讓正離子落在目標上，放出目標原子沉積在光學表面上。由於電漿受到限制，PARMS 是在相當低的鍍膜室壓力及高效率情況下運作。這樣的低壓可縮短設定時間，並能以更具經濟效益的方式鍍膜大量光學元件。PARMS 形成的薄膜鍍膜既堅硬又密集，原因是其中添加了反應氣體，可強化鍍膜的化學計量。PARMS 具備高度重複性，但並不像 IBS一樣高。不過 PARMS 的光通量較高，因此在高價格高效能的 IBS，以及 IAD e-beam 蒸發沉積等經濟實惠的鍍膜技術之間，成為具吸引力的中間解決方案。

Edmund Optics® 光學鍍膜能力

參考資料

Willey, Ronald R. Field Guide to Optical Thin Films. SPIE Optical Engineering Press, 2006.
Greivenkamp, John E. Field Guide to Geometrical Optics. SPIE Optical Engineering Press, 2004.
Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
Vandendriessche, Stefaan. “No One-Size-Fits-All Approach to Optical Coatings.” Photonics Spectra, Photonics Media, December 2016.
“IBS Mirror Coatings for Highly Demanding Applications.” Photonics News, Laser Components Group, August 2016, www.lasercomponents.com/uk/news/ibs-mirror-coatings-for-highly-demanding-applications

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