光學鍍膜技術和裝備

光學薄膜是現代光學和光電系統最重要的組成部分，在光通信、光學顯示、激光加工、激光核聚變等高科技及產業領域已經成為核心元器件，其技術突破常常成為現代光學及光電系統加速發展的主因。

光學薄膜的技術性能和可靠性，直接影響到應用系統的性能、可靠性及成本。如圖1是光通訊技術中使用窄帶濾光片調製不同的通訊通道示意圖。圖 2是激光核聚變系統中大量使用到的薄膜元器件。

圖1 光通訊系統中通過WDM濾光片系統調控不同波長示意圖

圖2 美國NIF高功率激光系統中的光學結構示意圖，其中大量使用到傳輸鏡、偏振膜等光學薄膜元器件

隨著行業的不斷發展，精密光學系統對光學薄膜的光譜控制能力和精度要求越來越高，而消費電子對光學薄膜器件的需求更強調超大的量產規模和普通大眾的易用和舒適性。

主要技術和裝備進展

光學鍍膜技術在過去幾十年實現了長足的進展，從舟蒸發、電子束熱蒸發及其離子束輔助沉積技術發展到離子束濺射和磁控濺射技術。近年來在這些沉積技術和裝備領域的主要技術進展包括：

1間歇式直接光控(intermittent measuring method)

間歇式直接光控(intermittent measuring method)：以Leybold Optics公司的OMS5000系統為代表，光學鍍膜過程中越來越多地使用間歇式信號採集系統，對鍍膜過程產品片實現直接監控。相對於間接光控和晶控系統，間歇式直接光控系統有利於降低實際產品上的薄膜厚度分佈誤差，可以進一步提高產品良率並減少了工藝調試時間。

圖3 Leybold Optics 公司OMS5000的間歇式直接光控系統

2漸變折射率結構薄膜技術與裝備(Rguate filter and Coater)

漸變折射率結構薄膜技術與裝備(Rguate filter and Coater):已經有大量研究工作已經證實Rugate無界面型薄膜結構和准Rugate多種折射率薄膜結構通過加強調製折射率在薄膜厚度方向上分佈，能設計出非常複雜的光譜性能，(部分)消除了薄膜界面特徵，(部分)消除界面效應，如電磁波在界面上比薄膜內部更高密度的吸收中心和散射，也可以增加了薄膜力學穩定性。

漢諾威激光工程中心的數據顯示(圖4)，(准)Rugate薄膜結構與傳統的高低折射率光學薄膜結構相比，可以具有更高的抗激光損傷閾值。如Rugate Filter 設計，其1064 nm 10 ns 1000發零損傷幾率可以做到100 J/cm2以上。

圖4 高低折射率結構和(准)Rugate薄膜結構的抗激光損傷閾值對比測試結果

圖5所示為德國CEC公司開發的靶面掃描共濺系統。通過在離子束濺射鍍膜過程中，精確掃描兩種材料拼接而成的混合濺射靶，可以實現折射率的漸變結構，高精度製備(准)Rugate複合薄膜結構的光學薄膜，獲得比高低折射率薄膜結構更複雜的光譜性能和更優異的附著力、應力等物理性能。

圖5德國CEC公司靶面掃描共濺系統

3磁控濺射光學鍍膜系統(Magnetron Sputtering)

以Leybold Helios和Shincron RAS為代表，磁控濺射技術及裝備在精密光學領域和消費光電子薄膜領域佔據越來越大的份額。磁控濺射薄膜沉積過程式控制制簡單，粒子能量高，獲得的薄膜結構緻密穩定。

圖6是Helios的基本結構和原理，其採用非常緊湊的板式開合結構，真空室空間利用率非常高，整體結構也非常緊湊。其採用平面雙靶磁控濺射陰極和等離子體源共同實現化合物薄膜的快速沉積過程，可以用於介質干涉濾光片(氧化物、氮化物)、共濺射(摻雜，混合折射率薄膜)、金屬膜 (Cr,Ag,Al…)及金屬介質干涉濾光片。其裝卡系統可以實現真空室處於真空狀態下快速進出產品，為整個系統的穩定性奠定了重要基礎。總的來說，該設備非常適合應用於中小批量的精密光學元件鍍膜。

圖6 LeyboldOpitcs Helios磁控濺射光學鍍膜系統(上)，基本結構與原理圖(下)

展望

我國的光學和光電子行業在產能擴充和技術更替中需要大量的中高端光學鍍膜機。而相關元器件研發過程中，及時的工藝創新和相應的裝備支持也是整個行業技術創新的基石和可持續發展的基本戰略。

我國已在精密機械、真空技術、光電子技術和光機電自動化控制等領域開展了大量的研究工作，獲得了長足的技術進步，並形成了完善的產業集群，這些是研製高端光學薄膜裝備的重要基礎。

如果光學鍍膜裝備領域能牽引光機電、真空機械、薄膜工藝等領域的協同創新，共同研製出屬於我們自己的高端光學鍍膜機，將進一步加速我國光學和光電子行業的發展。因此，也建議該領域能得到國家和地方更多的重視與投入。