Layertec 金属/电介质/光学/激光应用涂层

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金属涂层

金属是镜子制造中常见的材料。抛光金属，特别是金，铜和青铜，在古代世界已被用作镜子。在中世纪，使用镀在玻璃上的锡箔和汞制作了在可见光谱范围内反射率相对恒定的镜子。玻璃上的薄膜金属涂层的时代始于19世纪，当时Justus von Liebig发现可以使用硝酸银和醛来制造银薄膜。

用于精密光学和激光物理学的反射镜是通过蒸发或溅射技术生产的。LAYERTEC使用磁控溅射技术来制造金属涂层。这导致涂层具有极低的杂散光损耗。此外，还可以高精度地生产透明的，即非常薄的金属涂层。有关我们的金属镜和中性密度滤镜的详细信息，请查阅我们的目录。

有关银镜的更多信息，您还可以参考我们的fs应用银镜部分。

下图概述了常见金属的反射率。

不同金属的反射率

使用提示

在下文中，我们对这些金属的使用以及防护涂层的作用提供了一些提示：

银

ØVIS和NIR中的最高反射率

ØLAYERTEC通过磁控溅射产生保护层。这些具有非常高的填充密度的层使得银镜像其它金属（例如铝）的镜子一样稳定。也证明了在正常大气中10年的寿命。

Ø必须使用保护层，因为未保护的银化学上不稳定且柔软

Ø请参阅我们目录中的单独数据表

金

Ø与NIR中与银具有类似的反射率

Ø化学稳定但柔软

Ø需要保护层使金镜可以清洁

Ø我们建议使用受保护的银镜代替受保护的金，因为溅射的保护层克服了银的不足，并且由于波长范围更广，反射率稍高且价格更优惠而成为更好的选择。

Ø请参阅我们目录中的单独数据表

铝

ØVIS和NIR的反射率较高且恒定

Ø最高的紫外线反射率

Ø表面氧化层在深紫外线中吸收

Ø建议使用保护层，因为铝是柔软的

Ø请参阅我们目录中的单独数据表

金属介电涂层

通常，由金属和介电层组成的所有层系统都可以称为“金属介电涂层”。最熟悉的是由介电层隔开的透明金属层组成的金属介电滤波器。这些滤光片的特点是由于金属层的反射率和吸收率而导致很宽的阻挡范围。传输带的光谱位置取决于介电间隔层的光学厚度。

在但是，在此我们要引起读者对金属介电反射器的注意。金属和金属涂层显示出极宽的自然反射率，但是，其在UV光谱范围（铝）中限制为大约90％，在VIS（银）中限制为96％，在NIR（金和银）中限制为99％。而且，大多数金属必须用介电涂层保护，以克服化学（银）或机械稳定性（铝，银，金）的限制。

更严格地说，几乎所有金属镜都是金属介电涂层。防护涂层始终会影响金属的反射率。任何厚度的单个介电层都会降低光谱大部分部分的反射率。但是，金属上的多层涂层可以提高金属涂层的反射率。反射率的带宽也可以针对非常宽的光谱范围进行优化，如下图所示。

受保护的银镜和金属介电银镜的反射光谱，均针对在天文望远镜中使用的可见光谱范围内的高反射率进行了优化。

激光应用涂层

近年来，基于掺Yb的晶体或纤维的激光器变得越来越重要。基于Yb：YAG以及掺Yb的光纤开发了高功率连续激光器。Yb：YAG和Yb：KGW激光器也可以用作高功率ns，ps或fs激光器。

反射镜

图1：HR腔镜（a）和HR转向镜（b）的反射光谱

输出功率*（例如> 10kW cw）的激光器通常基于Yb：YAG。 LAYERTEC已开发出不同的涂料设计，以应对非凡的高通量。 设计针对连续辐射或ns脉冲或ps脉冲进行了优化。

短波通滤光片

图2：陡边短波通滤光片的透射光谱

HR（0°，1030nm）> 99.9％，HT（0°，808-980nm）> 99.5％（后侧AR涂层）

特殊功能

Ø边缘很陡的短波长通过滤光片，用作掺有Yb的材料（例如Yb：YAG，Yb：KGW，掺Yb的光纤）用作固态激光器的泵浦反射镜

Ø对于Nd掺杂和Yb-Nd共掺杂的材料也很有用

Ø在808nm–990nm处的透射率T> 99％，在1030nm处的反射率R> 99.9％，即在4％的激光波长范围内从高透射率范围过渡到高反射率范围

Ø*的激光损伤阈值（100 MW / cm2 cw at 1064nm *）

Ø热和气候稳定

*耶拿大学弗里德里希-席勒大学物理研究所用高功率光纤激光器测量

长波通滤光片

图3：HR（0，915 – 980 nm）> 99.8％的陡边长波通滤光片的透射光谱

HT（0°，1030 – 1200 nm）> 97％，用作光纤激光器的输出镜（背面镀AR）

图4：阻挡二极管辐射的光纤激光器的输出镜的反射光谱在980nm处具有1030-1100nm的部分反射率R = 10％

长波通滤光片的陡峭边缘也可以与在激光辐射的波长范围内定义的部分反射率组合。

薄膜偏振片

图5：薄膜偏振片的S偏振和P偏振光的反射光谱

设计用于ps脉冲的高激光损伤阈值（AOI = 55°）

薄膜偏振片是ns激光和ps激光中的再生放大器的关键元件。

基于Yb掺杂材料的皮秒激光器

皮秒激光器，即具有几百个fs到10ps的脉冲长度的激光器，可以基于Yb：YAG-，Yb：KGW-和Yb：KYW来构建。这些激光使材料加工过程中不会产生不希望的热效应，例如熔化，从而导致了之前没有的加工精度。此外，皮秒激光器不需要require脉冲放大，与fs激光器相比，它降低了成本，并且激光晶体没有显示可实现高输出功率的热透镜。最近，已经证明，基于Yb：YAG平板晶体，平均功率为400W（770fs，1MHz）的激光器是可能的。

皮秒激光光学器件需要特殊设计的光学器件才能达到较高的激光损伤阈值。 有关详细信息，请参见此处。

对于通常用于ps范围至几百fs范围内的脉冲压缩的GTI反射镜，请参见此处。

激光应用涂层

Ruby和Alexandrite激光特别适用于医疗激光应用，工作频率分别为694nm和755nm。 LAYERTEC为两种波长提供广泛的激光光学器件，具有很高的激光诱导损伤阈值和长寿命。除了用于校准光学系统的典型波长组合（例如694nm + 633nm）以外，LAYERTEC产品的一个特殊功能是同一设备中医疗应用中使用的其他常见波长的多种组合，但来自不同的激光源（例如532nm） + 694nm）。

腔镜

Ø反射率：使用蒸发和溅射在AOI = 0°时R> 99.8 ... R> 99.9％

Ø高损伤阈值（800 MW / cm2，35ns脉冲长度）

图1：694nm（a）和755nm（b）的腔镜的反射光谱

转向镜

Ø反射率：对于随机偏振光，AOI = 45°时R> 99.5％

Ø集成导频激光束对准（例如在630 - 650nm）

Ø高损伤阈值（800 MW / cm2，35 ns脉冲长度）

图2：694nm的转向镜与633nm处的导向激光组合的反射光谱（非偏振光）

合束器

Ø通过溅射技术精确调节反射率

Ø集成的引导激光束对准（例如635nm）

Ø具有特殊设计的高性能和成本优化解决方案

图3：特殊光束组合器在694nm和633nm处的反射光谱：

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

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

输出耦合器和透镜

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

Ø反射率精确调整的输出耦合器

ØAR涂层在输出耦合器的背面以及熔融石英制成的透镜和窗户的两侧均具有剩余反射率R <0.2％

激光应用涂层

LAYERTEC专门从事激光应用光学器件的生产，其波长范围从VUV（157nm及以下）到NIR（〜4μm）。

激光的光学涂层最常见的类型是高反射镜（对于法向入射，作为谐振镜，对于AOI = 45°作为转向镜），对于输出耦合器和分束器的部分反射镜，以及用于窗户和透镜的抗反射涂层。较复杂的激光器类型的涂层组合了多达三个高反射率的波长范围（例如，对于激光波长和谐波）和多达三个具有高透射率的波长范围（例如，对于泵浦波长，谐波或用于抑制其他激光线）。在大波长范围内发射激光的情况下，需要宽带反射镜和为平滑群延迟和群延迟色散频谱而优化的反射镜。染料激光器，钛蓝宝石激光器，光学参量振荡器（OPO）和飞秒激光器。

除了反射率和透射率之外，还必须优化激光应用的涂层，以降低光学损失和提高激光诱导的损伤阈值。

用于VIS和NIR的溅射光学镀膜具有极低的杂散光和吸收损耗（均为10–5左右）。 HR镜的反射率或磁控溅射产生的部分反射镜的反射率与透射率之和远高于99.9％。最近测得的溅射镀膜和蒸发镀膜在NIR中的吸收损失约为3–30ppm。蒸发的涂层在VIS–NIR区域显示的杂散光损失约为10–3，而在UV和VUV中则高达10–2。然而，蒸发的涂层在紫外线下显示出低的吸收损失。

cw和ns激光光学器件的损坏主要与热效应有关，例如吸收增加–涂层材料的固有吸收或缺陷吸收–或导热性差和涂层熔化温度低。高功率涂料既需要控制涂料的固有性能，又需要减少涂层中的缺陷。皮秒和飞秒激光光学器件的激光损伤主要是由场强效应引起的。这些激光器的高功率涂层需要非常特殊的涂层设计。

根据ISO 11254-1标准（cw-LIDT和1 –LIDT上的1，即单脉冲LIDT），ISO 11254-2（S 1，即多脉冲LIDT），确定激光诱导损伤阈值（LIDT） ISO 11254-3（针对一定数量的脉冲的LIDT）要求激光系统以单模运行，精确的光束诊断以及在线和离线损坏检测系统。这就是为什么只有数量有限的测量系统只能使用几种类型的激光器的原因（例如，Laserzentrum Hannover的1064nm）。对于某些突出的激光波长，例如氩离子激光器（488nm或514nm），没有可用的测量系统，也无法提供经过认证的LIDT数据。

1对1 LIDT（即在样品的1个位置上产生1个脉冲）不能代表正常的操作条件。但是，这些值可用于比较不同的涂层和优化程序。 此外，“一对一”值与更实际的S-on-1-LIDT（在样本的同一位置上给定数量的“ S”个脉冲的LIDT）直接相关，可以解释为LIDT的上限。具有高重复率（约kHz）的激光系统需要使用LIDT值表示的寿命测试来测试大量脉冲。

测量设备的数量有限，实际应用中需要进行寿命测试，因此有必要将多个客户的测量，寿命测试或累积辐射测试也包括在我们的目录和本网站中。请注意，这些值无法与LIDT测量进行比较，因为此处给出的激光参数没有损坏。此外，这些值始终存在不确定性，尤其是在确定光斑尺寸方面。必须考虑大约30％左右的误差。尽管如此，我们认为有关光学器件成功运行参数的信息肯定会有助于决定使用LAYERTEC光学器件。但是，有时需要在客户的激光系统上进行测试。LAYERTEC在客户工厂为这种测试提供了很大的折扣。

光学涂层

光学涂层被广泛用于改变玻璃表面的反射率，从眼镜到高功率激光应用。该页面将概述LAYERTEC经常使用的三种主要涂层技术。

子类别介绍介电层和金属涂层背后的物理原理，以及将金属层和介电层组合在一起的可能性。

热和电子束蒸发

热和电子束蒸发是生产光学涂层的常用技术。LAYERTEC主要将这些技术用于UV涂层。蒸发源安装在蒸发室的底部。它们包含涂层材料，该涂层材料通过电子枪（电子束蒸发）或电阻加热（热蒸发）加热。加热方法取决于材料特性（例如熔点）和光学规格。

将基板安装在蒸发室顶部的旋转基板支架上。为了确保涂层的均匀性，必须旋转基板。根据基材和涂层的不同，必须将基材加热到150–400°C。这提供了低吸收损失和涂层对基材的良好粘附性。离子枪用于获得更紧凑的层。

蒸发涂层的性能

成膜颗粒的能量非常低（〜1eV）。因此，必须通过加热基材来提高颗粒的迁移率。然而，蒸发涂层的堆积密度相对较低，并且这些层通常包含微晶。这导致相对较高的杂散光损耗（取决于波长，大约为百分之一到百分之一）。

此外，取决于温度和湿度，来自大气的水可以扩散到涂层中和从涂层中扩散出去。这导致反射带的偏移量约为波长的1.5％。然而，蒸发的涂层具有高的激光损伤阈值，并广泛用于激光器和其他光学设备中。

溅镀

通常，术语“溅射”代表通过离子轰击从固体中提取颗粒（原子，离子或分子）。离子朝目标加速并与目标原子碰撞。原始离子以及反冲的粒子穿过材料移动，并与其他原子a.s.o碰撞。大多数离子和反冲原子保留在材料中，但是通过多次碰撞过程，一定比例的反冲原子向表面散射。这些颗粒离开目标，然后可以移动到基材上并形成薄膜。

磁控溅射

上述离子是通过在靶材前面燃烧的气体放电传递的。它可以通过直流电压（DC溅射）或通过交流电压（RF溅射）来激励。在直流溅射的情况下，靶是高纯度金属（例如钛）的盘。对于RF溅射，还可以将介电化合物（例如二氧化钛）用作靶。将反应性气体（例如氧气）添加到气体排放物中导致形成相应的化合物（例如氧化物）。

LAYERTEC已开发出用于光学镀膜的磁控溅射技术，从实验室技术到非常高效的工业流程，都能生产出具有出色性能的镀膜，尤其是在VIS和NIR光谱范围内。我们最大的磁控溅射工厂可以涂覆直径最大为500mm的基材。

离子束溅射

该技术使用单独的离子源来生成离子。为了避免污染，现代IBS工厂使用了射频源。在大多数情况下，反应气体（氧气）也由离子源提供。这导致颗粒更好的反应性和更紧密的层。

磁控溅射和离子束溅射之间的主要区别在于，离子产生，靶材和衬底在IBS工艺中*分离，而在磁控溅射工艺中它们彼此非常接近。

溅射涂层的性能

由于成膜颗粒的动能高（〜10 eV），即迁移率高，因此溅射层表现出：

Ø无定形微观结构

Ø高包装密度（接近散装材料）

结果是：

Ø杂散光损耗低

Ø光学参数的高热和气候稳定性

Ø较高的激光诱导损伤阈值

Ø高机械稳定性

无需外部加热即可生产出具有最小吸收率的氧化物层。

熔融涂层

蒸发示意图（左右蒸发器）和支撑离子枪（中间）

磁控管溅射原理图：气体放电产生的离子被加速到目标（顶部），并在其中产生涂层颗粒。

离子束溅射：来自沉积源（中间）的离子被加速到目标（右）。溅射的颗粒在基板上凝结（顶部）。第二个离子源（左）协助该过程。

电介质涂层

光学涂层的目的是改变光学表面的反射率。根据所使用的材料和物理现象，原则上可以区分金属涂层和电介质涂层。金属涂层用于反射器和中性密度滤光片。可以达到的反射率由金属的特性决定。我们的目录中介绍了一些光学应用中最常见的金属。

但是，介电涂层使用光学干涉来改变涂层表面的反射率。另一个主要区别是用于这种涂层的材料显示出非常低的吸收率。使用光学干涉涂层，光学表面的反射率可以从接近零（抗反射涂层）到接近100％（R> 99.999％的低损耗反射镜）变化。但是，这些反射率值仅在特定波长或波长范围内才能达到。

有关光学干涉涂层物理的更详细的解释，请参阅我们的目录和第22页上引用的文献！

基本

单个介电层对表面反射率的影响如图1所示。入射光束（a）在空气层界面处分为透射光束（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）可能会干涉。

图1：解释高折射率材料（左）和低折射率材料（右）的四分之一波层的干涉效应的示意图

PW.之后 Baumeister“光学镀膜技术”，SPIE新闻专着，PM 137，华盛顿，2004年

在图1中，波长由反射光束的阴影表示。“光到光”或“黑到黑”的距离是波长。取决于反射光束之间的相位差，可能会发生相长或相消干涉。

两种介质之间的界面的反射率取决于介质的折射率，入射角和光的偏振。通常，它由菲涅耳方程描述。

光束（c）和（d）之间的相位差由该层的光学厚度n·t（折射率n和几何厚度t的乘积）给出。此外，必须考虑到，如果来自低折射率介质的光在界面处被反射到高折射率介质，则发生π的相跳，即半波。

防反射涂层

单个低折射率层可以用作简单的增透膜。为此目的常用的材料是在VIS和NIR中折射率n = 1.38的氟化镁。这种材料将熔融石英的单位表面反射率降低到R〜1.8％，将蓝宝石降低到几乎为零。

可以为所有基板材料设计由2至3层组成的单波长增透膜，以将给定波长的反射率降低到几乎为零。这些涂层特别用于激光物理学。也可以使用几种波长或宽波长范围的增透膜，并由4至10层组成。

图2：单波长AR涂层（“V涂层”）（a）和宽带AR涂层（b）的示意性反射光谱

镜子和部分反射镜

最常见的反射镜设计是所谓的四分之一波长堆叠，即，对于所需的波长，具有相等的光学厚度n·t =λ/ 4的高低折射率交替层的堆叠。这导致在层之间的每个界面处产生的反射光束的相长干涉。对于给定数量的层对，反射带的光谱宽度和可获得的反射率取决于层材料的折射率之比。较高的折射率比导致较宽的反射带，而使用较低折射率比的材料可以产生较窄的反射带。

图3：四分之一波叠层的示意图，由具有相同折射率的高折射率材料（灰色阴影）和低折射率材料（无阴影）的层组成（在[1]之后）（a），四分之一波堆栈的反射光谱由 15对Ta2O5 / SiO2和TiO2 / SiO2（b）

[1P.W. Baumeister“光学镀膜技术”，SPIE新闻专着，PM 137，华盛顿，2004年

为了可视化不同折射率比率的影响，图3b比较了由15对Ta2O5 / SiO2和TiO2 / SiO2组成的四分之一波长堆栈在800nm处的反射光谱（n1 / n2 = 2.1 / 1.46和2.35 / 1.46）。

假设理想的涂层吸收和散射损耗为零，则随着层对数量的增加，理论反射率将接近R = 100％。也可以仅使用少量的层对来制造具有在R = 0％和R = 100％之间的几个离散反射率值的部分反射器（请参见图4）。将一些非四分之一波长层添加到此类堆栈可以将反射率优化到任何所需的值。

图4：800nm处由1、2、3、5、10和15层Ta2O5 / SiO2对构成的四分之一波堆叠的反射率

图4还显示，层对数量的增加导致反射率带的边缘变陡。这对于边缘滤镜（即具有平滑边带的反射镜）尤其重要。两极陡峭的边缘需要大量的层对，这又导致很高的反射率。*的反射率值需要非常低的光学损耗。这可以通过使用溅射技术来实现。

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