LAYERTEC鍍膜和生產(chǎn)檢測(cè)技術(shù)介紹

LAYERTEC成立于1990年，是由耶拿弗里德里希·施勒大學(xué)的一個(gè)剝離項(xiàng)目而成立的。LAYERTEC生產(chǎn)高品質(zhì)激光應(yīng)用的光學(xué)元件，波長(zhǎng)范圍從真空紫外線（157 nm）到近紅外線（~6μm）。自從成立以來，LAYERTEC一直為全球的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)提供服務(wù)，并且過去幾年激光技術(shù)的許多重要發(fā)展都得到了LAYERTEC產(chǎn)品的支持。

LAYERTEC擁有精密光學(xué)設(shè)備和各種涂層技術(shù)（磁控濺射、離子束濺射、熱蒸發(fā)、離子輔助電子束蒸發(fā)），這使得LAYERTEC能夠在整個(gè)生產(chǎn)過程中控制光學(xué)元件的質(zhì)量，從基板的研磨、拋光和清洗到最終的涂層過程。目前，約有300名員工在LAYERTEC的精密光學(xué)設(shè)備和涂層實(shí)驗(yàn)室工作，40臺(tái)涂層機(jī)可覆蓋從真空紫外線到近紅外線的波長(zhǎng)范圍，使用由氟化物和氧化物、金屬和金屬-介質(zhì)涂層制成的濺射和蒸發(fā)涂層。

LAYERTEC提供全fang位的設(shè)計(jì)和制造選項(xiàng)，以高度的靈活性為特殊應(yīng)用定制光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)涂層性能和成本效益的最you化。涂層設(shè)備的大小和技術(shù)種類的多樣性，使得LAYERTEC可以高效生產(chǎn)系列產(chǎn)品，同時(shí)也可以為工業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)和研究機(jī)構(gòu)提供靈活的原型制造。

本文概述了LAYERTEC的生產(chǎn)技術(shù)，并展示了一些代表zhuo越品質(zhì)的創(chuàng)新解決方案，旨在展示LAYERTEC的能力以推動(dòng)未來的發(fā)展。

LAYERTEC的精密光學(xué)設(shè)備生產(chǎn)熔融石英、N-BK7®等光學(xué)玻璃、以及一些晶體材料如氟化鈣的反射鏡基板、干涉儀、減速器、透鏡和棱鏡。近年來，我們已經(jīng)優(yōu)化了熔融石英和YAG的拋光工藝。我們能夠提供表面RMS粗糙度為1.5 ?的熔融石英基板。

LAYERTEC生產(chǎn)各種尺寸的精密光學(xué)元件。激光光學(xué)的典型直徑在6.35毫米至100毫米之間，但最小的激光裝置的系列生產(chǎn)可達(dá)2毫米，而高能激光或天文望遠(yuǎn)鏡的直徑可達(dá)600毫米。

激光鏡的高品質(zhì)基板需要具備以下特征：

• 幾何形狀（直徑、厚度、楔度和曲率半徑）

• 表面粗糙度

• 表面形態(tài)公差

• 表面缺陷

LAYERTEC提供針對(duì)所有這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的基板。直徑最大可達(dá)50毫米的熔融石英基板的高品質(zhì)規(guī)格如下：

• 表面RMS粗糙度低至1.5 ?

• 表面形態(tài)公差為λ/30（546 nm）

• 缺陷密度低至5/1 x 0.025 (ISO 10110)

這些參數(shù)不僅適用于標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀，也可以在尺寸、形狀或曲率半徑不常見的基板上實(shí)現(xiàn)。LAYERTEC的基板符合環(huán)形下降光譜和極紫外鏡的組件生產(chǎn)要求。

磁控濺射和離子束濺射（IBS）的原理和性質(zhì)

一般而言，“濺射"一詞指的是通過離子轟擊從固體中提取粒子（原子、離子或分子）。離子被加速朝向靶材，并與靶材原子碰撞。原始離子以及反彈的粒子穿過材料，與其他原子碰撞等等。大多數(shù)離子和反彈的原子仍然留在材料內(nèi)部，但是一定比例的反彈原子通過這個(gè)多重碰撞過程散射到表面。這些粒子離開靶材，然后可能移動(dòng)到基板上并形成薄膜。

離子由氣體放電輸送，放電在靶材前面燃燒。它可以通過直接電壓（直流濺射）或交變電壓（射頻濺射）進(jìn)行激發(fā)。在直流濺射的情況下，靶材是一塊高純度金屬盤（例如鈦）。對(duì)于射頻濺射，也可以使用介電化合物（例如二氧化鈦）作為靶材。向氣體放電中添加反應(yīng)性氣體（例如氧氣）會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)化合物（例如氧化物）的形成。

這種技術(shù)使用單獨(dú)的離子源產(chǎn)生離子。為了避免污染，現(xiàn)代IBS機(jī)器使用射頻源。反應(yīng)性氣體（氧氣）在大多數(shù)情況下也由離子源提供。這導(dǎo)致粒子的反應(yīng)性更好，并且形成的層更加緊密。磁控濺射和離子束濺射的主要區(qū)別在于，在IBS過程中，離子生成、靶材和基板wan全分離，而在磁控濺射過程中它們非?？拷?/p>

在LAYERTEC的發(fā)展中，磁控濺射從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)發(fā)展成為一個(gè)非常高效的工業(yè)過程，可以產(chǎn)生具有zhuo越光學(xué)性質(zhì)的涂層，特別是在可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)。最大的磁控濺射機(jī)器可以涂覆直徑達(dá)600毫米的基板。

由于粒子形成薄膜的動(dòng)能高（約10電子伏特），因此濺射層表現(xiàn)出以下特征：無定形的微觀結(jié)構(gòu)高堆積密度（接近于大塊材料的密度）這些結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致非常有利的光學(xué)性質(zhì)，例如：由于散射光的低損耗在各種環(huán)境條件下光學(xué)參數(shù)的高穩(wěn)定性，由于阻止水分子擴(kuò)散高激光損傷閾值高機(jī)械穩(wěn)定性

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蒸發(fā)涂層的工作原理和性質(zhì)

熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)是生產(chǎn)光學(xué)涂層最常見的技術(shù)。LAYERTEC主要用這些技術(shù)生產(chǎn)紫外涂層。蒸發(fā)源安裝在蒸發(fā)室底部。它們包含涂層材料，該材料通過電子槍（電子束蒸發(fā)）或電阻加熱（熱蒸發(fā)）加熱。加熱方法取決于材料特性（例如熔點(diǎn)）和光學(xué)規(guī)格。基板安裝在蒸發(fā)室頂部的旋轉(zhuǎn)基板架上。旋轉(zhuǎn)基板以確保涂層均勻性?；灞仨毤訜岬?50-400°C的溫度，具體取決于基板和涂層材料。這提供了低吸收損失和涂層與基板的良好粘附性。離子槍用于獲得更緊密的層。

LAYERTEC配備了幾臺(tái)蒸鍍機(jī)，覆蓋了上述技術(shù)從簡(jiǎn)單的熱蒸發(fā)到使用APS pro®和LION®離子源進(jìn)行離子輔助沉積（IAD）的整個(gè)帶寬。

薄膜形成粒子的能量非常低（約1電子伏特）。這就是為什么必須通過加熱基板來增強(qiáng)粒子的流動(dòng)性。

標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)涂層的堆積密度相對(duì)較低，并且層中通常含有微晶粒。這導(dǎo)致相對(duì)較高的散射損失（取決于波長(zhǎng)，約為一些百分之幾到一些百分之一）。此外，大氣水蒸氣可以根據(jù)溫度和濕度在涂層內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致反射波段偏移約波長(zhǎng)的1.5％。

使用APS pro®和LION®離子源進(jìn)行IAD可以生產(chǎn)無偏移，即密集的蒸發(fā)涂層，這些源提供非常高的離子電流密度。盡管如此，蒸發(fā)涂層也具有高激光損傷閾值和低吸收。它們廣泛用于激光和其他光學(xué)設(shè)備中。

精密光學(xué)測(cè)量工具

LAYERTEC的精密光學(xué)設(shè)施配備了激光干涉儀和專門用于平面、球面和拋物面的干涉儀設(shè)置。對(duì)于非球面表面，LAYERTEC使用觸摸和非接觸式計(jì)量系統(tǒng)。一般來說，直徑不超過100毫米的球面和平面光學(xué)元件的形狀公差可以以λ/10（633nm）的精度測(cè)量。然而，在許多情況下，高達(dá)λ/30的更高精度是可能的?？梢愿鶕?jù)要求提供測(cè)量報(bào)告。

特別是對(duì)于具有大尺寸的激光光學(xué)器件，LAYERTEC使用高性能的Fizeau干涉儀和Twyman-Green干涉儀，測(cè)量范圍如下：

• 平面表面：?≤300毫米，精度高達(dá)λ/50（633nm），?≤600毫米優(yōu)于λ/10

• 球面表面：?≤600毫米，精度優(yōu)于λ/10（633nm）

• 拋物面：?≤300毫米全孔徑測(cè)量，精度高達(dá)λ/10（633nm）

由Luphos GmbH開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)LuphoScan允許超高精度的距離和表面形狀測(cè)量。這個(gè)du特的系統(tǒng)結(jié)合了其他距離測(cè)量系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)，沒有必要接觸，工作距離小或工作范圍微小的缺點(diǎn)。這種技術(shù)允許確定不同對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，達(dá)到納米級(jí)別。

高反射物體如鏡子或金屬涂層基板以及提供弱反射率（玻璃透鏡、基板）的透明物體均可測(cè)量。由于其絕對(duì)測(cè)量范圍，可以以±5納米的精度解析高達(dá)1毫米高度的結(jié)構(gòu)。特別是非球面表面的拓?fù)湔`差可以被準(zhǔn)確確定并用于拋光過程中的形狀參數(shù)校正。

Talysurf PGI 1240是一種用于表征強(qiáng)曲率表面的觸摸式表面輪廓測(cè)量工具。小jian端接觸表面并沿著一條線移動(dòng)，同時(shí)測(cè)量其位移。測(cè)量原理不依賴于表面拓?fù)浠蚬鈱W(xué)性質(zhì)，如涂層或薄污染物，這些通常會(huì)防止直接干涉測(cè)量。垂直精度取決于表面的梯度，可以達(dá)到200納米，相當(dāng)于≈λ/2（633nm）。LAYERTEC使用這種工具測(cè)量直徑不超過200毫米的中小型非球面表面。

基于白光干涉儀的3D光學(xué)表面輪廓儀被用于可視化我們基板的表面形態(tài)和粗糙度。該輪廓儀還被用于表征尺寸從0.5微米到100微米范圍內(nèi)的表面缺陷和其他結(jié)構(gòu)。

LAYERTEC利用掃描探針顯微鏡（原子力顯微鏡，AFM），其測(cè)量范圍在10納米到1微米之間，用于控制表面粗糙度值低于Sq≤5?的特殊拋光過程，并可根據(jù)要求提供檢驗(yàn)報(bào)告。

LAYERTEC已開發(fā)出一種自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，用于檢測(cè)和分析光學(xué)表面上的缺陷和劃痕。該系統(tǒng)使LAYERTEC能夠根據(jù)ISO 10110-7對(duì)缺陷大小進(jìn)行分類。因此，質(zhì)量控制程序（如最終檢驗(yàn)）得以簡(jiǎn)化，特別是對(duì)于規(guī)定缺陷尺寸低于25微米的高質(zhì)量光學(xué)元件。

鍍膜測(cè)量工具

簡(jiǎn)介

精密光學(xué)，光學(xué)涂層，常見激光器類型的光學(xué)元件選擇

對(duì)于生產(chǎn)和研發(fā)而言，質(zhì)量控制非常重要。LAYERTEC的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)流程包括基板的干涉測(cè)量和涂層光學(xué)元件在波長(zhǎng)范圍為120納米到20微米的分光光度計(jì)測(cè)量。

在波長(zhǎng)范圍λ=120納米至20微米的標(biāo)準(zhǔn)分光光度計(jì)測(cè)量，使用紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)，真空紫外和傅里葉變換紅外分光光度計(jì)。

通過腔環(huán)衰減時(shí)間測(cè)量法，可以確定R、T=99.5%至99.9999%的高反射率和透射率。這種方法是一種高精度的絕對(duì)測(cè)量方法。LAYERTEC采用各種CRD設(shè)置，可覆蓋從220到1800納米的整個(gè)光譜范圍，沒有任何間隙。正在建造一個(gè)用于波長(zhǎng)范圍2500至4700納米的CRD設(shè)置。

除了透射率和反射率之外，LAYERTEC還能夠使用幾個(gè)白光干涉儀在250到1700納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量鏡子的相位性質(zhì)。這些設(shè)置可用于表征具有正或負(fù)GDD的寬帶飛秒激光鏡子，并用于在窄光譜范圍內(nèi)測(cè)量GDD為-10000 fs2的GTI鏡子的GDD。

激光損傷閾值測(cè)試

在LAYERTEC可以使用符合ISO標(biāo)準(zhǔn)和我們自己的程序進(jìn)行LIDT測(cè)試（詳見第37頁(yè)和第38頁(yè)）?？捎玫牟ㄩL(zhǎng)包括266納米、355納米、532納米和1064納米，脈沖持續(xù)時(shí)間為4-10納秒。其他LIDT測(cè)試條件的測(cè)量是與漢諾威激光中心(LZH)合作進(jìn)行的。此外，我們還可以在內(nèi)部測(cè)量光學(xué)薄膜和塊材料的吸收率。測(cè)量可用于355納米、532納米或1030納米及10°至70°的s-和p-偏振光。由于測(cè)量設(shè)置，需要635納米以上的透過率高于1%。除此之外，可以測(cè)量大多數(shù)常用基材上的任何HR、PR或AR涂層（包括單層）。基材必須是厚度為1-12毫米的平面?？梢园匆筇峁┬?zhǔn)報(bào)告。

光學(xué)涂層中的吸收損失會(huì)導(dǎo)致涂層和基底加熱。對(duì)于平均激光功率在幾千瓦及以上（連續(xù)波）的高功率激光器，即使在每百萬分之幾的吸收損失范圍內(nèi)，也會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件的顯著加熱。LAYERTEC已經(jīng)建立了一個(gè)加熱測(cè)量設(shè)置，用于1030納米波長(zhǎng)的高功率光學(xué)元件的質(zhì)量保證和技術(shù)開發(fā)。