生命科学光学

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滤光片各种镀膜方式的比较

光学薄膜镀层可以通过多种方法沉积。

传统上，生产好的反射镜和滤光片需要沉积多层镀层，常用的方法包括：热和电子束蒸发（thermal and electron-beam（e-beam）evaporation）以及离子辅助电子束蒸发（ion-assisted e-beam evaporation 简称 IAD）。这些方法已经使用了几十年。在没有离子辅助的情况下，蒸发的薄膜有几个显著的缺点，这些缺点很大程度上源于所得薄膜的多孔性。它们通常被称为“软”镀膜，因为它们不太牢靠，它们吸收水蒸气，导致波长移动，波长也随温度变化而移动，并且可以表现出明显的散射。在物理气相沉积过程中，离子枪对基底产生附加能量，因此 IAD 镀膜有时被称为“半硬镀膜”，因为它们的密度明显更高，从而显著地提高了牢靠性，降低吸湿性、温度变化和散射。对于所有的蒸发膜工艺而言，沉积过程中蒸汽“羽流”（“plume”）的变化使高精度的控制速度和均匀性变得困难，因此，难以批量制造具有多层精确厚度镀膜的复杂滤光片。

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各种镀膜方式的比较表

	电子束 /热蒸镀	磁控溅射	离子束溅射(IBS)
沉积方式	物理蒸汽沉积	能量物理蒸汽沉积	能量物理蒸汽沉积
沉积率	变化的	变化的	很稳定的
空间均匀性	变化的	变化的	可控的
紧实度	软镀膜	半硬镀膜	紧实的硬镀膜
牢靠性	低	中等到高	非常高
吸湿（吸收水分）	吸湿（吸收水分）	少量吸湿	防渗，几乎无吸湿
温度导致的波长位移	明显的	少的	很少的
散射	一些散射	低散射	很低的散射
吸收	一些吸收	低吸收	很低的吸收
层间应力	低的层间应力	层间应力	可重现的层间应力

离子束溅射（IBS）的发展历史

相比之下，Semrock 公司生产的滤光片都采用了一种称为离子束溅射（IBS）的沉积工艺。该工艺起初开发用于磁盘驱动器，驱动器的磁头需要镀上精密铁氧体薄膜，后来，此工艺应用在光学领域，制造用于环形激光陀螺仪应用的反射镜。20 世纪 90 年代末，它被用于蓬勃发展的光纤通信行业中，用于生产波长分开和合并的好的滤光片。溅射产生坚硬的难熔氧化膜，硬度与玻璃基板相同。该稳定的工艺可重复沉积数百个低损耗（高透过）、高光学级别的厚度精度的、牢靠的薄膜层。

离子束溅射（IBS）的薄膜表面形貌

原子力显微镜是一种可以清楚地看出以下三种镀膜方式之间差异的方法。这三种镀膜方式为：软蒸发膜、用 IAD 制造的更坚固的薄膜、和高密度、低散射的溅射薄膜。原子力显微镜是研究薄膜表面形貌的重要手段。原子力显微镜显示了薄膜的表面特性，表明薄膜的填充密度。下图显示了三种主要沉积方法以及其他两种不太常见的改进工艺的研究结果[1]。薄膜被镀在基板（基材）上，基板的初始平整度低于 0.5 Å 均方根（RMS）表面粗糙度。只有溅射才能产生具有足够填充密度的高度多层膜，从而产生与起始基板相当的表面粗糙度。其他镀膜方式都不同程度的使基材的平整度变得更差。

reproducible results

离子束溅射镀膜（IBS）的成本、镀膜层数和光谱性能

IBS 溅射工艺的一个明显局限性是光通量，高光通量的优良性能是以缓慢的沉积速度和有限的镀膜面积为代价的。对于磁盘驱动器头和电信滤光片的应用，尺寸只有一到几毫米，这种限制并不太严重。然而，它被认为是成本的一个阻碍。尤其体现在生产更大体积的滤光片上。

Semrock 突破了这一限制，将溅射技术转变为真正的大批量生产平台。可生产大尺寸（数英寸的）的非常多层数的滤光片。我们在不影响溅射的优良光学性能的情况下完成了这项工作，因为具有光学厚度精度的致密、低散射的薄膜层是由溅射制造完成的。

Semrock 在工艺技术方面取得了突破性的进展，也提高了速度和均匀性，我们甚至在今天仍在不断地改进工艺。我们的沉积技术拥有专门的硬件、算法和软件，可构成实时的 Semrock “光学监控”系统，基于该系统的沉积技术能够重复沉积数百个甚至任意厚度的薄膜层，可生产制造出具有卓尔不群的光谱特性的复杂滤光片。

表 1. 制造滤光片的不同沉积工艺的比较。

	电子束蒸发	磁控溅射	离子束溅射(IBS)
层数	< 100	> 100	> 200
平均透射率 (%)	< 95	> 95	> 95
光损伤阈值 (J/cm²)¹	5 到 30	~ 10	> 50
紧实度	松散的	紧实的	更紧实的
平均 # 针孔²	少	很少	极少

¹使用 1064nm、20 ns 脉冲激光测量

²测量了直径 25 毫米的部件。

数据来源1

Ion-Beam-Sputtered (IBS) Thin-film Interference Filters for Nonlinear Optical Imaging

参考文献

[1] Zipfel, W.R. et al., “Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences”, Nat Biotech, 21(11), 1369-1377 (2003).
[2] Zipfel, W.R., et al., “Live tissue intrinsic emission microscopy using multiphoton excited native fluorescence and second-harmonic generation”, PNAS, 100(12), 7075-7080 (2003).
[3] Pfeffer, C.P. et al., “Multimodal nonlinear optical imaging of collagen arrays”, J Struct Biol, 164 (1), 140-145 (2008).
[4] Farrar, M.J. et al., “In vivo imaging of myelin in the vertebrate central nervous system using third harmonic generation microscopy”, Biophys J, 100 (8), 1362-1371 (2011).
[5] Evans, C.L. and Xie, X.S., “Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy: chemical imaging for biology and medicine, Ann Rev of Analyt Chem, 1(1), 883-909 (2008).
[6] Freudiger, C.W. et al., “Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy, Science, 322, 1857-1861 (2008).
[7] Anderson, N. and Erdogan, T., Multimodal NLO Imaging, http://www.semrock.com/.
[8] Prabhat, P. and Erdogan, T., Measurement of Optical Filter Spectra, http://www.semrock.com/.

致谢

作者要感谢加州大学欧文分校的 Eric O. Potma 教授对 CARS 成像实验的支持。

作者详情

Neil Anderson, Ph.D., Prashant Prabhat, Ph.D., and Turan Erdogan Ph.D., Semrock, Inc., a unit of IDEX Corp.
Email:nanderson@idexcorp.com Phone: (585) 594-7000 http://www.semrock.com/

表 2. 飞秒激光应用中常用的各种不同类型的离子束溅射 (IBS) 光学元件的描述。

离子束溅射 (IBS) 光学元件	描述
高反射率 (HR)、低色散宽带反射镜	用于在光学平台周围引导光线的高反射率 (HR) 反射镜。设计用于 s 和 p 偏振光，并在宽 (> 400 nm) 波长范围内，在 0-10° 和 45° 范围内工作。
低色散 (GDD) 反射镜 - 反射镜对	HR 反射镜可在窄波长范围内提供零 GDD。具有 GDD 配置文件的成对反射镜旨在相互补偿，以帮助减少广泛波长范围内的 GDD 纹波。
大型负 GDD 反射镜（GTI 反射镜）	反射镜表现出较大的负色散以补偿正 GDD 的累积。根据带宽的不同，设计具有在 -100 到 -1,000 fs 2或更大范围内的负 GDD 值是可能的。
HR 腔内镜	用于激光腔内的低损耗、高反射率 (R>99.95%) 反射镜。
宽带分束器 (45°)	用于分离部分激光束以进行脉冲诊断和/或为其他激光器提供种子。s 和 p 偏振光的各种分光比（R:T= 10:90；20:80；30:70）都是可能的。
二向色分光镜	二向色分光镜用于分离 UV、可见光和 NIR 中的不同波长区域。常用于多光子显微镜。

表 3. 制造滤光片的不同沉积工艺的比较。（以反射镜举例）

	电子束蒸发	离子束溅射 (IBS)
层数	< 100	> 200
表面粗糙度 (Å)	4 到 10	< 1
吸收 (ppm)	> 10	< 1
LDT (J/cm 2 )*	5 到 30	> 50
反射率 (%)	< 99.9	> 99.9
密度/孔隙率	松散的	紧实的
附着力	好的	优秀的
沉积率	很高	高的

* 使用 1064nm、20 ns 脉冲激光测量

数据来源 2

IBS Coatings for Ultrafast Lasers and Applications

参考文献

[1] W. Zipfel, et. al., Nature Biotechnology, 21, 11, 1369-1377 (2003).
[2] A. Weiner, Ultrafast Optics, Wiley Series in Pure and Applied Optics, 1st Ed., (2009).
[3] W. Knox, et. al., Optics Letters, 13, 7, 574 – 576 (1988).
[4] S. Diddams and J-C. Diels, J. Opt. Soc. Am. B, 13, 6, 1120 - 1129 (1996).
[5] B. N. Chickov, et. al., Applied Physics A, Mat. Sci. Proc., 63, 109-115 (1996).

致谢

作者要感谢 Chris Schaffer教授康奈尔大学。