光学涂层对于增强光的透射、反射、偏振和相位是至关重要的。有许多不同的技术用于制造光学涂层，但在气相，它们通常分为两类:物理或化学。最常见的物理沉积(PVD)方法是热蒸发和溅射。没有一种涂层技术是适用于所有情况的最佳选择，因为不同的应用驱动不同的要求。本文探讨了几种常见PVD技术相对于四种独特应用的区别:高反射光学、高激光损伤阈值应用、成本敏感批量制造和超快激光光学。

涂层技术概述

        表1。不同镀膜技术关键参数的比较(E-Beam IAD:离子辅助电子束蒸发沉积，IBS:离子束溅射，APS:先进等离子体沉积，PARMS:等离子体辅助反应磁控溅射)

        在PVD中，热沉积可以进一步分为标准电子束(e-beam)和能量辅助电子束方法，如离子辅助沉积(IAD)或高级等离子体源(APS)沉积。溅射同样可以分为离子束溅射(IBS)和磁控管方法，其中可以包括能量辅助技术，如等离子辅助反应磁控管溅射(PARMS)。发展最快的化学气相沉积技术是原子层沉积(ALD)，尽管它有许多独特的功能，但本文不讨论它。表1提供了四种PVD技术之间差异的高级概述:离子辅助电子束沉积，离子束溅射，先进等离子体源辅助电子束和磁控溅射。

        在离子辅助电子束(IAD)蒸发沉积中，电子枪的轰击使源材料在真空室中蒸发，然后在低应力和极低(UV)损耗层中凝结成光学元件，该层具有指定厚度和良好密度。这要归功于离子束枪提供的同步离子轰击。在列出的涂层技术中，电子束涂层在近红外(NIR)光谱中具有最高的激光诱导损伤阈值(LIDT)，以及最广泛的可用材料范围，这使得涂层设计空间具有最高的灵活性。与其他镀膜方法相比，IAD电子束蒸发镀膜可以容纳更大的镀膜室尺寸，并且具有以最低成本生产镀膜的能力。不利的一面是，根据所使用离子源的类型，IAD可能导致膜密度略微降低，涂层的光滑度和反射率有限。出于同样的原因，电子束蒸发沉积可能表现出较少的可重复光学特性，与离子束或磁控溅射相比，精确控制层厚度更具挑战性。

        等离子体辅助反应磁控溅射(PARMS)是另一种基于等离子体产生的物理气相沉积工艺，其中产生辉光放电等离子体，但不是充满整个腔室，而是等离子体被磁场“限制”在目标附近。靠近目标的致密等离子体中的正离子被加速，并以足够的动量撞击表面，导致表面的原子“溅射”并沉积在衬底上。等离子体在目标附近的限制使得溅射过程在保持相对较低的腔压的情况下以高效率运行。低腔室压力是镀膜高体积的光学器件所必需的。在PARMS中，加入活性气体以改善膜的化学计量。结果是致密、坚硬的薄膜具有优异的重复性，但不像IBS那样具有高的重复性。但是，它具有高吞吐量，因此PARMS在价格和性能之间提供了通常最优的中间地带。例如，PARMS可以是一种理想的技术，用于需要相对高的光学性能和相对大的体积的应用，如荧光滤光器。

        案例1:高反射光学

        许多激光系统需要具有99.8 - 99.999%反射率的反射光学元件，以最大限度地减少激光系统中光束转向过程中的损失。较低的反射率值可能导致系统性能下降和高强度光散射，从而造成吞吐量损失和安全隐患。在极端情况下，可能会发生灾难性的系统故障。由于其无可比拟的生产高质量和过程控制薄膜的能力，IBS比所有其他涂层方法都更适合这种应用。沉积过程的物理性质导致粗糙度作为层数的函数的实际降低，使得表面增强能够达到99.99%以上的镜面反射率值。IBS涂层与超抛光基材相结合，是一流反射光学器件的理想搭配。

        案例2:高激光损伤阈值应用

        光学元件的激光诱导损伤阈值(LIDT)在许多激光光学应用中是防止性能下降和系统故障的关键。ISO 21254将LIDT定义为“外推损伤概率为零的入射到光学部件上的最高激光辐射量”，但对损伤的确切定义以及检测和分析方法并没有标准化。再加上激光参数的波动以及测试条件与实际条件之间的差异，使得LIDT成为一个复杂的性能指标。

        图2。如图所示，a) 1/e2直径为200μm，峰值通量为20J/cm2的光束，其10J有效直径仅为115μm，约为1/e2直径的一半。

        LIDT测试和规范是一个不断发展的领域。目前，激光损伤检测主要采用高斯激光束，但高斯激光束的存在使检测统计工作变得十分复杂。高斯光束的强度分布，除了非常接近峰值的地方，在任何地方都没有恒定的影响区域。这种强度的不均匀空间分布导致对有效光束直径的估计过高。例如，直径为200μm的光束在边缘附近的强度定义为1/e2，约为峰值强度的1/10。众所周知，实际涂层中的局部缺陷是引发损伤的主要原因，特别是在较长的波长下。在足够低的缺陷密度下，统计数据表明，恰好在高斯峰处出现缺陷的概率很小。在低于峰值的影响下，更大一部分的光束直径可能涉及到激光诱导损伤的开始，增加了低于峰值的影响下的损伤概率(图2和3)。这些问题可以通过增加测试点的数量、增加光束的直径和/或用高斯光束代替“平顶”光束来克服。

        图3。显示较低缺陷密度对LDT不确定度的高斯效应的损伤概率与激光通量的关系图

        电子束蒸发沉积能够获得比其他镀膜方法更高的LIDT性能，可能是因为镀膜应力趋于较低，可以更好地保持镀膜的纯度，并且缺陷的“通量强度”可以接近本振镀膜，特别是在低损耗波长(即1064nm)。由于薄膜的密度和相对较高的光学质量，其他方法，如APS，也可以很好地适用于激光光学应用。IBS也被认为在近紫外-可见范围内具有显著的LIDT值。

        案例3:成本敏感型批量生产

        当制造大量光学元件时，涂层技术必须能够涂覆大量并且具有成本竞争力。与其他镀膜技术相比，电子束蒸发沉积和磁控溅射得益于更大的镀膜室尺寸，并且通常具有最低的相对价格，使其成为成本敏感型批量生产的理想选择。当需要大量致密的硬涂层，规格要求稍高时，APS比电子束更可取。对于绝大多数批量生产案例，灵活性和速度是主要的成本驱动因素，因此电子束IAD通常是首选。

        案例4:超快激光光学

        超快激光器具有皮秒、飞秒或阿秒量级的短脉冲持续时间，由于其能够诱导独特的非线性特性和高峰值功率，因此对各种应用都非常有利。它们的短脉冲持续时间来自宽带激光器，与其他类型的激光器相比，这使得它们在材料加工和医疗激光应用中具有优越的尺寸公差。

        然而，用于超快系统的光学元件具有苛刻的涂层要求，以满足在宽频带波长上涂层相变的严格公差。涂层中相位变化的速率导致不同数量的群延迟色散(GDD)，如果管理不当，往往会扩大脉冲的时间分布并降低系统的功能。因此，一些应用需要在宽波长范围内非常低的相变(低GDD)变体涂层。在这种情况下，通过电子束IAD制成的金属介质涂层是理想的。另一方面，一些应用需要通过在光学器件中注入大的、相反倾斜的GDD涂层来校正宽脉冲。这些“啁啾”镜面涂层需要实现非常精确的层厚度。在这里，IBS具有卓越的层精度能力，是最适合的涂层技术。

        关键技术

        PVD方法，如电子束IAD、APS、IBS、PARMS等，都有其自身的优势，使其成为某些特定和重叠用例的理想选择，没有一种涂层类型是每种应用的最佳选择。了解每种可用镀膜技术的优缺点，使光学设计师能够选择最佳选择，以满足其个人性能和成本要求。