LAYERTEC镀膜和生产检测技术

LAYERTEC成立于1990年，是由耶拿弗里德里希·施勒大学的一个剥离项目而成立的。LAYERTEC生产高品质激光应用的光学元件，波长范围从真空紫外线（157 nm）到近红外线（~6μm）。自从成立以来，LAYERTEC一直为全球的大学和研究机构提供服务，并且过去几年激光技术的许多重要发展都得到了LAYERTEC产品的支持。

LAYERTEC拥有精密光学设备和各种涂层技术（磁控溅射、离子束溅射、热蒸发、离子辅助电子束蒸发），这使得LAYERTEC能够在整个生产过程中控制光学元件的质量，从基板的研磨、抛光和清洗到最终的涂层过程。目前，约有300名员工在LAYERTEC的精密光学设备和涂层实验室工作，40台涂层机可覆盖从真空紫外线到近红外线的波长范围，使用由氟化物和氧化物、金属和金属-介质涂层制成的溅射和蒸发涂层。

LAYERTEC提供全方位的设计和制造选项，以高度的灵活性为特殊应用定制光学元件，实现涂层性能和成本效益的最优化。涂层设备的大小和技术种类的多样性，使得LAYERTEC可以高效生产系列产品，同时也可以为工业研发团队和研究机构提供灵活的原型制造。

本文概述了LAYERTEC的生产技术，并展示了一些代表卓越品质的创新解决方案，旨在展示LAYERTEC的能力以推动未来的发展。

LAYERTEC的精密光学设备生产熔融石英、N-BK7®等光学玻璃、以及一些晶体材料如氟化钙的反射镜基板、干涉仪、减速器、透镜和棱镜。近年来，我们已经优化了熔融石英和YAG的抛光工艺。我们能够提供表面RMS粗糙度为1.5 Å的熔融石英基板。

一般而言，“溅射”一词指的是通过离子轰击从固体中提取粒子（原子、离子或分子）。离子被加速朝向靶材，并与靶材原子碰撞。原始离子以及反弹的粒子穿过材料，与其他原子碰撞等等。大多数离子和反弹的原子仍然留在材料内部，但是一定比例的反弹原子通过这个多重碰撞过程散射到表面。这些粒子离开靶材，然后可能移动到基板上并形成薄膜。

离子由气体放电输送，放电在靶材前面燃烧。它可以通过直接电压（直流溅射）或交变电压（射频溅射）进行激发。在直流溅射的情况下，靶材是一块高纯度金属盘（例如钛）。对于射频溅射，也可以使用介电化合物（例如二氧化钛）作为靶材。向气体放电中添加反应性气体（例如氧气）会导致相应化合物（例如氧化物）的形成。

这种技术使用单独的离子源产生离子。为了避免污染，现代IBS机器使用射频源。反应性气体（氧气）在大多数情况下也由离子源提供。这导致粒子的反应性更好，并且形成的层更加紧密。磁控溅射和离子束溅射的主要区别在于，在IBS过程中，离子生成、靶材和基板完全分离，而在磁控溅射过程中它们非常靠近。

在LAYERTEC的发展中，磁控溅射从实验室技术发展成为一个非常高效的工业过程，可以产生具有卓越光学性质的涂层，特别是在可见光和近红外光谱范围内。最大的磁控溅射机器可以涂覆直径达600毫米的基板。

由于粒子形成薄膜的动能高（约10电子伏特），因此溅射层表现出以下特征：无定形的微观结构高堆积密度（接近于大块材料的密度）这些结构特征导致非常有利的光学性质，例如：由于散射光的低损耗在各种环境条件下光学参数的高稳定性，由于阻止水分子扩散高激光损伤阈值高机械稳定性

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热蒸发和电子束蒸发是生产光学涂层最常见的技术。LAYERTEC主要用这些技术生产紫外涂层。蒸发源安装在蒸发室底部。它们包含涂层材料，该材料通过电子枪（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。基板安装在蒸发室顶部的旋转基板架上。旋转基板以确保涂层均匀性。基板必须加热到150-400°C的温度，具体取决于基板和涂层材料。这提供了低吸收损失和涂层与基板的良好粘附性。离子枪用于获得更紧密的层。

LAYERTEC配备了几台蒸镀机，覆盖了上述技术从简单的热蒸发到使用APS pro®和LION®离子源进行离子辅助沉积（IAD）的整个带宽。

薄膜形成粒子的能量非常低（约1电子伏特）。这就是为什么必须通过加热基板来增强粒子的流动性。

标准蒸发涂层的堆积密度相对较低，并且层中通常含有微晶粒。这导致相对较高的散射损失（取决于波长，约为一些百分之几到一些百分之一）。此外，大气水蒸气可以根据温度和湿度在涂层内部扩散，导致反射波段偏移约波长的1.5％。

使用APS pro®和LION®离子源进行IAD可以生产无偏移，即密集的蒸发涂层，这些源提供非常高的离子电流密度。尽管如此，蒸发涂层也具有高激光损伤阈值和低吸收。它们广泛用于激光和其他光学设备中。

LAYERTEC的精密光学设施配备了激光干涉仪和专门用于平面、球面和抛物面的干涉仪设置。对于非球面表面，LAYERTEC使用触摸和非接触式计量系统。一般来说，直径不超过100毫米的球面和平面光学元件的形状公差可以以λ/10（633nm）的精度测量。然而，在许多情况下，高达λ/30的更高精度是可能的。可以根据要求提供测量报告。

由Luphos GmbH开发的测量系统LuphoScan允许超高精度的距离和表面形状测量。这个独特的系统结合了其他距离测量系统的许多优点，没有必要接触，工作距离小或工作范围微小的缺点。这种技术允许确定不同对象的拓扑结构，达到纳米级别。

高反射物体如镜子或金属涂层基板以及提供弱反射率（玻璃透镜、基板）的透明物体均可测量。由于其绝对测量范围，可以以±5纳米的精度解析高达1毫米高度的结构。特别是非球面表面的拓扑误差可以被准确确定并用于抛光过程中的形状参数校正。

Talysurf PGI 1240是一种用于表征强曲率表面的触摸式表面轮廓测量工具。小尖端接触表面并沿着一条线移动，同时测量其位移。测量原理不依赖于表面拓扑或光学性质，如涂层或薄污染物，这些通常会防止直接干涉测量。垂直精度取决于表面的梯度，可以达到200纳米，相当于≈λ/2（633nm）。LAYERTEC使用这种工具测量直径不超过200毫米的中小型非球面表面。

基于白光干涉仪的3D光学表面轮廓仪被用于可视化我们基板的表面形态和粗糙度。该轮廓仪还被用于表征尺寸从0.5微米到100微米范围内的表面缺陷和其他结构。

LAYERTEC利用扫描探针显微镜（原子力显微镜，AFM），其测量范围在10纳米到1微米之间，用于控制表面粗糙度值低于Sq≤5Å的特殊抛光过程，并可根据要求提供检验报告。

LAYERTEC已开发出一种自动化测量系统，用于检测和分析光学表面上的缺陷和划痕。该系统使LAYERTEC能够根据ISO 10110-7对缺陷大小进行分类。因此，质量控制程序（如最终检验）得以简化，特别是对于规定缺陷尺寸低于25微米的高质量光学元件。

通过腔环衰减时间测量法，可以确定R、T=99.5%至99.9999%的高反射率和透射率。这种方法是一种高精度的绝对测量方法。LAYERTEC采用各种CRD设置，可覆盖从220到1800纳米的整个光谱范围，没有任何间隙。正在建造一个用于波长范围2500至4700纳米的CRD设置。

除了透射率和反射率之外，LAYERTEC还能够使用几个白光干涉仪在250到1700纳米的波长范围内测量镜子的相位性质。这些设置可用于表征具有正或负GDD的宽带飞秒激光镜子，并用于在窄光谱范围内测量GDD为-10000 fs²的GTI镜子的GDD。

在LAYERTEC可以使用符合ISO标准和我们自己的程序进行LIDT测试（详见第37页和第38页）。可用的波长包括266纳米、355纳米、532纳米和1064纳米，脉冲持续时间为4-10纳秒。其他LIDT测试条件的测量是与汉诺威激光中心(LZH)合作进行的。此外，我们还可以在内部测量光学薄膜和块材料的吸收率。测量可用于355纳米、532纳米或1030纳米及10°至70°的s-和p-偏振光。由于测量设置，需要635纳米以上的透过率高于1%。除此之外，可以测量大多数常用基材上的任何HR、PR或AR涂层（包括单层）。基材必须是厚度为1-12毫米的平面。可以按要求提供校准报告。

光学涂层中的吸收损失会导致涂层和基底加热。对于平均激光功率在几千瓦及以上（连续波）的高功率激光器，即使在每百万分之几的吸收损失范围内，也会导致光学元件的显著加热。LAYERTEC已经建立了一个加热测量设置，用于1030纳米波长的高功率光学元件的质量保证和技术开发。