CVI光学镀膜技术介绍，单/多层增透膜、宽带增透膜等，CVI Laser Optics

光学镀膜的物理基础与设计原理：光学镀膜技术本质上是利用光波在薄膜中的干涉效应来精确控制光学元件表面的反射和透射特性。其理论基础源于经典的电磁波理论。凭借最先进的镀膜设施，CVI Melles Griot 不仅能够大批量涂覆标准目录和定制光学元件，还能够为客户特殊需求开发和评估先进的新型镀膜。CVI Melles Griot 是精密光学元件和多元件光学系统的领先供应商。

CVI Melles Griot作为领先的光学元件供应商，其镀膜技术涵盖广泛，从基础的单层增透膜到复杂的多层增透膜，均体现了深厚的技术积累。最典型的单层增透膜材料是氟化镁（MgF₂），其折射率约为1.38，通过四分之一波长光学厚度的设计，利用薄膜干涉原理有效降低反射。虽然单层增透膜在特定波长表现优异，但为了满足更宽光谱范围的需求，多层增透膜技术被开发出来。

在多层增透膜家族中，CVI Laser Optics宽带增透膜（如HEBBAR™和BBAR系列）是重要的代表。例如，V型镀膜作为一种特殊的多层增透膜，其反射率曲线呈V形，专为单一激光波长优化。而宽带增透膜则通过更复杂的层状结构，将低反射率区域扩展到数百纳米宽，例如覆盖415至700纳米的HEBBAR™镀膜。这种宽带增透膜的设计和制造，展现了CVI Melles Griot在多层增透膜领域的先进能力。

除了透射光学元件，反射元件同样关键。CVI Laser Optics高反射膜主要有金属型和全介质型两种。金属高反射膜（如保护铝、保护银）具有宽波段、角度不敏感的优点，而全介质高反射膜（如MAXBRIte™镀膜）则能实现超过98%的极高反射率，且损伤阈值更高。这些高反射膜是构成激光谐振腔和反射镜系统的核心。

在复杂的光路系统中，分光膜与部分反射膜不可或缺，其功能是将一束光按特定比例分成反射和透射两束。简单的分光膜与部分反射膜可以是金属膜，但会引入吸收损耗；而基于介质多层膜的分光膜与部分反射膜则能最大限度地减少吸收，并可以设计对偏振态的特性。CVI Melles Griot提供从宽带非偏振到特定激光波长优化的多种分光膜与部分反射膜解决方案，以满足不同光束控制需求。

CVI Laser Optics从基础的单层增透膜到先进的宽带增透膜，从通用的金属高反射膜到高性能的全介质高反射膜，再到精密的分光膜与部分反射膜，CVI Melles Griot凭借其全面的镀膜技术，为从深紫外到远红外的各种光学应用提供了关键支持。

-菲涅尔反射与界面行为:

当光从一种介质传播到另一种具有不同折射率的介质时，在界面处会发生反射和折射。对于未镀膜的空气-玻璃界面（以折射率1.52的冕牌玻璃为例），根据菲涅尔公式，在垂直入射时，其反射率R=(n1-n2/n1+n2)^2计算，约为4%。这意味着一个具有10个此类表面的复杂光学系统，仅因反射导致的光能损失就可能超过30%，并伴随严重的杂散光（鬼影）问题，显著降低系统信噪比和成像对比度。

-干涉效应的核心作用:

薄膜镀层的核心在于利用干涉效应。当一束光入射到薄膜上时，会在薄膜的前后两个界面分别发生反射，产生两束反射光。通过精确控制薄膜的光学厚度（物理厚度 × 折射率），可以使这两束反射光产生相长干涉（增强反射）或相消干涉（抑制反射）。

-单层增透膜:

最简单的增透膜是单层四分之一波长膜。为实现最佳增透效果，薄膜材料的折射率  n_f  应等于入射介质折射率  n_0 （空气≈1）和基底折射率  n_s （玻璃≈1.52）的几何平均值，即  n_f = (n_0 x n_s)^^{1/2 =} 1.23 。由于缺乏折射率如此低的实用材料，氟化镁（MgF₂） 因其折射率（~1.38）接近理想值、机械硬度高、化学稳定性好，成为最广泛使用的单层增透膜材料，可将反射率从4%降至约1.5%。

图：菲涅尔反射与折射原理示意

增透膜系列：

-单层MgF₂镀膜：

特性：作为最经济耐用的选择，其在可见光区（如优化于550nm）表现均衡。虽然最低反射率不如多层膜，但其对入射角变化不敏感的特性，使其非常适合用于大角度入射的曲面透镜。

性能：反射率通常可降低至~1.5%，激光损伤阈值高达13.2 J/cm²（10ns @532nm）。

图：单层增透膜示意图

-V型镀膜：

设计原理：专为单一激光波长（如HeNe激光的632.8nm或Nd:YAG的1064nm）优化。其反射率曲线在设计波长处呈尖锐的“V”形凹陷。

性能：在目标波长处反射率可轻松低于0.1%，是单色激光系统的理想选择，几乎无能量损失。

-宽带增透膜：

为了在宽光谱范围内实现低反射率，需要更复杂的多层膜系设计，如采用“缺位层”（光学厚度为半波长的层，在设计波长上不影响整体光学性能，但在其他波长参与调控）和多个反射极小值点技术。

HEBBAR™系列：以其特有的双反射极小值曲线闻名，覆盖带宽可达250nm以上，平均反射率（R）低于0.4%，绝对反射率（R）低于1.0%。对入射角变化相对不敏感。

BBAR系列：提供从深紫外（193nm）到近红外（1600nm）的多种宽带解决方案，尤其突出的是其极高的激光损伤阈值（如10 J/cm² @1064nm），满足高功率激光应用需求。

高反射膜系列：介质膜与金属膜

-介质高反射膜：

工作原理：基于四分之一波长堆栈。交替沉积高折射率（如ZnS, TiO₂）和低折射率（如SiO₂, MgF₂）材料，每层光学厚度为设计波长的四分之一。从各界面反射的光束在出射时发生相长干涉，从而实现极高反射率。

图：四分之一抗反射镀膜

性能优势：反射率可达99.9%以上，散射损失极低，激光损伤阈值远高于金属膜。其反射带宽与两种材料的折射率比值有关，比值越大，带宽越宽。

代表产品：MAX-R™ 激光线镀膜针对特定激光波长优化；MAXBRite™ 宽带介质膜在特定波段（如420-700nm）反射率超过98%，是金属膜的优秀替代品。

-金属高反射膜：

金属高反射镀膜参数表：

       测试条件说明： PAUV镀膜：355nm波长，10纳秒脉冲。其他镀膜：1064nm波长，20纳秒脉冲（典型值）

特性：利用金属（铝、银、金）本身的自由电子气对光波的强烈反射，天生具有极宽的反射光谱。

CVI增强技术：通过在金属膜上覆盖特定厚度的介质保护层，显著提升其耐久性、抗腐蚀性和抗划伤能力，形成“保护”或“增强”型金属膜。

保护铝：400nm-10μm， R > 90% ，通用性强，成本低。

保护银：400nm-20μm， R > 95% ，是可见到近红外反射率最高的金属膜。

保护金：>700nm， R > 98% ，是中远红外的标准选择，尤其适用于CO₂激光器（10.6μm）。

深紫外/真空紫外铝镜：专为193nm（DUVA）和157nm（VUVA）等苛刻波长设计，通过特殊工艺获得高反射率和稳定性。

-超快激光镀膜：

核心挑战：飞秒激光脉冲包含极宽的频谱。传统镀膜会引入与波长相关的相位延迟（群延迟色散），导致脉冲在时域上展宽。

CVI解决方案：TLMB超快镀膜 通过精心的膜系设计，在目标波段（如740-860nm）内实现高反射率的同时，具有极低且平坦的群延迟色散曲线，从而最大限度地保持飞秒脉冲的完整性。

-二向色镜/分光镜：

功能：根据波长（二向色）或强度比例（分光）将入射光分成反射和透射两路。其性能关键在于特定波长下的反射率（R）/透射率（T）比例以及偏振敏感性。CVI提供从宽带非偏振到激光波长下偏振分光比优于5%的各种型号。

-干涉滤光片：

原理：基于法布里-珀罗干涉仪原理，由两个高反射膜层中间夹一个谐振腔（间隔层）构成。只有满足谐振条件的特定波长才能高效透过，形成极窄的带通。

应用：用于荧光光谱分析、激光雷达、环境监测等需要极高光谱纯度的领域。

先进制造工艺与质量保证体系: CVI的镀膜优势建立在先进的制造工艺和严格的质量控制之上。

镀膜沉积技术

电子束蒸发：使用高能电子束轰击源材料，使其气化并沉积到基底上，是沉积高熔点氧化物材料的标准方法。

离子辅助沉积：在沉积过程中，用离子束轰击生长中的薄膜，增加膜层原子的迁移率，从而获得更致密、更稳定、应力更低的薄膜，显著减少环境湿度导致的光谱漂移。

离子束溅射：通过高能离子束轰击固体靶材，将靶材原子“溅射”出来沉积到基底上。IBS工艺能生产出极其致密、接近体材料性质的薄膜，具有极低的散射损失和最高的激光损伤阈值。

精密监控与过程控制

镀膜过程中，使用高精度光学监控系统实时监测膜厚。通过检测测试片反射率或透射率随膜厚增长的周期性变化（极值点对应四分之一波长厚度），来精确控制每一层的沉积终点，确保复杂膜系设计的精确实现。

严格的质量与可靠性测试

所有镀膜件均需经过一系列严格测试，包括：

光谱性能测试：使用分光光度计测量反射率/透射率曲线，确保符合规格。

环境耐久性测试：依据MIL标准进行附着力、耐磨性、盐雾、高低温循环等测试。

激光损伤阈值测试：使用标准化的激光光源测量膜层能承受的最高激光能量密度，为高功率应用提供参考。

综合指南与典型应用场景

确定主要功能：增透？高反？分光？滤波？

明确光学参数：中心波长、带宽、入射角、偏振态、所需反射率/透射率。

评估使用条件：激光功率/能量密度（决定损伤阈值要求）、环境条件（温度、湿度、耐受性）。

权衡成本与性能：在满足性能要求的前提下，选择最经济的解决方案（如单层MgF₂ vs 多层BBAR）。

典型应用场景映射：

高端工业激光加工：高功率Nd:YAG激光器：Y系列介质高反膜（PR1, TLM1）。

前沿科学研究（超快光学）：钛宝石飞秒激光系统：TLMB超快激光镀膜。

生物医学成像：共聚焦荧光显微镜：二向色镜 + BBAR增透膜。

航空航天与遥感：红外制导与热成像系统：保护金（PG）或保护银（PS）镜。

半导体光刻：深紫外（DUV）光刻机：深紫外铝镜（DUVA）及精密增透膜。

CVI Melles Griot的光学镀膜技术体系，从基础物理原理到顶尖的制造工艺，构成了一套完整而深入的解决方案。无论是追求极限参数的科研探索，还是要求长期稳定可靠的工业应用，其丰富的产品线和深厚的技术积累都能提供精准的支撑。