在22期中介绍了介质高反膜反射率的估算公式，并对影响反射率的几大因素从理论上进行了分析和讨论，同时也对比了三种不同膜系结构的反射率优劣情况。

但实际镀膜情况往往会偏离理论，其中影响很大的因素的是薄膜的吸收和散射。本期将会以三种传统高反膜结构（(HL)^S H，(HL)^S L，(HL)^S）为例，讲解薄膜的整体吸收和吸收分布情况，以及如何控制吸收；这些理念可以很自然的扩展至强激光薄膜。

在下文讲解中，会涉及到驻波场，电场分布，节瘤和损伤阈值等概念。

一、传统高反膜堆的吸收损耗

  薄膜的吸收损耗是薄膜材料的一种属性，可以是材料的本征吸收，也可能是由于杂质或者化学成分结构的缺陷造成，吸收损耗反应在复折射率的虚部，即为消光系数。

对于常规弱吸收薄膜，且是层数足够多的高低折射率交替的1/4波堆，当膜堆形式为(HL)^S H以及(HL)^S L，其吸收损耗为

     （1）

当膜堆形式为(HL)^S，其吸收损耗为

        （2）

可以看到，高反膜最后一层为L时，吸收损耗较大。最后一层为H或2L时，具有较低的吸收损耗。

利用上述公式时，需要注意三点。一，上述计算的前提是，膜层数足够多。二，吸收损耗是波长的函数，即不同波长的吸收损耗是不一样的。三，所计算的吸收损伤是整体光谱在宏观上的表现。

二、基于电场的吸收损耗分布

利用上述公式计算得到的吸收损伤是整体光谱在宏观上的表现。比较严重的吸收，可以用光谱法测量出来；比较微弱的吸收，则需要借助光热透镜法进行测试。

宏观表象的吸收，实际是膜层吸收和电场强度乘积的整体表现。由于膜层内存在振幅高低起伏的驻波场，使得薄膜内不同位置的吸收表现不一样。当强激光辐照薄膜时，薄膜总是在某一特定的位置诱发损伤，就是这个原因。

下面通过示例图进行比较三种膜系结构下的总吸收大小以及分布情况。在示例中，基板为Glass， n_H=2.35，n_L=1.46，n₀=1.0，k_H和k_L分别是高低折射率的消光系数。

示例1：膜堆（HL）^⁶ ，消光系数k_H分别为0和0.01

上图黑粗线为高折射率消光系数为0.01的高反光谱，浅色线为没有吸收的光谱。可以发现，吸收会造成高反带反射率降低，且长波处反射率降低的幅度更大，这是吸收对高反带造成影响的典型特征，可以作为判定薄膜有吸收的依据。

上图给出了薄膜内的驻波场分布。S为基板，M为空气。可以发现，电场峰值出现膜层交界处，越靠近空气，电场峰值越大。本例中只假设了高折射率材料有吸收，因此，薄膜总吸收正比于上图中绿色部分的面积和。越靠近空气侧，膜层对应的绿色面积越大，意味着此膜层对整体吸收的贡献越大。在上图中，第11层薄膜是高折射率材料，其电场分布最大，贡献的吸收也最大。在不考虑节瘤等影响因素的情况下，薄膜受大功率激光辐照时，此层最容易诱发损伤。同样可以看到，如果最外层低折射率膜层出现了吸收，其危害程度将远超高折射率材料造成的吸收。 

示例2：膜堆（HL）^⁶ H，消光系数k_H分别为0和0.01

上图黑粗线为高折射率消光系数为0.01的高反光谱，浅色线为没有吸收的光谱。可以发现，由于H层比示例1多，所以高反带具有更高的反射率；类似示例1，吸收会造成高反带反射率降低，且长波处反射率降低的幅度更大。

上图给出了薄膜内的驻波场分布。同样可以发现，电场峰值出现膜层交界处，越靠近空气，电场峰值越大。上图中绿色部分的面积和明显小于示例1，这和吸收损耗的公式计算结果一致。

同样，越靠近空气侧，膜层对应的绿色面积越大，意味着此膜层对整体吸收的贡献越大。在上图中，大吸收层出现在外层，但吸收弱于示例1中的第11层，可以预测，示例2具有更高的抗激光损伤阈值。 

示例3：膜堆（HL）^⁶ L，消光系数k_H分别为0和0.01

上图黑粗线为高折射率消光系数为0.01的高反光谱，浅色线为没有吸收的光谱。可以发现，由于最外层为2L，因此高反带的反射率与示例2类似，高于示例1；类似前面示例，吸收会造成高反带反射率降低，且长波处反射率降低的幅度更大。

上图给出了薄膜内的驻波场分布。同样可以发现，电场峰值出现膜层交界处，越靠近空气，电场峰值越大。上图中绿色部分的面积类似示例2，但明显小于示例1，这和吸收损耗的公式计算结果一致。

同样，越靠近空气侧，膜层对应的绿色面积越大，意味着此膜层对整体吸收的贡献越大。查看绿色面积，可以发现示例3具有和示例2类似的电场分布，可以预测，相比示例1，示例3具有更加优越的抗激光损伤阈值。

从以上三个例子可以看出，同等吸收前提下，三种膜系结构的吸收和光谱特性有明显差异。对其特性总结如下。从光谱角度看，（HL）^S H和（HL）^S L功效类似，都明显优于（HL）^S 。

表1：常用三种高反膜堆的光谱特性（仅考虑H有吸收）

三、入射方向对吸收性高反膜的影响

对于理想的无吸收薄膜，光从不同介质侧入射，并不会对光谱产生影响。但如果薄膜有吸收，光的如何方向将会对光谱产生明显影响。

对于示例3膜堆，假设高折射率消光系数为0.01，光如果从背面入射，即入射介质更改为Glass。下图浅色线为背入射的高反光谱，黑粗线为正入射光谱。可以发现，背入射情况下，很大反射率低了接近1%。

对背入射情况下的电场分布进行了分析。如下图，绿色部分面积和明显大于正入射情况。吸收层的最大电场约为1.7，也明显大于正入射情况下的0.7。

利用正反入射的反射率差，也可以相对精确的估算薄膜的吸收，进而得到材料的消光系数。相比单层膜计算的消光系数，这种方法的精度可能更高。

四、吸收控制方法

对于常规介质膜，大部分情况下，大家都希望薄膜吸收越小越好。本文将从以下几个方面讲解如何控制薄膜的吸收。

² 膜系设计

从上面示例分析可以看出，薄膜的吸收表现为膜层吸收与电场强度乘积的整体行为。

在相同消光系数前提下，不同的膜系结构由于具有不同的电场分布，因而具有不同的吸收表现。对于常规高反膜堆，最外层H或2L具有相对更小的吸收。如果偏离了上述三种规整结构，可以仿照上述案例进行电场分析，利用电场强度分布为指向，降低吸收层的电场强度，从而获得吸收更小的膜系结构。

对于强激光薄膜设计，这种电场调节是必不可少的手段。本文前三部分的内容可以看做是基础铺垫。

² 薄膜材料

不同薄膜材料具有不同的透明区。选择合适的材料，更有利制备出低吸收薄膜。比如对于355nm高反膜要求，优先选择HfO2/SiO2组合，而非TiO2/SiO2组合；因为TiO2在355nm的吸收远大于HfO2。

在透明区内有多个膜料组合时，须依据设备条件选定膜料组合，优先选择折射率高且容易氧化的膜料。比如对于700nm的高反要求，如果设备没有离子源，则优先选择TiO2/SiO2，而非HfO2/SiO2组合或Ta2O5/SiO2组合。这是由于在700nm处，虽然HfO2可能吸收更小，但折射率过低；没有高能粒子辅助镀膜，Ta2O5薄膜很难做低吸收。

² 薄膜制备工艺

对于氧化物薄膜，吸收主要来自镀膜过程中的失氧。因此，在真空室内补充适量氧气是必要措施。具体氧气量的多少，需要依据设备抽气性能和镀膜工艺来确定。一般情况下，如果是直径1300mm的设备电子束蒸发TiO2薄膜， 40SCCM的充氧量是最低保障。而SiO2即使不充氧气也不会有明显吸收。

为保证氧化膜能否充分与氧结合，还需要以下措施。提高薄膜的沉积温度，降低薄膜的沉积速率；即提高沉积分子迁移率和增原子的停留时间，以提高沉积分子与氧气碰撞结合的概率。

或者用氧离子辅助镀膜，但需注意两点。一，离子源本身可能带来吸收。二、如果采用氩离子作为轰击离子，分子氧从非离子源通道供应，氧化的效果可能会大打折扣。

对于红外等非氧化物膜料，需要注意防止材料分解造成吸收。造成分解的因素主要是温度和辅助镀膜的高能离子。比如ZnS，很容易在高温时（一般认为临界温度为170℃）分解；比如YbF3，很容易在较大功率离子辅助镀膜时产生吸收。

对于红外等非氧化物膜料，同样需要注意防止膜料被氧化或吸附水分。这在前面的文章有过讨论，这里不再详述。

² 氧化物薄膜的退火工艺

所谓退火，通常是指薄膜在氧氛围条件下，对薄膜按照一定的步骤进行加热和降温的过程。一般情况下，退火温度会高于成膜温度。

适当温度的退火，可以促进薄膜份子二次迁移，从而进一步提高薄膜的氧化程度。

² 薄膜界面吸收

由于薄膜分层结构的特点，以及真空蒸发设备膜层交替动作的特殊性，膜层之间的界面，薄膜与基板的界面，以及薄膜与空气之间的界面，这些界面之间或多或少都会存在一定厚度的过渡层。这些过渡层都会有弱吸收存在。很多情况下，这种吸收不可忽略，甚至有可能会高于薄膜材料的体吸收。

很多镀膜机上这点体现的尤为明显。在给足氧气等保证充分氧化的条件下，氧化物薄膜依然有明显吸收时，很可能就是由于界面吸收引起。

对于这种吸收，可以通过两种方式解决。一是利用薄膜工艺辅助解决；二是改进镀膜机结构和控制程序。后者是小编推崇的根本解决之道。

五、总结

以三种传统高反膜结构（(HL)^S H，(HL)^S L，(HL)^S）为例，对薄膜的吸收计算方法和电场分布分析进行了讲解。

对于足够层数的高反膜，如果高反带的反射率，从短波到长波逐步降低，则说明薄膜存在明显吸收，这种现象可以作为判断薄膜吸收的依据；但需要注意的是，对于采用标准高反镜进行测量光谱的仪器，如果标准镜有明显吸收，测量出的光谱也会有类似形状，可能对损耗来源造成误判。

对于有吸收的高反膜，不同入射方向下，薄膜具有不同的反射特性和吸收特性。薄膜设计时需要考虑实际用途。

对吸收的控制方法进行了简介。选择合适的膜料组合，采用适宜的制备工艺，是控制吸收的根本。在此基础上，利用电场分布为导向，优化膜系设计，可以进一步降低薄膜的整体吸收。至于强激光薄膜，则需要进一步考虑电场在膜层内的分布问题。对于很多机器，界面吸收不可忽略，需要依据具体情况给出针对性的解决方案。