光学涂层用于增强光学元件的透射、反射或偏振特性。例如，每个未镀膜玻璃器件的表面将反射约10%的入射光。采用增透膜可使各表面反射率降低到0.1%以下，采用高反射介质膜可使各表面反射率提高到99.99%以上。光学涂层由薄层氧化物、金属或稀土材料组成。光学涂层的性能取决于层数、厚度和不同层间的折射率差。

它们的光学厚度通常是/4光学厚度(QWOT)或/2光学厚度(hot)的波长的光在应用中使用，以最大限度地或减少干扰。这些薄膜交替在高和低折射率，以诱导所需的干涉效果(图1)。

光学涂层是为了提高光学元件在特定入射角和偏振角(如s偏振、p偏振或随机偏振)下的性能而设计的。如果涂层的入射角或偏振角与设计不同，则性能将明显降低。足够大的入射角和偏振偏差可能导致涂层功能完全丧失。

为了理解光学镀膜，必须了解菲涅耳折射和反射方程。折射是波从一种光介质传播到另一种光介质时方向的变化。它由斯涅尔折射定律决定：

(1) n1sin。1=2n1sinn2sin。1=n2sin sin。2

其中n1为入射介质的折射率，1为入射光的角度，n2为折射/反射介质的折射率，2为折射/反射光的角度(图2)。

用斯涅尔定律可以求出由不同折射率的平行表面组成的多层薄膜涂层在任意位置上的光角。由于Snell定律适用于每个界面，因此光在膜中的内角与膜的顺序或膜在堆栈中的位置无关(图3):

(2) n1sin 1 2==n2sin n3sin 3=4 n1sin n4sin1=n2sin () 2=n3sin () 3=n4sin ()4

由于n1=n4，图3中的出射射线将与入射射线平行。由于光学元件的曲率，在曲面上的光学涂层并不是一个真正的平面平行结构。然而，由于涂层较薄，近似仍然有效。1

反射定律指出，反射光相对于表面法线的角度与入射角的大小相等，但相对于表面法线的方向相反。

(3) 1=-。1=2 -。2

如果光从一种低折射率介质入射到另一种低折射率介质的入射角大于由两种折射率之比定义的材料的临界角(C)，则发生全反射，光被完全反射(图4)。当入射角等于临界角时，则折射角等于90度。2

(4) C=C=n2n1 n2n1

两种光介质界面处的透射和反射振幅系数由菲涅耳透射和反射方程确定

(5) ts=2n1cos n2cos n1cos 1 + 2ts=2n1cos (1) n1cos (1) + n2cos (1)2

(6) rs=n1cos 1-2 n1cos n2cos 1 + 2rs=n1cos n2cos 1- n2cos 2 n1cos 1 + n2cos 1。2

(7) tp=2n1cos n1cos 2 + n2cos 1 tp=2n1cos 1 n1cos 2 + n2cos 2。1

2 - (8) rp=n1cos n2cos n1cos 2 + n2cos 1 rp=n1cos- n2cosn1cos+ n2cos。1

其中，和为正反偏振的幅值透射系数，和为正反偏振的幅值反射系数，n1和n2为两种光介质的折射率，为入射角，1和2为透射反射角。在正入射时，1和2为0，使得所有余弦项1和振幅系数对于两种偏振态都是相同的。这很直观，因为在法向入射下，s和p偏振态没有区别。

当光线照射到入射材料表面的电子时，就会发生反射。电子吸收并重新发射失去了一些能量的光。明亮和高反射的镜面材料有更多自由移动的电子，允许最大的反射和最小的透射。

有几种应用光学涂层的技术，包括蒸发沉积、等离子溅射、离子束溅射和原子层沉积(表1)。

在蒸发沉积过程中，源材料在真空室中通过加热或电子束轰击汽化。在蒸发过程中，蒸汽凝结在光学表面上，并精确控制加热、真空压力、基板定位和旋转，从而实现特定设计厚度的均匀光学涂层。蒸发沉积可以适应更大的涂层尺寸，并且通常比本节所述的其他技术更具成本效益。相对温和的汽化性质导致涂层松散或多孔。这些松散的涂层存在吸水问题，会改变涂层的有效折射率，导致性能下降。蒸发沉积过程中不能精确控制蒸发，因此不能像离子束溅射等其他技术那样精确控制层厚。然而，这些松散涂层的优点是它们相对没有压力。可以使用离子束辅助沉积(IBAD或IAD)来增强蒸发涂层，其中离子束直接应用于基材表面，增加源材料与表面的粘附能，从而产生更致密，更坚固的涂层。

等离子溅射包括一系列已知的技术，包括先进的等离子溅射和磁控溅射。一般的概念来自于等离子体的产生。等离子体中的离子随后加速进入源材料，击出松散的高能离子，然后溅射到目标光学元件上。虽然每种等离子溅射都有其独特的特点、优点和缺点，但由于它们具有共同的操作概念，因此将这些技术组合在一起。与本节讨论的其他涂层技术相比，这一组的差异要小得多。等离子溅射在蒸发沉积和离子束溅射之间实现了价格和性能之间的权衡。

在离子束溅射(IBS)过程中，使用高能电场来加速离子束(图5)。这种加速为离子提供了显著的动能(~10-100eV)。当源材料受到冲击时，源材料离子从靶上“溅射”出来，与光学表面接触后形成致密薄膜。使用IBS涂层代替蒸发沉积的一个主要优点是能够更精确地监测和控制单个涂层的生长速率、能量输入和氧化水平。这种控制水平可以实现高重复性的涂层批次和最小的层厚误差，确保涂层性能与设计的光谱和相位参数一致。5IBS涂层比使用其他涂层技术的涂层光滑得多，使IBS涂层成为唯一可以产生反射率超过99.99%的“超级镜子”的涂层技术，并且涂层的粗糙度也低于原始基材。IBS涂层的高密度使其经久耐用，提高了其耐化学性，延长了涂层的使用寿命，使其能够承受更恶劣的环境。在IBS过程中，每层的折射率也可以变化，这进一步提高了过程控制水平。5IBS以其准确性和可重复性而闻名，是高性能激光光学涂层的首选涂层沉积技术。IBS的缺点是它的成本比其他技术高，因为它的循环时间更长，并且在光学元件中产生应力，这可能导致变形和光学畸变。

原子层沉积(ALD)

与蒸发沉积不同，原子层沉积(ALD)的源材料不需要从固体中蒸发出来，而是直接作为气体提供。尽管使用了气体，但在真空室中经常使用高温。在ALD中，前体以非重叠脉冲的形式传递，每个脉冲都是自我限制的。该过程的化学设计使得每个脉冲只能附着一层，并且表面的几何形状不是限制因素。这允许对层厚度和设计进行非凡的控制。这导致沉积速度慢，每个涂层的成本高。然而，用于ALD的腔室通常相当大，并且可以在一次运行中覆盖许多光学元件。ALD也是与视线无关的，这意味着它可以用来绘制具有不同寻常几何形状的光学元件，而用其他方法很难绘制这些光学元件。