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鍍膜工藝簡介:物理氣相沉積法(PVD)真空離子鍍膜與傳統電鍍之差異4
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超鋒科技股份有限公司 238 新北市新北市樹林區東豐街49巷45號
飛秒雷射脈寬窄、頻譜寬,對色散會有特別嚴格的要求。 短脈衝對色散非常敏感,當脈衝長度的平方小於群延遲色散時,會產生顯著的脈衝展寬。 只有低色散的鏡片和膜層才能保證飛秒雷射在傳播過程中保持原有的特性。 同時,飛秒雷射在傳播過程中不可避免地會發生展寬或啁啾,需要利用特別的負色散鏡進行調節補償,因此低群速度色散GDD反射鏡和負色散鏡對飛秒雷射的應用特別關鍵。低群色散GDD鏡片和高品質負色散鏡,需要獨特的膜層技術能夠精確控制鏡片和膜層的色散特性。由於不同頻率復色光的光在同一介質中的折射率不一樣,因此不同頻率的光相速度也不一樣,導致它們會以不同的折射角被分解而在出射區域形成光譜,這就叫色散。 群速度的概念和波包相關,波包相當與多種頻率得光波組成的集合。 波包最大振幅處的傳播速度就是群速度。 當波包在介質中傳播史,由於波包中不同頻率得光波會有不同的傳播速度,於是波包的形狀會發生變化,這就是群速度色散(GVD,Group Velocity Dispersion),也稱之為群速彌散。 當脈衝長度的平方小於群延遲色散時,會產生顯著的脈衝展寬。 下圖是當脈衝通過介質時產生的脈衝展寬現象。GVD本質上指的是群速度在光通過透明介質時,它發生的變化和頻率或波長有關的現象。 這個術語也可以用作一個精確定義的量,即逆群速度對角頻率(有時是波長)的導數,GVD的值可以由以下公式表達:GVD=∂∂ω1vg=∂∂ω∂k∂ω=∂2k∂ω2其中k是頻率相關的波數,在考慮到與波導相關的應用時,我們可以用β進行代替。由於群速度色散是單位長度的群延遲色散,當我們要計算一個波導的群延遲色散時,可以用群速度色散與波導長度進行相乘,其基本單位是s2/m。 例如,二氧化矽在800 nm處的群速度色散為35 fs2/mm,在1500 nm處的群速度色散為- 26 fs2/mm。 在這些波長之間的某個地方(約1.3微米),存在著零色散波長。在光纖通信中,群速度色散的定義不是群速度對角頻率的導數,而是定義為對波長的導數。 由以下GVD參數可以計算出:Dλ=∂∂λ1vg=-2πcλ2∙GVD=-2πcλ2∂2k∂ω2上述的這個量通常以ps/(nm km)為單位(每納米波長變化的皮秒數和公里傳播距離)。 例如,20ps /(nm km)在1550nm(電信光纖的一個典型值)相當於- 25509 fs2/m。重要的是要認識到由於長波長對應較小的光學頻率而產生的GVD和Dλ的不同意義。 正態色散意味著隨著光頻率的增加群速度降低; 這在大多數情況下都會發生,而負色散與之相反。 根據不同的情況,群速度色散可以有不同的重要影響: 它與超短脈衝的色散時間展寬或壓縮有關。 在光纖中,非線性效應強烈地依賴於群速度色散。 例如,可能會有光譜展寬或壓縮,這取決於色散特性。 在參數非線性相互作用中,色散也是不同波群速度不匹配的原因。 例如,它可以限制倍頻器、光參量振蕩器和放大器的交互頻寬。 綜合上述原因,我們知道超快雷射由於時間脈寬窄,頻域譜寬較大,因此對色散會有特別嚴格的要求。 短脈衝對色散非常敏感。 當脈衝長度的平方小於群延遲色散時,會產生顯著的脈衝展寬。 群速度只有在群速彌散效應非常小的情況下才有意義,如果群速彌散效應非常大,波包可能很快就會解體,這時的群速度也就沒有意義了。 只有低色散的鏡片和膜層才能保證飛秒雷射在傳播過程中保持原有的特性。 只有低色散的鏡片和膜層才能保證飛秒雷射在傳播過程中保持原有的特性。 要使群速度色散非常小,就必須使得波包的頻寬非常小。群延遲色散(GDD)和三階色散(TOD)如果脈衝被介質反射鏡反射,改反射鏡表面鍍由高、低折射率交替相疊的薄膜層,會有一個相移在原始和反射的脈衝之間產生。 一般來說,相移Φ(ω)在中心頻率附近ω0可能擴大ω0附近的泰勒級數頻率表達式為:其中Φ' (ω0)為群延遲(GD,Group Delay),Φ'' (ω0)為群延遲色散(GDD,Group Delay Dispersion),Φ''' (ω0)為三階色散(TOD,Third Order Dispersion),更嚴格地說,這種展開式只適用於完全可以解的模型,變換限制高斯脈衝的傳播和純相位色散。 對於非常短的脈衝和振幅和相位色散的組合,數值計算可能是必要的。 然而,這一擴展清楚地顯示了單個術語的物理意義:假設相移是線性的頻率(即GD≠0, GDD = 0和TOD = 0脈衝頻寬),反射的脈衝是由不斷的群延遲的影響而發生相位延遲,當然,縮放的振幅反射率和脈衝頻譜仍將不失真。 當GDD≠0時,觀察到兩個重要效應:反射脈衝被暫時加寬。 這種展寬效應只取決於GDD的絕對值。我司提供「低GDD雷射鏡片」,即鏡片在給定波長範圍內|GDD|<20 fs2; 當脈衝被這些反射鏡反射時,需要這個鏡片的作用來保持脈衝形狀。此外,脈衝變成“啁啾”,即它在脈衝時間改變其瞬時頻率。 這種效應取決於GDD的信號,所以暫態頻率可能會變高(上調-啁啾,GDD>0)或更低(向下-啁啾,GDD<0)。 這允許通過使用負GDD反射鏡來補償非線性光學元件的正GDD效應。 如下圖所示,可以通過正負GDD來平衡色散的震蕩。同時,飛秒雷射在傳播過程中不可避免地會發生展寬或啁啾,需要利用特別的負色散鏡進行調節補償,因此低群延遲色散GDD反射鏡和負色散鏡對飛秒鐳射的應用特別關鍵。 TOD還決定了脈衝長度和脈衝形狀(有可能引起脈衝失真),在脈衝長度為20fs及以下時,TOD是一個非常重要的因素。 在低群色散GDD鏡片和高品質負色散鏡領域,需要獨特的膜層技術能夠精確控制鏡片和膜層的色散特性。 https://www.steo.com.tw/hot_512703.html 群速度色散(GVD)和群延遲色散(GDD) 2025-04-02 2026-04-02
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物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition),簡稱 PVD。

PVD 一般區分為三種,分別是真空蒸著(Vacuum Evaporation)、濺鍍(Sputtering)、離子鍍著(Ion Plating)。

1. 真空蒸著(Vacuum Evaporation) 

金屬在真空中加熱時會變成氣體而蒸發,真空蒸著就是利用此原理。處理時多在 10-5Torr 以下的真空中進行,金屬及各種化合物都可當作被覆物質,其應用例有鏡片、反射鏡、塑膠零件等,但是以金屬表面硬化為目的的用途則很少,主要多用於裝飾性物件。

2. 濺鍍(Sputtering) 

高能量的粒子撞擊靶材時靶中的分子或原子被撞擊出來的現象,此原理是以靶為陰極,以基板為陽極,在 10-2Torr 左右的 Ar 氣氛中加以高電壓時陰極附近的 Ar 氣離子化後變成 Ar+,與陰極相撞擊,被 Ar+離子所撞擊飛出的分子或原子撞上基板而堆積形成薄膜。濺射應用範圍極廣,利用其薄膜的機能則是以耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性抗靜電或裝飾性為目的,但是因附著力的問題少見於刀具的應用。適用於大宗連續性鍍膜,例如手機零件等。

3. 離子鍍著(Ion Plating)

PVD 中密著性最佳者為離子鍍著方式;此方法是利用電弧撞擊靶材,使靶材原子被激發出來,與反應性氣體反應,形成化合物沉積於工件表面的一種技術。爐內運行至高真空後,通入惰性氣體,加偏壓造成氬離子(Ar+),及帶負電的電子(e-),帶正電的氬離子會撞向通入偏壓為負極的基板底材,來清潔工件表面;之後再通入反應氣體,在靶材和基板底材間產生電漿,進行鍍膜作業。此一方式成膜速度快、密著性較佳,多用於切削刀具被覆處理。

本公司採用最先進之 本公司採用最先進之陰極電弧法(cathode arc)進行鍍膜作業。與其他方式相比,此種方式擁有 進行鍍膜作業較多的離化率、均勻的披覆性以及最佳的密著性,大多被應用在金屬的硬質鍍膜上,特別是要求耐磨耗之物件。

 

PVD 真空離子鍍膜與傳統電鍍之不同

真空鍍膜厚度屬於微米級,1μm 相當於傳統電鍍一條的十分之一,因此經過鍍膜作業以後,並不會影響工件的精度;傳統電鍍的批覆方式是以一種包覆的方式在外形成一層電鍍層,並無高度密著性可言。

項目 傳統電鍍 真空離子鍍膜技術
方式 大氣中,以電解液為媒介,屬高污染製程 真空環境下,以電漿為媒介,屬於環保製程
特性 均勻性佳,薄膜表面有光澤。但僅以包覆方式 覆蓋表面無密著力可言 膜質緊密,均勻度視旋轉夾具之結構而定
硬度 硬度約 Hv900 左右 硬度可達 Hv1800 以上
厚度 厚度約為鍍膜的 10 倍以上 厚度為微米級(μm)有絕佳的被覆性
密著 熱脹冷縮容易脫落

面寬 0.2mm2的鑽石壓子尖端可承受 10kg 以上垂直重量,膜層無剝落,N>98 < TBODY>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PVD 真空離子鍍膜與電鍍方式之膜形差異

PVD 鍍膜製作之示意圖

PVD 鍍層會依底材形狀平均在上方形成一個鍍膜層,依底材高低形狀有所不同,經鍍膜後的高低形狀也是依照原先底材之態樣。

傳統電鍍製作之示意圖

一般濕式鍍層所製作之鍍膜會在表面覆蓋成一個薄膜層 ,不論底材之原先形狀為何,表面所呈現出來的薄膜層都會趨於平坦。

 

採用 CSR-101 刮痕試驗機之附著力測試結果

TiN 氮化鈦 → 90N

CrN 氮化鉻 → 92N

TiAIN 氮化鋁鈦→ 88N

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