光学薄膜技术及其应用

光学薄膜技术及其应用张三1409074201摘要：介绍了传统光学薄膜的原理，根据薄膜干涉的基本原理及其特点，介绍了光学薄膜的性能、制备技术，研究了光学薄膜在的应用和今后的发展趋势。关键词：光学薄膜、薄膜干涉、应用、薄膜制备引言：光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。正文：1.光学薄膜的原理光学薄膜的直接理论基础是薄膜光学,它是建立在光的干涉效应基础上的、论述光在分层介质中传播行为。一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。该理论可以比较准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚的薄膜中的传播行为,由此设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。2.光学薄膜的性质及功能光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。依靠反射功能,它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位；依靠减反射功能，它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致,完美地实现现代光学仪器和光学系统的设计功能；依靠它的光谱调控功能,实现光学系统中的色度变换,获得五彩缤纷的颜色世界。不仅如此,光学薄膜又是光学系统中的偏振调控、相位调控以及光电、光热和光声等功能调控元件,光学薄膜的这些功能,在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用,促进了相关技术和学科的发展。3.传统光学薄膜和新型光学薄膜3.1传统光学薄膜传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。光波是一种电磁波，根据其波长的不同可分成红外线、可见光和紫外线等，当光波投射到物体上时，有一部分在它表面上被反射，其余部分经折射进入到该物体中，其中有一部分被吸收变为热能，剩的部分透射。不同的物质对光有不同的反射、吸收、透射性能，光学薄膜就是利用材料对光的这种性能，并根据实际需要制造的。传统光学薄膜就是利用材料的这种特性，对光线产生特异性行为。传统光学薄膜有反射膜、增透膜、滤光膜、纳米光学薄膜、偏振膜、分光膜、和位相膜等。3.2新型光学薄膜现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展，光学薄膜不仅用于纯光学器件，在光电器件、光通信器件上也得到广泛的应用。近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高，从而发展了一系列新型光学薄膜及其制备技术，并为解决光学薄膜产业化面临的问题提供了全面的解决方案，包括高强度激光器、金刚石及类金刚石膜、软Ｘ射线多层膜、太阳能选择性吸收膜和光通信用光学膜等。4.光学薄膜制备技术光学薄膜的制备技术是把薄膜材料按照一定的技术途经和特定的要求沉积为薄膜。在光学薄膜发展的历程中，各种先进的薄膜制备技术不断应用到光学薄膜制备的技术中。这些技术不仅大大拓宽了光学薄膜可以利用的材料范围，而且极大地改进了光学薄膜的性能和功能，进而给光学薄膜提供了更为宽广深远的发展空间。下面介绍几种常见的光学薄膜制备方法4.1物理气相学沉积物理气相沉积是光学薄膜制备的主流技术，物理气相沉积法，简单地说是在真空环境中加热薄膜材料使其成为蒸汽，蒸汽再凝结到温度相对低的基片上形成薄膜。膜层厚度可以精确控制，膜层强度好。PVD制备光学薄膜这一技术目前已被广泛采用，从而使各种光学薄膜在各个领域得到广泛应用。在PVD方法中，根据膜料汽化方式的不同，又分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。其中，光学薄膜主要采用热蒸发及离子辅助镀技术。4.2化学气相沉积化学气相沉积一般需要较高的沉积温度，而且在薄膜制备前需要特定的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径来生成固态薄膜的技术，CVD技术制备薄膜的沉积速率一般较高。但在薄膜制备过程中也会产生可燃、有毒等一些副产物。4.3化学液相沉积化学液相沉积工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，还造成废水、废气污染的问题。4.4反应离子镀膜法这种技术是利用热阴极弧源诱发膜料离子放电在镀膜室内形成等离子体，蒸发膜料离子部分被电离，在处于悬浮电位的工件架形成电场作用抵达基片，这样具有一定动能的离子态的膜料粒子与反应气体结合后淀积成膜，该膜层与玻璃基片附着牢固，薄膜的硬度与耐摩擦性能显著提高，因此受到了光学薄膜领域科学工作者的重视。但此项技术设备成本较高，对提高抗激光损伤能力的潜力有待进一步研究。5.光学薄膜的应用5.1应用于光学仪器5.1.1在镜片表面镀上1/4波长的薄膜后，就可以提高这种波长光线的透光率，比较常见的蓝膜，就是一种最简单的增透膜。由于它是针对人眼敏感的黄绿光（λ＝550nm）设计的λ/4光学厚膜，对于离550nm波长稍远的光波，此膜所产生的反射率增大，因此我们看到这种膜为蓝色（λ＝400nm）。5.1.2好的镜子会在所有的镜片表面镀膜，更好一些的镜子会在部分镜片表面镀多层膜，最好的镜子会在所有的镜片表面都镀上多层膜，这样可以提升整个可见光波段的透光率。5.1.3显微镜是用来观察极细微物质的光学系统，除了要对极其细微的物质充分照亮外，它的成像光学系统也必须尽可能地提高光通量，以减少光能反射损失。由于显微镜的光学系统较为复杂，光学表面多达20个左右，如不采取增透措施，其光通量可能降到30%，同时较强的反射光还会使杂散光增加，从而影响像的衬度、损害像的质量，所以它的镜片表面镀多层起增透作用的膜是必要的。5.1.4摄像机的镜头是让可见光范围内全部光谱最大限度透过，即透过的光波波带要尽量的宽，从而获得真实的反映自然界色彩的效果，因此光学薄膜采用了三层膜系结构。5.1.5如果眼镜镜片表面没有镀膜，那么当光线通过镜片的前后表面时，不但会产生折射，还会产生反射。这种在镜片前表面产生的反射光，会使观察者看戴镜者眼睛时，看到的是镜片表面的一片白光或者是观察者的像。拍照时，这种反光还会严重影响戴镜者的美观。再者，由于屈光镜片的前后表面的曲率不同，并且存在一定量的反射光，它们之间会产生内反射光，内反射光会在远点球面附近产生虚像，也就是在视网膜的像点附近产生虚像点即“鬼影”，同时也会有眩光产生，这些虚像点会影响视物的清晰度和舒适性。所以高折射率的镜片如果没有增透膜，反射光会对戴镜者带来的不适感比较强烈。增透膜就利用了这个原理，在镜片的表面镀上增透膜，使得膜层前后表面产生的反射光相消干涉，达到增透的效果。5.2应用于照明设备白炽灯、卤素灯、低压钠灯等照明光源上，既可提高能量利用率，又能改变光源光谱的能量分布，满足特定照明的需求。红外高反射薄膜中用途较广的是金属－介质复合膜和全介质多层干涉膜。目前用于高温照明光源的薄膜大多选用全介质膜系结构。多层全介质干涉膜系、镀制在卤素灯的真空玻璃灯管外壁，具有很好的热稳定性和化学稳定性，还有良好的机械特性。5.3应用于光纤通信光纤系统也像电子线路系统一样，需要许多无源器件来实现光纤光路的连接，分路，合路，交换，隔离以及控制或改变光信号的传播特性。光学薄膜在其中一些仪器中起着十分重要的作用。5.4航空航天上的应用5.4.1在科学卫星表面上镀铝和氧化硅膜，卫星的温度可控制在10～40℃范围。空间飞行器的主要能源是硅太阳能电池，通常在太阳能电池的熔石英盖片上淀积热性能控制滤光片。该滤光片只允许透过可转变成电能的太阳可见光和近红外区的辐射，反射有害的红外区热量5.4.2在航空航天等军用领域中，存在强光和电磁干扰等环境影响因素，为了使显示器能够在这种恶劣环境下稳定可靠工作，需要对显示器进行减反射电磁屏蔽加固。对氧化铟锡电磁屏蔽层与减反膜系进行综合设计。5.4.3航天服是航天员出仓从事空间活动必备的个人防护救生装备,它由服装、头盔、手套和航天靴等组成,头盔的面窗应有良好的光学性能和广阔的视野,以便航天员进行观察。头盔表面镀制了用于增透和光谱选择的光学薄膜。总结20世纪90年代科学家曾经预言,21世纪是光子世纪。光学薄膜是传输光子并实现其各种功能的重要载体和部件。传统光学薄膜已经广泛的存在于人们的日常生活中，它因其优良的性质，给人们的生活带来了便利。新型光学薄膜已经受到人们的广泛重视，对其研究和开发也层出不穷，在各个方面都将有广阔的发展前景，人们在期待光学、光电子学及光子学得到突破性发展的同时,必然会看到光学薄膜进一步的繁荣和发展。参考文献：【1】光学薄膜及其进展范正修(中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院强激光材料重点实验室,上海201800)【2】尤大伟.制备光学薄膜的离子源技术概述[J].真空科学与技术学报,2009,29(1):107-113【3】空间光学薄膜技术王多书＊熊玉卿陈焘王济洲董茂进李晨张玲(表面工程技术重点实验室兰州空间技术物理研究所兰州730000)【4】光学薄膜界面粗糙度互相关特性与光散射潘永强1,2吴振森2杭凌侠1(1西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;2西安电子科技大学理学院,陕西西安710071)【5】丁相午．常用光学薄膜的应用分析［Ｊ］．机械管理开发，２００７，（６）：６３～６５【6】光学薄膜及其应用方面的研究＊董小燕龚斌李雅丽（１）（南通大学理学院，江苏南通２２６００７）【7】新型光学薄膜研究及发展现状［Ｊ］王学华，薛亦渝，赵利，等．．武汉理工大学学报，２００２，２４（２）：２０－２３．【8】光学薄膜及其发展现状李金丽刘全校＊许文才（北京印刷学院印刷包装材料与技术重点实验室，北京１０２６００）【9】光学薄膜的研究新进展及应用沈远香，黄晓霞，王永惠(中国兵器工业第五九研究所，重庆400039)【10】国外光学薄膜的应用和真空镀膜工艺宋继鑫(兵器工业总公司210所北京100051)