光學(xué)薄膜及其應(yīng)用方面的研究＊

董小燕 龔 斌 李雅麗

（南通大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南通 226007）

1 引言

光學(xué)薄膜是指在光學(xué)玻璃、光學(xué)塑料、光纖、晶體等各種材料的表面上鍍制一層或多層薄膜，基于薄膜內(nèi)光的干涉效應(yīng)來改變透射光或反射光的強(qiáng)度、偏振狀態(tài)和相位變化的光學(xué)元件，是現(xiàn)代光學(xué)儀器和光學(xué)器件的重要組成部分［1，2］.從20世紀(jì)30年代開始，光學(xué)薄膜逐漸被廣泛應(yīng)用于日常生活、工業(yè)、天文學(xué)、軍事、宇航、光通信等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中起到了重大作用，因而得到了科學(xué)技術(shù)工作者的日益重視.而今新興技術(shù)的發(fā)展對薄膜技術(shù)不斷提出新的要求，又進(jìn)一步促使了光學(xué)薄膜技術(shù)的蓬勃發(fā)展［3～5］.所以近年來，對光學(xué)薄膜的研究及其應(yīng)用一直是非?；钴S的課題.本文在簡單敘述薄膜干涉的一些相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，介紹了光學(xué)薄膜常見的幾種制備方法，研究了光學(xué)薄膜技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用，并且展望了光學(xué)薄膜研究的廣闊前景.

2 光學(xué)薄膜干涉的原理

圖1 薄膜干涉的基本原理

假如取薄膜的光學(xué)厚度為n2×d＝λ/4，當(dāng)n1＜n2；n3＜n2或n1＞n2；n3＞n2時(shí)，因薄膜上下表面的光學(xué)性質(zhì)不相同，都有λ/2附加光程差，兩反射光的光程差δ＝λ，兩反射光干涉相長，增加了反射光的能量，這種薄膜稱為增反膜；當(dāng)n1＜n2＜n3或n1＞n2＞n3時(shí)，因薄膜上下表面的光學(xué)性質(zhì)相同，上下表面的反射光沒有附加光程差，兩反射光的光程差δ＝λ/2，兩反射光干涉相消，增加了透射光的能量，這種薄膜被稱為增透膜.總之，當(dāng)（n2－n1）（n2－n3）＞0 時(shí) 有 增 反 作 用，當(dāng)（n2－n1）（n2－n3）＜0時(shí)具有增透的作用.

3 光學(xué)薄膜的制備

在光學(xué)薄膜發(fā)展的歷程中，各種先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)不斷應(yīng)用到光學(xué)薄膜制備的技術(shù)中.這些技術(shù)不僅大大拓寬了光學(xué)薄膜可以利用的材料范圍，而且極大地改進(jìn)了光學(xué)薄膜的性能和功能，進(jìn)而給光學(xué)薄膜提供了更為寬廣深遠(yuǎn)的發(fā)展空間.下面介紹幾種常見的光學(xué)薄膜制備方法.

3.1 物理氣相沉積法

物理氣相沉積法簡單地說，是在真空環(huán)境中加熱薄膜材料使其成為蒸汽，蒸汽再凝結(jié)到溫度相對低的基片上形成薄膜的過程.之所以選擇高真空環(huán)境是因?yàn)楸∧げ牧显诔练e的過程中不會(huì)與空氣中的活潑氣體反應(yīng)，以及蒸汽分子在真空環(huán)境中不會(huì)與氣體分子碰撞，而是直接地到達(dá)基片.在實(shí)際薄膜沉積的過程中，需要控制的工藝參數(shù)非常多，通常涉及到真空技術(shù)、材料科學(xué)、精密機(jī)械制造、光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域.

3.2 離子束輔助沉積法

離子束輔助沉積法是在氣相沉積鍍膜的同時(shí)，利用高能粒子轟擊薄膜沉積表面，對薄膜表面環(huán)境產(chǎn)生影響，從而改變沉積薄膜成分、結(jié)構(gòu)的過程.這種把離子輔助與反應(yīng)蒸發(fā)法結(jié)合起來的鍍膜技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低溫成膜，改善薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能并提高薄膜和基體結(jié)合力，從而提高薄膜的綜合性能.但由于離子束轟擊基片的能量束流密度不均勻以及高能量離子引起的反濺射等因素，使得離子束輔助蒸發(fā)技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中受到限制.通常對ZnS、MgF2等軟膜采用離子輔助技術(shù)以后，膜層的牢固性獲得了明顯的改善，但無論對軟膜或電子束蒸發(fā)的氧化物硬膜在抗激光損傷方面的效果均不明顯.

3.3 反應(yīng)離子鍍膜法

這種技術(shù)是利用熱陰極弧源誘發(fā)膜料離子放電在鍍膜室內(nèi)形成等離子體，蒸發(fā)膜料離子部分被電離，在處于懸浮電位的工件架形成電場作用下抵達(dá)基片，這樣具有一定動(dòng)能的離子態(tài)的膜料粒子與反應(yīng)氣體結(jié)合后淀積成膜，該膜層與玻璃基片附著牢固，薄膜的硬度與耐摩擦性能顯著提高，因此受到了光學(xué)薄膜領(lǐng)域科學(xué)工作者的重視.但此項(xiàng)技術(shù)設(shè)備成本較高，對提高抗激光損傷能力的潛力有待進(jìn)一步研究.

3.4 氣相混合蒸發(fā)法

氣相混合蒸發(fā)法是用兩個(gè)電槍同時(shí)蒸發(fā)兩種不同材料，另外用兩個(gè)石英探頭分別監(jiān)控各槍的淀積速率，通過氣相混合，獲得漸變折射率膜層的過程.這種光學(xué)膜層可用作某些基片材料的單層增透膜，以替代原來鍍在基片上的多達(dá)幾十層的多層膜，從而改善薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，增加膜層強(qiáng)度，并且使制備折射率按梯度變化成為可能.這種技術(shù)消除了用常規(guī)方式得到的薄膜與空氣（或基體）所形成的突變界面，而以漸變界面取代突變界面，附著力增強(qiáng)，界面吸收減少，另外，漸變界面的熱傳導(dǎo)系數(shù)比普通膜系界面的傳導(dǎo)系數(shù)高.這種非均勻膜已成為薄膜光學(xué)的一個(gè)重要分支，它打破了傳統(tǒng)膜系的設(shè)計(jì)方法，并由此得到了使傳統(tǒng)膜系不能制備的優(yōu)良光譜性能，而且期望極大地改善薄膜元件的抗損傷性能（約提高20%），因而引起人們極大的興趣.

3.5 溶膠－凝膠法

溶膠－凝膠法是以金屬醇鹽或其他金屬無機(jī)鹽的溶液作為前驅(qū)體溶液，在低溫下通過溶液中的水解、聚合等化學(xué)反應(yīng)，首先生成溶膠，進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠，然后經(jīng)過熱處理或減壓干燥，在較低溫度下制備出各種無機(jī)材料薄膜或復(fù)合材料薄膜的方法.這種技術(shù)可以用于制備各種光學(xué)膜如高反射膜、減反射膜等，還可以制備光導(dǎo)纖維、折射率梯度材料、有機(jī)染料摻雜型非線性光學(xué)材料等，以及波導(dǎo)光柵、稀土發(fā)光材料等.隨著研究的進(jìn)一步深入，期待和自蔓延法連用制備出常規(guī)方法較難制備的新型納米材料.

4 光學(xué)薄膜的應(yīng)用

光學(xué)薄膜由于具有良好的牢固性和光學(xué)穩(wěn)定性，且質(zhì)量極輕，成本相對來說較低，因此在各類光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛，從眼鏡鍍膜到手機(jī)、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)的液晶顯示，以及LED 照明、精密及光學(xué)設(shè)備等，充斥著我們生活的方方面面，并使我們的生活更加多姿多彩.

4.1 應(yīng)用于光學(xué)儀器

4.1.1 應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡

光學(xué)薄膜品質(zhì)的好壞直接影響著望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量的優(yōu)劣.當(dāng)一束白光入射到光學(xué)鏡片上，如果鏡片的光學(xué)薄膜品質(zhì)不好，對某種波長的反射過大，剩余的光將按顏色互補(bǔ)原則，呈現(xiàn)補(bǔ)色入射到光學(xué)系統(tǒng)中，最終將導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡成像后色彩失真.當(dāng)在鏡片表面鍍上1/4波長的薄膜后，就可以提高這種波長光線的透光率，比較常見的藍(lán)膜，就是一種最簡單的增透膜.由于它是針對人眼敏感的黃綠光（λ＝550nm）設(shè)計(jì)的λ/4光學(xué)厚膜，對于離550nm 波長稍遠(yuǎn)的光波，此膜所產(chǎn)生的反射率增大，因此我們看到這種膜為藍(lán)色（λ＝400nm）.另有一種紅膜望遠(yuǎn)鏡，一般適用于雪地等高反光環(huán)境，日常使用會(huì)造成成像顏色暗淡、偏色等嚴(yán)重問題.好的鏡子會(huì)在所有的鏡片表面鍍膜，更好一些的鏡子會(huì)在部分鏡片表面鍍多層膜，最好的鏡子會(huì)在所有的鏡片表面都鍍上多層膜，這樣可以提升整個(gè)可見光波段的透光率.

4.1.2 應(yīng)用于顯微鏡

顯微鏡是用來觀察極細(xì)微物質(zhì)的光學(xué)系統(tǒng)，除了要對極其細(xì)微的物質(zhì)充分照亮外，它的成像光學(xué)系統(tǒng)也必須盡可能地提高光通量，以減少光能反射損失.由于顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)較為復(fù)雜，光學(xué)表面多達(dá)20個(gè)左右，如不采取增透措施，其光通量可能降到30%，同時(shí)較強(qiáng)的反射光還會(huì)使雜散光增加，從而影響像的襯度、損害像的質(zhì)量，所以它的鏡片表面鍍多層起增透作用的膜是必要的.

我們常見的顯微鏡物鏡和目鏡光學(xué)表面呈藍(lán)色或紫紅色，這是為了讓波長為λ＝550nm 的黃綠光有利通過，而在鏡片上鍍氟化鎂層就具有這樣的效果，其光學(xué)厚度為λ/4.根據(jù)透射對光譜的選擇性曲線，在紅光區(qū)及紫光區(qū)反射相對增強(qiáng)，因此所見的薄膜成紫紅色或藍(lán)色.

4.1.3 應(yīng)用于攝像機(jī)、照相機(jī)

攝像機(jī)的鏡頭是讓可見光范圍內(nèi)全部光譜最大限度透過，即透過的光波波帶要盡量的寬，從而獲得真實(shí)的反映自然界色彩的效果，因此光學(xué)薄膜采用了三層膜系結(jié)構(gòu).

當(dāng)基質(zhì)玻璃折射率ng＜1.65 時(shí)，采用λ/4－λ/2－λ/4形式；當(dāng)基質(zhì)玻璃折射率ng＞1.65時(shí)，采用λ/4－λ/4－λ/4形式.這種分層膜系在更多的波譜處追求反射率為零，增透波帶變寬.另外，薄膜對于入射白光的選擇性反射，會(huì)因入射光的角度變化而發(fā)生相應(yīng)變化，當(dāng)我們從不同的角度觀察這些光學(xué)表面時(shí)，將會(huì)看到不同的色彩反光.通常，入射角度越大，紅光的反射越大，所以側(cè)面看鏡頭時(shí)多呈紅黃色.

為了與彩色顯示設(shè)備中的三原色還原系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)相一致，光電式彩色攝像機(jī)中所用的彩色分光系統(tǒng)，也是利用薄膜對光波透、反作用的選擇性，將白色光分離成三束原色光進(jìn)入信號記錄儀，以備在相應(yīng)制式的放映系統(tǒng)中播放使用.

4.1.4 應(yīng)用于眼鏡鏡片

如果眼鏡鏡片表面沒有鍍膜，那么當(dāng)光線通過鏡片的前后表面時(shí)，不但會(huì)產(chǎn)生折射，還會(huì)產(chǎn)生反射.這種在鏡片前表面產(chǎn)生的反射光，會(huì)使觀察者看戴鏡者眼睛時(shí)，看到的是鏡片表面的一片白光或者是觀察者的像.拍照時(shí)，這種反光還會(huì)嚴(yán)重影響戴鏡者的美觀.再者，由于屈光鏡片的前后表面的曲率不同，并且存在一定量的反射光，它們之間會(huì)產(chǎn)生內(nèi)反射光，內(nèi)反射光會(huì)在遠(yuǎn)點(diǎn)球面附近產(chǎn)生虛像，也就是在視網(wǎng)膜的像點(diǎn)附近產(chǎn)生虛像點(diǎn)即“鬼影”，同時(shí)也會(huì)有眩光產(chǎn)生，這些虛像點(diǎn)會(huì)影響視物的清晰度和舒適性.所以高折射率的鏡片如果沒有增透膜，反射光會(huì)對戴鏡者帶來的不適感比較強(qiáng)烈.增透膜就利用了這個(gè)原理，在鏡片的表面鍍上增透膜，使得膜層前后表面產(chǎn)生的反射光相消干涉，達(dá)到增透的效果.對于染色鏡片或變色鏡片來說，透光量會(huì)降低，但鏡片表面的反射光依然存在，這樣由鏡片凹面的反射光和鏡片前后表面的內(nèi)反射所產(chǎn)生的鬼影和眩光依然會(huì)干擾視覺，影響戴鏡者視物的清晰度和舒適性.所以染色鏡片和變色鏡片也是需要鍍增透膜的.

4.2 應(yīng)用于照明設(shè)備

利用光學(xué)薄膜的干涉特性，選擇性地吸收，反射或透射照明光源中的紅外輻射能量，已成為近年熱性能光學(xué)控制薄膜的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域.其中對可見光具有很高透過率的紅外高反射薄膜，用于白熾燈、鹵素?zé)?、低壓鈉燈等照明光源上，既可提高能量利用率，又能改變光源光譜的能量分布，滿足特定照明的需求.紅外高反射薄膜中用途較廣的是金屬－介質(zhì)復(fù)合膜和全介質(zhì)多層干涉膜.

金屬－介質(zhì)復(fù)合膜最典型的是TiO2/Ag/TiO2薄膜，這種膜以較簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了可見光高透射紅外高反射的目的，該薄膜的光學(xué)特性曲線如圖2所示.

圖2 TiO2/Ag/TiO2 薄膜光學(xué)特性曲線

采用SnO2/Ag/SnO2膜系結(jié)構(gòu)的金屬－介質(zhì)復(fù)合膜，用熱蒸發(fā)方法鍍制于白熾燈玻殼內(nèi)表面，可使白熾燈的相對光譜能量分布中紅外輻射能量近乎為零，而可見光的光譜能量卻較未鍍膜時(shí)有所增加，使相同功率的鍍膜白熾燈輸出光通量較普通燈泡變大，起到了一定的節(jié)能作用.

但是，金屬－介質(zhì)復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較差，而且其光學(xué)特性也不夠理想，因此，目前用于高溫照明光源的薄膜大多選用全介質(zhì)膜系結(jié)構(gòu).據(jù)稱，采用TiO2/SiO2或Ta2O5/SiO2多層全介質(zhì)干涉膜系、鍍制在鹵素?zé)舻恼婵詹Ａ艄芡獗?，?jié)能已達(dá)到15%～40%，而且這類膜系屬于硬膜，除了具有很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性外，還有良好的機(jī)械特性.其中適用于高功率鹵素?zé)簦ǔＳ糜趶?fù)印機(jī)曝光燈）和鈉燈等光源的較理想的薄膜是Ta2O5/SiO2多層介質(zhì)膜.該薄膜的光學(xué)特性基本上不受溫度影響，具有良好的耐熱性.

4.3 應(yīng)用于光纖通信

光纖系統(tǒng)也像電子線路系統(tǒng)一樣，需要許多無源器件來實(shí)現(xiàn)光纖光路的連接，分路，合路，交換，隔離以及控制或改變光信號的傳播特性.光學(xué)薄膜在其中一些儀器中起著十分重要的作用.在透鏡擴(kuò)束式連接器中，透鏡表面需要鍍制減反射膜，消除菲涅爾反射的影響.在光纖定向耦合器中，部分反射介質(zhì)膜鍍制在兩透鏡的結(jié)合面上.這種微光元件組成的定向耦合器，結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，插入損耗較低（＜1dB），對膜的功率分配不敏感，因此得到很多應(yīng)用.部分介質(zhì)反射膜也可以鍍制在直角棱鏡斜面上，構(gòu)成一種T 形耦合器.另有一種光波分復(fù)用器（WDM），屬于波長選擇性耦合器，是用來合成不同波長的光信號或者分離不同波長的光信號的無源器件.WDM 可用各種方法設(shè)計(jì)制造，其中干涉濾波器型WDM器件的主要特點(diǎn)是信道帶寬平坦，插入損耗低，結(jié)構(gòu)尺寸小，性能穩(wěn)定.它是利用多層介質(zhì)膜作為濾波器，具體結(jié)構(gòu)有兩類：一類為干涉濾波器，另一類為吸收濾波器.兩者都可用介質(zhì)薄膜構(gòu)成.WDM 膜系一般采用1/4 波長的厚度，只在兩邊利用不規(guī)則的厚度.采用1/4波長厚度膜系的監(jiān)控方法簡單，極值法具有自動(dòng)補(bǔ)償單層膜監(jiān)控誤差.膜系一般采用多個(gè)F－P腔的形式，鍍膜的材料采用兩種常用的材料SiO2和TiO2［7］.

目前光通信系統(tǒng)中實(shí)用的有源器件是摻鉺光纖放大器（EDFA）.采用光學(xué)鍍膜濾光片是常用的一種改善EDFA 的增益平坦的手段，另外在EDFA 后，探測器前放置一塊窄帶濾光片可以減少噪聲的影響.

4.4 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施

有一種遮陽節(jié)能簾膜在農(nóng)業(yè)上用于種植大棚，其功能主要體現(xiàn)在：當(dāng)夏天氣溫過高時(shí)，反射太陽光，阻擋紅外輻射，使棚內(nèi)溫度不至升得太高，起遮陽降溫的作用；當(dāng)冬天氣溫過低時(shí)，反射地表熱輻射，使棚內(nèi)溫度不至降得過低，起到保溫節(jié)能的作用.我國從1997年起開始自行研制新型遮陽節(jié)能簾膜，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，終于獲得成功.新型遮陽節(jié)能簾膜系采用在高分子基質(zhì)材料上真空鍍鋁膜而制成的.因?yàn)殇X鍍膜層對塑料的附著力強(qiáng)，富有金屬光澤；而且鋁在所要求的波長范圍內(nèi)反射率較高，厚度4×10－8m（40nm）的鋁鍍膜層的反射率達(dá)到90%，所以其保溫節(jié)能性能、耐氣候老化性能、耐腐蝕性能、傳熱性能等都達(dá)到了國際水平，有的性能甚至超過了一些發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品.另外，高純度的鋁價(jià)格比較便宜，這是其他鍍膜材料所不及的.目前我國已能穩(wěn)定地、大規(guī)模地生產(chǎn)新型遮陽節(jié)能簾膜，且性能價(jià)格比優(yōu)于國際同類產(chǎn)品.

5 結(jié)束語

綜合國內(nèi)外光學(xué)及光學(xué)薄膜的研究現(xiàn)狀，光學(xué)薄膜的研究呈現(xiàn)以下幾個(gè)發(fā)展趨勢：

1）繼續(xù)重視對傳統(tǒng)光學(xué)儀器中光學(xué)薄膜應(yīng)用的研究和開發(fā)，提高薄膜的光學(xué)質(zhì)量，研究大面積鍍膜技術(shù)及其應(yīng)用；

2）開發(fā)與新型精密光學(xué)儀器及光電子器件要求相適應(yīng)的光學(xué)薄膜及其材料的制備方法，以滿足現(xiàn)代光學(xué)、空間技術(shù)、軍事技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益迫切的需要；

3）開發(fā)極端光譜條件下的光學(xué)薄膜，如超窄帶密集型波分復(fù)用濾波片，軟X 射線膜，高功率激光膜等的制備技術(shù)；

4）開發(fā)與環(huán)境保護(hù)息息相關(guān)的“綠色光學(xué)薄膜”，實(shí)現(xiàn)光能與人類健康需要的相互協(xié)調(diào)；

5）研究光學(xué)薄膜的材料物理、成膜過程的原位觀察，實(shí)現(xiàn)鍍膜過程的自動(dòng)控制和超快速低溫鍍膜.

時(shí)至今日，光學(xué)薄膜已獲得很大的發(fā)展，光學(xué)薄膜的生產(chǎn)已逐步走向系列化、程序化和專業(yè)化，但是，在光學(xué)薄膜的研究中還有不少問題有待進(jìn)一步解決，光學(xué)薄膜現(xiàn)有的水平還需要進(jìn)一步提高.20世紀(jì)90年代科學(xué)家曾預(yù)言21世紀(jì)是光子世紀(jì)，而光學(xué)薄膜作為傳輸光子并實(shí)現(xiàn)其各種功能的重要載體，必然會(huì)在光學(xué)、光電子學(xué)及光子學(xué)獲得突破性發(fā)展的同時(shí)，得到進(jìn)一步的繁榮和發(fā)展.

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