光学薄膜概论

光学薄膜

光学薄膜泛指在光学器件或光电子元器件表面用物理化学等方法沉积的、利用光的干涉现象以改变其光学特性来产生增透、反射、分光、分色、带通或截止等光学现象的各类膜系。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。

光学薄膜的特点是：

表面光滑，膜层之间的界面呈几何分割；膜层的折射率在界面上可以发生跃变，但在膜层内是连续的；可以是透明介质，也可以是吸收介质；可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。

光学薄膜的基本原理:

1.利用光线的干涉效应，当光线入射於不同折射系数物质所镀成的薄膜，产生某种特殊光学特性。

分类：光学薄膜就其所镀材料之不同，大体可分为金属膜和非金属膜。

a.金属膜：主要是作为反射镜和半反射镜用。在各种平面或曲面反射镜，或各式稜镜等，都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等 各种不同的材料。不同的材料在光谱上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可见光、近红外光有良好的反射率，是镀反射镜最常使用的材料之一。Ag膜在可见光和近红外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光泽，只能短暂的维持高反射率，所以只能用在内层反射用，或另加保护膜。

b.金属膜：主要是作为反射镜和半反射镜用。在各种平面或曲面反射镜，或各式棱镜等，都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等各种不同的材料。不同的材料在光谱上有不同的特性。铝是从紫外区到红外区都具有很高反射率的唯一材料，同时铝膜表面在大气中能生成一层薄的氧化铝(Al2O3)，所以膜层比较牢固、稳定。由于上述原因，铝膜的应用非常广泛。银膜在可见光区和红外区都有很高的反射率，而且在倾斜使用时引人的偏振效应也最小。但是蒸发的银膜用作前表面镜镀层时却因下列两个原因受到严重限制:它与玻璃基片的豁附性很差;同时易受到硫化物的影响而失去光泽。曾试图使用蒸发的一氧化硅或氟化镁作为保护膜，但由于它们与银的赫附性很差，没有获得成功。所以通常仅用于短期作用的场合或作为后表面镜的镀层。金膜在红外区的反射率很高，它的强度和稳定性比银膜好，所以常用它作为红外反射镜。金膜与玻璃基片的附着性较差，为此常用铬膜作为衬底层。如果在金膜的淀积过程中，辅之以离子束轰击，则可显著提高金膜与基片的附着力。

2.利用光波干涉原理，在镜片的表面镀上一层薄膜，厚度为1/4 波长的光学厚度，使光线不再只被玻璃—空气界面反射，而是空气—薄膜、薄膜—玻璃二个界面反射，因此产生干涉现象，可使反射光减少。若镀二层的抗反射膜，使反射率更低，但是镀一层或二层都有缺点：低反射率的波带不移宽，不能在可见光范围都达到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen三位首先发表以1/4一1/2一1/4波长光学厚度作三层抗反射膜可以得到宽波带低反射率的抗反射膜。多层抗反射膜除了宽波带的，也可做到窄波带的。也就是针对其一波长如氨氟雷射632.8nm波长，要求极高的透射，可使63Z.8nm这一波长透射率高达99.8%以上，用之於雷射仪器。但若需要对某一波长的光线有看极高的反射率需要用高低不同折射系数的材料反覆蒸镀数十层才可达到此效果。

光学薄膜的制造方式：

热电阻式、电子枪式和溅射方式。最普通的方式为热电阻式，是将蒸镀材料在真空蒸镀机内置於电阻丝或片上，在高真空的情况下，加热使材料成为蒸气，直接镀於镜片上。由於有许多高熔点的材料，不易使用此种方式使之熔化、蒸镀。而以电子枪改进此缺点，其方法是以高压电子束直接打击材料，由於能量集中可以蒸镀高熔点的材料。另一方式为溅射方式，是以高压使惰性气体离子化，打击材料使之直接溅射至镜片，以此方式所作薄漠的附著力最好

应用及市场前景:

光电信息产业中最有发展前景的通讯、显示和存储三大类产品都离不开光学薄膜，如投影机、背投影电视机、数码照相机、摄像机、DVD，以及光通讯中的DWDM、GFF滤光片等，光学薄膜的性能在很大程度上决定了这些产品的最终性能。光学薄膜正在突破传统的范畴，越来越广泛地渗透到从空间探测器、集成电路、生物芯片、激光器件、液晶显示到集成光学等各学科领域中，对科学技术的进步和全球经济的发展都起着重要的作用，研究光学薄膜物理特性及其技术已构成现代科技的一个分支——薄膜光学。光学薄膜技术水平已成为衡量一个国家光电信息等高新技术产业科技发展水平的关键技术之一。