光學薄膜的應用領域及分類

光學薄膜的應用領域及分類

光學薄膜是利用薄膜對光的作用而工作的一種功能薄膜，光學薄膜在改變光強方面可以實現(xiàn)分光透射、分光反射、分光吸收以及光的減反、增反、分束、高通、低通、窄帶濾波等功能。光學薄膜的種類有很多，這些薄膜賦予光學元件各種使用性能，在實現(xiàn)光學儀器的功能和影響光學儀器的質(zhì)量方面起著重要的或者決定性的作用。

傳統(tǒng)的光學薄膜是現(xiàn)代光學儀器和各種光學器件的重要組成部分，通過在各種光學材料的表面鍍制一層或多層薄膜，利用光的干涉效應來改變透射光或反射光的光強、偏振狀態(tài)和相位變化。薄膜可以被鍍制在光學玻璃、塑料、光纖、晶體等各種材料表面上。它的厚度可從幾個nm到幾十、上百個μm。光學薄膜可以得到很好的牢固性、光學穩(wěn)定性，成本又比較低，幾乎不增加材料的體積和重量，因此是改變系統(tǒng)光學參數(shù)的優(yōu)選方法，甚至可以說沒有光學薄膜就沒有現(xiàn)代的光學儀器和各種光學器件。在兩百多年的發(fā)展過程中，光學薄膜形成了一套完整的光學理論—薄膜光學。光學薄膜已廣泛應用于各種光學器件(如激光諧振腔、干涉濾波片、光學鏡頭等)，不僅如此它在光電領域中的重要作用亦逐漸為人們所認識。

1、減反射膜

假定光線垂直入射在表面上，這時表面的反射光強度與入射光的強度比值(反射率)只決定于相鄰介質(zhì)的折射率的比值：

折射率為1.52的冕牌玻璃每個表面的反射約為4.2%左右．折射率較高的火石玻璃則表面反射更為顯著。這種表面反射造成了兩個嚴重的后果：光能量損失使象的亮度降低；表面反射光經(jīng)過多次反射或漫射，有一部分成為雜散光，*后也到達象平面使象的襯度降低圖象質(zhì)量，特別是電視、電影攝影鏡頭等復雜系統(tǒng)都包含了很多個與空氣相鄰的表面，如不鍍上增透膜其性能就會大大降低。

應用于可見光譜區(qū)的光學儀器非常多，就其產(chǎn)量來說占據(jù)了減反射膜的絕大部分，幾乎在所有的光學器件上都要進行減反處理。

單層減反膜是應用非常廣泛的薄膜，也是*簡單的膜系?？紤]垂直入射的情況，即i=0，并令這時基片表面反射率完全被消除。在入射介質(zhì)為空氣的情況下，n0=1，則在可見光區(qū)使用得*普遍的是折射率為1.52左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率為1.23，但是至今能利用的薄膜的*低折射率是1.38(氯化鎂)。這雖然不很理想但也得到了相當?shù)母倪M。當ns=1.52，nf=1.38，n0=1.0時，由式(3)可得*低反射率為1.3%，即鍍單層氟化鎂后中心波長的反射率從4.2%降至l.3%左右，整個可見光區(qū)平均反射率約為1.5%。顯然，愈是接近于滿足式（4）的條件的玻璃，中心波長增透效果愈顯著。以可見光的中心波長為550nm設計的時候，那么對于紫光波段和紅光波段的光波長，光學厚度不是四份之一波長，也就偏離了反射抵消的條件，會有略高的反射。

2、分光膜

把一束光分為兩部分的器件稱為分光鏡。分光鏡的工作部分一般是一個鍍過膜的平面，它在一定的波長范圍內(nèi)具有特定的反射率和透射率。通常這個平面是傾斜的，因此入射光和反射光便分離開來。分光鏡的預定反射率和透射率值隨其用途不同而相異。

對于不同的分光鏡往往有不同的透射率和反射率比T/R，即分光比。*常用的是中性分光鏡，T/R=50/50，它把一束光分成光譜成分相同的兩束光。因為它在某波長區(qū)域內(nèi)對各波長具有相同的透射率和反射率比，因而反射光和透射光不帶有顏色，呈中性。常用的中性分光鏡有兩種結構：一種是在透明的平板基片上鍍上分光膜，另一種是把膜層鍍在兩個直角棱鏡上，再膜面對膜面地膠合成立方體。常用的有金屬分光鏡和介質(zhì)分光鏡兩類。金屬膜分光鏡分光的光譜寬度較寬，缺點是吸收損失較大，分光效率較低，介質(zhì)分光鏡的特點是分光效率高，偏振效應明顯，分光特性色散明顯。介質(zhì)膜分光鏡與金屬膜分光鏡相比，因為介質(zhì)膜的吸收小到可以忽略的程度，所以分光效率高，這是介質(zhì)分光鏡的優(yōu)點，但是介質(zhì)膜的特性對波長較敏感，給中性分光帶來困難。同時，一般介質(zhì)膜分光鏡的偏振效應較大，這也是它的不足之處。

3、反射膜

反射膜是用于把入射光能量大部分或幾乎全部反射的光學元件。在有些光學系統(tǒng)中，要求光學元件具有較高的反射本領，例如，激光器的反射鏡要求對某種頻率的單色光的反射率在90％以上。為了增強反射能量，常在玻璃表面鍍一層高反射率的透明薄膜，利用其上下表面反射光的光程差滿足干涉相長的條件，使反射光增強。

金屬膜有很高的反射率，吸收率也較高，而介質(zhì)膜的不但反射率可以較高，還有較小的吸收率。

鋁是唯壹從紫外到紅外(0.2～30μm)具有很高反射率的材料。大約在波長0.85μm處反射率出現(xiàn)一極小值，其值為86%。鋁膜對基板的附著力比較強、機械強度和化學穩(wěn)定性也比較好，所以廣泛用作反射膜。新沉積的鋁膜暴露于常溫大氣后，表面立即形成一層非晶的高透明的Al2O3膜，短時間內(nèi)氧化物迅速生長到15～20.，然后緩慢生長，一個月后達到50左右。對緩慢蒸發(fā)的鋁膜，氧化物的厚度可以達到90.以上。氧化物的存在使鋁膜的反射率下降，特別是波長小于200nm的區(qū)域，為此要用MgF2膜作保護層。在可見光區(qū)，通常用SiO作為初始材料，蒸發(fā)得到硅的氧化物薄膜作為Al膜的保護膜。*佳的制備鋁膜的條件：高純鋁(99.99%)；高真空中快速蒸發(fā)(50～100nm/s)；基板溫度低于50℃。

在可見光及紅外波段內(nèi)，銀膜的反射率是所有已知材料中*高的。在可見光區(qū)和紅外區(qū)，反射率分別達到95%和99%左右。但是，銀膜的附著力差，機械強度和化學穩(wěn)定性差，所以主要用于短期使用的零件。銀膜在紫外區(qū)的反射率很低，在波長400nm開始下降，到320nm附近降到4%左右。當銀膜暴露于空氣中時反射率會逐漸降低，主要原因是表面形成的氧化銀(AgO、Ag2O3)和硫化銀，因此要在銀膜上鍍保護膜。*佳的制備工藝與鋁的相似，即高真空、快速蒸發(fā)、低的基板溫度。

降低薄膜反射率的一個重要因素是散射。造成散射損耗的原因是多種多樣的，薄膜的成核和生長機理引起膜層微觀結構的不均勻，從而會產(chǎn)生散射，借助于電子顯微鏡觀察多層膜斷面的微觀結構，其呈現(xiàn)非常明顯的柱狀，膜層內(nèi)部充滿空隙，而面變得凹凸不平。此外，基片表面的粗糙度及其缺陷，還有蒸發(fā)源噴濺的粒子、膜層中的微塵、裂紋和針孔等因素相互交叉構成復雜的散射模型?？偟膩碚f我們可以把散射歸結為二類，即體積散射和表面散射。

4、干涉截止濾光片

要求某一波長范圍的光束高透射，而偏離這一波長的光束驟然變化為高反射(或稱抑制)的干涉截止濾光片有著廣泛的應用。我們把抑制短波區(qū)、透射長波區(qū)的濾光片稱為長波通濾光片。相反，抑制長波區(qū)、透射短波區(qū)的截止濾光片就稱為短波通濾光片。

大多數(shù)情況下，是希望截止短于某一特定波長，或者長于該波長的所有光線。通常的辦法是使干涉濾光片同吸收濾光片相組合。它既可以用作截止長波的短波通濾光片，也可以用作截止短波的長波通濾光片。只要改變監(jiān)控膜層厚度的波長，截止限的位置可以隨意移動。

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