光學薄膜及其應用研究

王鵬博 劉耀淳

【摘要】光學薄膜是一類重要的光學元件，它廣泛地應用于現代光學、光電子學、光學工程以及其他相關的科學技術領域。在光的傳輸、調制，光譜和能量的分各與合成以及光與其他能態的轉換過程中起著不可替代的作用。

【關鍵詞】光學薄膜 制備 應用

1光學薄膜的制備技術

1.1物理氣相學沉積（PVD）

1）熱蒸發

光學薄膜器件主要采用真空環境下的熱蒸發方法制造，此方法簡單、經濟、操作方便。盡管光學薄膜制備技術得到長足發展，但是真空熱蒸發依然是最主要的沉積手段，當然熱蒸發技術本身也隨著科學技術的發展與時俱進。

2）濺射

濺射指用高速正離子轟擊膜料（靶）表面，通過動量傳遞，使其分子或原子獲得足夠的動能面從靶表而逸出（濺射），在被鍍件表面凝聚成膜。其膜層附著力強，純度高，可同時濺射多種不同成分的合金膜或化合物。

3）離子鍍

離子鍍兼有熱蒸發的高成膜速率和濺射高能離子轟擊獲得致密膜層的雙優效果，離子鍍膜層附著力強、致密，離子鍍常見類型：蒸發源和離化方式。

4）離子輔助鍍

在熱蒸發鍍膜技術中增設離子發生器——離子源，產生離子束，在熱蒸發進行的同時，用離子束轟擊正在生長的膜層，形成致密均勻結構（聚集密度接近于1），使膜層的穩定性提光學薄膜制備技術高，達到改善膜層光學和機械性能。

離子輔助鍍技術與離子鍍技術相比，薄膜的光學性能更佳，膜層的吸收減少，波長漂移極小，牢固度好，該技術適合室溫基底和二氧化鈦等高熔點氧化物薄膜的鍍制，也適合變密度薄膜、優質分光鏡和高性能濾光片的鍍制四。

1.2化學氣相沉積（CVD）

化學氣相沉積（CVD）一般需要較高的沉積溫度，而且在薄膜制備前需要特定的先驅反應物，通過原子、分子間化學反應的途徑來生成固態薄膜的技術，CVD技術制備薄膜的沉積速率一般較高。但在薄膜制備過程中也會產生可燃、有毒等一些副產物。

1.3化學液相沉積（CLD）

化學液相沉積（CLD）工藝簡單，制造成本低，但膜層厚度不能精確控制，膜層強度差，較難獲得多層膜，還造成廢水、廢氣污染的問題。

2光學薄膜的應用

2.1應用于照明設備

利用光學薄膜的干涉特性，選擇性地吸收，反射或透射照明光源中的紅外輻射能量，己成為近年熱性能光學控制薄膜的一個重要應用領域。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、鹵素燈、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-介質復合膜和全介質多層干涉膜。

采用氧化錫膜系結構的金屬價質復合膜，用熱蒸發方法鍍制于白熾燈玻殼內表而，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，起到了一定的節能作用。

但是，金屬——介質復合膜的熱穩定性和化學穩定性較差，而且其光學特性也不夠理想，因此，目前用于高溫照明光源的薄膜大多選用全介質膜系結構。據稱，采用二氧化鈦等多層全介質干涉膜系、鍍制在鹵素燈的真空玻璃燈管外壁，節能已達到15%——40%，而且這類膜系屬于硬膜，除了具有很好的熱穩定性和化學穩定性外，還有良好的機械特性。其中適用于高功率鹵素燈（常用于復印機曝光燈）和鈉燈等光源的較理想是多層介質膜。該薄膜的光學特性基本上不受溫度影響，具有良好的耐熱性。

2.2應用于光纖通信

光纖系統也像電子線路系統一樣，需要許多無源器件來實現光纖光路的連接，分路，合路，交換，隔離以及控制或改變光信號的傳播特性。光學薄膜在其中一些儀器中起著十分重要的作用。在透鏡擴束式連接器中，透鏡表而需要鍍制減反射膜，消除菲涅爾反射的影響。在光纖定向藕合器中，部分反射介質膜鍍制在兩透鏡的結合而上。這種微光元件組成的定向藕合器，結構緊湊、簡單，插入損耗較低（<1dB），對膜的功率分配不敏感，因此得到很多應用。部分介質反射膜也可以鍍制在直角棱鏡斜而上，構成一種T形藕合器。另有一種光波分復用器（WDM），屬于波長選擇性藕合器，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可用各種方法設計制造，其中干涉濾波器型WDM器件的主要特點是信道帶寬平坦，插入損耗低，結構尺寸小，性能穩定。它是利用多層介質膜作為濾波器，具體結構有兩類：一類為干涉濾波器，另一類為吸收濾波器。兩者都可用介質薄膜構成。WDM膜系一般采用1/4波長的厚度，只在兩邊利用不規則的厚度。采用1/4波長厚度膜系的監控方法簡單，極值法具有自動補償單層膜監控誤差。膜系一般采用多個F-P腔的形式，鍍膜的材料采用常用的材料二氧化鈦。

目前光通信系統中實用的有源器件是摻鉺光纖放大器（EDFA）。采用光學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。

2.3應用于農業生產設施

有一種遮陽節能簾膜在農業上用于種植大棚，其功能主要體現在：當夏天氣溫過高時，反射太陽光，阻擋紅外輻射，使棚內溫度不至升得太高，起遮陽降溫的作用；當冬天氣溫過低時，反射地表熱輻射，使棚內溫度不至降得過低，起到保溫節能的作用。我國從1997年起開始自行研制新型遮陽節能簾膜，經過反復試驗，終于獲得成功。新型遮陽節能簾膜系采用在高分子基質材料上真空鍍鋁膜而制成的。因為鋁鍍膜層對塑料的附著力強，富有金屬光澤；而且鋁在所要求的波長范圍內反射率較高，厚度40nm的鋁鍍膜層的反射率達到90%，所以其保溫節能性能、耐氣候老化性能、耐腐蝕性能、傳熱性能等都達到了國際水平，有的性能甚至超過了一些發達國家同類產品。另外，高純度的鋁價格比較便宜，這是其他鍍膜材料所不及的。目前我國己能穩定地、大規模地生產新型遮陽節能簾膜，且性能價格比優于國際同類產品。

結語

總之，光學薄膜是傳輸光子并實現其各種功能的重要載體和部件，人們在期待光學、光電子學及光子學得到突破性發展的同時，必然會看到光學薄膜進一步的繁榮和發展。