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，在實現光學儀器的功能和影響光學儀器的質量方面起著重要的或者決定性的作用。

傳統的光學薄膜是現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，因此是改變系統光學參數的優選方法，甚至可以說沒有光學薄膜就沒有現代的光學儀器和各種光學器件。在兩百多年的發展過程中，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量，特別是電視、電影攝影鏡頭等復雜系統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。

應用于可見光譜區的光學儀器非常多，就其產量來說占據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。考慮垂直入射的情況，即i=0，并令這時基片表面反射率完全被消除。在入射介質為空氣的情況下，n0=1，則在可見光區使用得*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的改進。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。因為它在某波長區域內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。介質膜分光鏡與金屬膜分光鏡相比，因為介質膜的吸收小到可以忽略的程度，所以分光效率高，這是介質分光鏡的優點，但是介質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的區域，為此要用MgF2膜作保護層。在可見光區，通常用SiO作為初始材料，蒸發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(50～100nm/s)；基板溫度低于50℃。

在可見光及紅外波段內，銀膜的反射率是所有已知材料中*高的。在可見光區和紅外區，反射率分別達到95%和99%左右。但是，銀膜的附著力差，機械強度和化學穩定性差，所以主要用于短期使用的零件。銀膜在紫外區的反射率很低，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、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，其呈現非常明顯的柱狀，膜層內部充滿空隙，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。總的來說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、透射長波區的濾光片稱為長波通濾光片。相反，抑制長波區、透射短波區的截止濾光片就稱為短波通濾光片。

大多數情況下，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。只要改變監控膜層厚度的波長，截止限的位置可以隨意移動。

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