光學(xué)薄膜及其應(yīng)用研究

王鵬博 劉耀淳

【摘要】光學(xué)薄膜是一類重要的光學(xué)元件，它廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)、光電子學(xué)、光學(xué)工程以及其他相關(guān)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。在光的傳輸、調(diào)制，光譜和能量的分各與合成以及光與其他能態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中起著不可替代的作用。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)薄膜 制備 應(yīng)用

1光學(xué)薄膜的制備技術(shù)

1.1物理氣相學(xué)沉積（PVD）

1）熱蒸發(fā)

光學(xué)薄膜器件主要采用真空環(huán)境下的熱蒸發(fā)方法制造，此方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、操作方便。盡管光學(xué)薄膜制備技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，但是真空熱蒸發(fā)依然是最主要的沉積手段，當(dāng)然熱蒸發(fā)技術(shù)本身也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)。

2）濺射

濺射指用高速正離子轟擊膜料（靶）表面，通過動(dòng)量傳遞，使其分子或原子獲得足夠的動(dòng)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(qiáng)，純度高，可同時(shí)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(fā)的高成膜速率和濺射高能離子轟擊獲得致密膜層的雙優(yōu)效果，離子鍍膜層附著力強(qiáng)、致密，離子鍍常見類型：蒸發(fā)源和離化方式。

4）離子輔助鍍

在熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中增設(shè)離子發(fā)生器——離子源，產(chǎn)生離子束，在熱蒸發(fā)進(jìn)行的同時(shí)，用離子束轟擊正在生長(zhǎng)的膜層，形成致密均勻結(jié)構(gòu)（聚集密度接近于1），使膜層的穩(wěn)定性提光學(xué)薄膜制備技術(shù)高，達(dá)到改善膜層光學(xué)和機(jī)械性能。

離子輔助鍍技術(shù)與離子鍍技術(shù)相比，薄膜的光學(xué)性能更佳，膜層的吸收減少，波長(zhǎng)漂移極小，牢固度好，該技術(shù)適合室溫基底和二氧化鈦等高熔點(diǎn)氧化物薄膜的鍍制，也適合變密度薄膜、優(yōu)質(zhì)分光鏡和高性能濾光片的鍍制四。

1.2化學(xué)氣相沉積（CVD）

化學(xué)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(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑來生成固態(tài)薄膜的技術(shù)，CVD技術(shù)制備薄膜的沉積速率一般較高。但在薄膜制備過程中也會(huì)產(chǎn)生可燃、有毒等一些副產(chǎn)物。

1.3化學(xué)液相沉積（CLD）

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

2光學(xué)薄膜的應(yīng)用

2.1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，己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(duì)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。

采用氧化錫膜系結(jié)構(gòu)的金屬價(jià)質(zhì)復(fù)合膜，用熱蒸發(fā)方法鍍制于白熾燈玻殼內(nèi)表而，可使白熾燈的相對(duì)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，采用二氧化鈦等多層全介質(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是多層介質(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。

2.2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(hào)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(zhì)膜鍍制在兩透鏡的結(jié)合而上。這種微光元件組成的定向藕合器，結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，插入損耗較低（<1dB），對(duì)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而上，構(gòu)成一種T形藕合器。另有一種光波分復(fù)用器（WDM），屬于波長(zhǎng)選擇性藕合器，是用來合成不同波長(zhǎng)的光信號(hào)或者分離不同波長(zhǎng)的光信號(hào)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(zhǎng)的厚度，只在兩邊利用不規(guī)則的厚度。采用1/4波長(zhǎng)厚度膜系的監(jiān)控方法簡(jiǎn)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，鍍膜的材料采用常用的材料二氧化鈦。

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(cè)器前放置一塊窄帶濾光片可以減少噪聲的影響。

2.3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(guó)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(duì)塑料的附著力強(qiáng)，富有金屬光澤；而且鋁在所要求的波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率較高，厚度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(guó)際水平，有的性能甚至超過了一些發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)己能穩(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(guó)際同類產(chǎn)品。

結(jié)語

總之，光學(xué)薄膜是傳輸光子并實(shí)現(xiàn)其各種功能的重要載體和部件，人們?cè)谄诖鈱W(xué)、光電子學(xué)及光子學(xué)得到突破性發(fā)展的同時(shí)，必然會(huì)看到光學(xué)薄膜進(jìn)一步的繁榮和發(fā)展。