光学薄膜及其应用方面的研究＊

董小燕 龚 斌 李雅丽

（南通大学理学院，江苏 南通 226007）

1 引言

光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分［1，2］.从20世纪30年代开始，光学薄膜逐渐被广泛应用于日常生活、工业、天文学、军事、宇航、光通信等领域，在国民经济和国防建设中起到了重大作用，因而得到了科学技术工作者的日益重视.而今新兴技术的发展对薄膜技术不断提出新的要求，又进一步促使了光学薄膜技术的蓬勃发展［3～5］.所以近年来，对光学薄膜的研究及其应用一直是非常活跃的课题.本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景.

2 光学薄膜干涉的原理

图1 薄膜干涉的基本原理

假如取薄膜的光学厚度为n2×d＝λ/4，当n1＜n2；n3＜n2或n1＞n2；n3＞n2时，因薄膜上下表面的光学性质不相同，都有λ/2附加光程差，两反射光的光程差δ＝λ，两反射光干涉相长，增加了反射光的能量，这种薄膜称为增反膜；当n1＜n2＜n3或n1＞n2＞n3时，因薄膜上下表面的光学性质相同，上下表面的反射光没有附加光程差，两反射光的光程差δ＝λ/2，两反射光干涉相消，增加了透射光的能量，这种薄膜被称为增透膜.总之，当（n2－n1）（n2－n3）＞0 时 有 增 反 作 用，当（n2－n1）（n2－n3）＜0时具有增透的作用.

3 光学薄膜的制备

在光学薄膜发展的历程中，各种先进的薄膜制备技术不断应用到光学薄膜制备的技术中.这些技术不仅大大拓宽了光学薄膜可以利用的材料范围，而且极大地改进了光学薄膜的性能和功能，进而给光学薄膜提供了更为宽广深远的发展空间.下面介绍几种常见的光学薄膜制备方法.

3.1 物理气相沉积法

物理气相沉积法简单地说，是在真空环境中加热薄膜材料使其成为蒸汽，蒸汽再凝结到温度相对低的基片上形成薄膜的过程.之所以选择高真空环境是因为薄膜材料在沉积的过程中不会与空气中的活泼气体反应，以及蒸汽分子在真空环境中不会与气体分子碰撞，而是直接地到达基片.在实际薄膜沉积的过程中，需要控制的工艺参数非常多，通常涉及到真空技术、材料科学、精密机械制造、光电技术、计算机技术、自动控制技术等领域.

3.2 离子束辅助沉积法

离子束辅助沉积法是在气相沉积镀膜的同时，利用高能粒子轰击薄膜沉积表面，对薄膜表面环境产生影响，从而改变沉积薄膜成分、结构的过程.这种把离子辅助与反应蒸发法结合起来的镀膜技术能够实现低温成膜，改善薄膜的微观结构、力学性能并提高薄膜和基体结合力，从而提高薄膜的综合性能.但由于离子束轰击基片的能量束流密度不均匀以及高能量离子引起的反溅射等因素，使得离子束辅助蒸发技术在生产应用中受到限制.通常对ZnS、MgF2等软膜采用离子辅助技术以后，膜层的牢固性获得了明显的改善，但无论对软膜或电子束蒸发的氧化物硬膜在抗激光损伤方面的效果均不明显.

3.3 反应离子镀膜法

这种技术是利用热阴极弧源诱发膜料离子放电在镀膜室内形成等离子体，蒸发膜料离子部分被电离，在处于悬浮电位的工件架形成电场作用下抵达基片，这样具有一定动能的离子态的膜料粒子与反应气体结合后淀积成膜，该膜层与玻璃基片附着牢固，薄膜的硬度与耐摩擦性能显著提高，因此受到了光学薄膜领域科学工作者的重视.但此项技术设备成本较高，对提高抗激光损伤能力的潜力有待进一步研究.

3.4 气相混合蒸发法

气相混合蒸发法是用两个电枪同时蒸发两种不同材料，另外用两个石英探头分别监控各枪的淀积速率，通过气相混合，获得渐变折射率膜层的过程.这种光学膜层可用作某些基片材料的单层增透膜，以替代原来镀在基片上的多达几十层的多层膜，从而改善薄膜的微观结构，增加膜层强度，并且使制备折射率按梯度变化成为可能.这种技术消除了用常规方式得到的薄膜与空气（或基体）所形成的突变界面，而以渐变界面取代突变界面，附着力增强，界面吸收减少，另外，渐变界面的热传导系数比普通膜系界面的传导系数高.这种非均匀膜已成为薄膜光学的一个重要分支，它打破了传统膜系的设计方法，并由此得到了使传统膜系不能制备的优良光谱性能，而且期望极大地改善薄膜元件的抗损伤性能（约提高20%），因而引起人们极大的兴趣.

3.5 溶胶－凝胶法

溶胶－凝胶法是以金属醇盐或其他金属无机盐的溶液作为前驱体溶液，在低温下通过溶液中的水解、聚合等化学反应，首先生成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，然后经过热处理或减压干燥，在较低温度下制备出各种无机材料薄膜或复合材料薄膜的方法.这种技术可以用于制备各种光学膜如高反射膜、减反射膜等，还可以制备光导纤维、折射率梯度材料、有机染料掺杂型非线性光学材料等，以及波导光栅、稀土发光材料等.随着研究的进一步深入，期待和自蔓延法连用制备出常规方法较难制备的新型纳米材料.

4 光学薄膜的应用

光学薄膜由于具有良好的牢固性和光学稳定性，且质量极轻，成本相对来说较低，因此在各类光学系统中应用极为广泛，从眼镜镀膜到手机、计算机、电视机的液晶显示，以及LED 照明、精密及光学设备等，充斥着我们生活的方方面面，并使我们的生活更加多姿多彩.

4.1 应用于光学仪器

4.1.1 应用于望远镜

光学薄膜品质的好坏直接影响着望远镜成像质量的优劣.当一束白光入射到光学镜片上，如果镜片的光学薄膜品质不好，对某种波长的反射过大，剩余的光将按颜色互补原则，呈现补色入射到光学系统中，最终将导致望远镜成像后色彩失真.当在镜片表面镀上1/4波长的薄膜后，就可以提高这种波长光线的透光率，比较常见的蓝膜，就是一种最简单的增透膜.由于它是针对人眼敏感的黄绿光（λ＝550nm）设计的λ/4光学厚膜，对于离550nm 波长稍远的光波，此膜所产生的反射率增大，因此我们看到这种膜为蓝色（λ＝400nm）.另有一种红膜望远镜，一般适用于雪地等高反光环境，日常使用会造成成像颜色暗淡、偏色等严重问题.好的镜子会在所有的镜片表面镀膜，更好一些的镜子会在部分镜片表面镀多层膜，最好的镜子会在所有的镜片表面都镀上多层膜，这样可以提升整个可见光波段的透光率.

4.1.2 应用于显微镜

显微镜是用来观察极细微物质的光学系统，除了要对极其细微的物质充分照亮外，它的成像光学系统也必须尽可能地提高光通量，以减少光能反射损失.由于显微镜的光学系统较为复杂，光学表面多达20个左右，如不采取增透措施，其光通量可能降到30%，同时较强的反射光还会使杂散光增加，从而影响像的衬度、损害像的质量，所以它的镜片表面镀多层起增透作用的膜是必要的.

我们常见的显微镜物镜和目镜光学表面呈蓝色或紫红色，这是为了让波长为λ＝550nm 的黄绿光有利通过，而在镜片上镀氟化镁层就具有这样的效果，其光学厚度为λ/4.根据透射对光谱的选择性曲线，在红光区及紫光区反射相对增强，因此所见的薄膜成紫红色或蓝色.

4.1.3 应用于摄像机、照相机

摄像机的镜头是让可见光范围内全部光谱最大限度透过，即透过的光波波带要尽量的宽，从而获得真实的反映自然界色彩的效果，因此光学薄膜采用了三层膜系结构.

当基质玻璃折射率ng＜1.65 时，采用λ/4－λ/2－λ/4形式；当基质玻璃折射率ng＞1.65时，采用λ/4－λ/4－λ/4形式.这种分层膜系在更多的波谱处追求反射率为零，增透波带变宽.另外，薄膜对于入射白光的选择性反射，会因入射光的角度变化而发生相应变化，当我们从不同的角度观察这些光学表面时，将会看到不同的色彩反光.通常，入射角度越大，红光的反射越大，所以侧面看镜头时多呈红黄色.

为了与彩色显示设备中的三原色还原系统标准相一致，光电式彩色摄像机中所用的彩色分光系统，也是利用薄膜对光波透、反作用的选择性，将白色光分离成三束原色光进入信号记录仪，以备在相应制式的放映系统中播放使用.

4.1.4 应用于眼镜镜片

如果眼镜镜片表面没有镀膜，那么当光线通过镜片的前后表面时，不但会产生折射，还会产生反射.这种在镜片前表面产生的反射光，会使观察者看戴镜者眼睛时，看到的是镜片表面的一片白光或者是观察者的像.拍照时，这种反光还会严重影响戴镜者的美观.再者，由于屈光镜片的前后表面的曲率不同，并且存在一定量的反射光，它们之间会产生内反射光，内反射光会在远点球面附近产生虚像，也就是在视网膜的像点附近产生虚像点即“鬼影”，同时也会有眩光产生，这些虚像点会影响视物的清晰度和舒适性.所以高折射率的镜片如果没有增透膜，反射光会对戴镜者带来的不适感比较强烈.增透膜就利用了这个原理，在镜片的表面镀上增透膜，使得膜层前后表面产生的反射光相消干涉，达到增透的效果.对于染色镜片或变色镜片来说，透光量会降低，但镜片表面的反射光依然存在，这样由镜片凹面的反射光和镜片前后表面的内反射所产生的鬼影和眩光依然会干扰视觉，影响戴镜者视物的清晰度和舒适性.所以染色镜片和变色镜片也是需要镀增透膜的.

4.2 应用于照明设备

利用光学薄膜的干涉特性，选择性地吸收，反射或透射照明光源中的红外辐射能量，已成为近年热性能光学控制薄膜的一个重要应用领域.其中对可见光具有很高透过率的红外高反射薄膜，用于白炽灯、卤素灯、低压钠灯等照明光源上，既可提高能量利用率，又能改变光源光谱的能量分布，满足特定照明的需求.红外高反射薄膜中用途较广的是金属－介质复合膜和全介质多层干涉膜.

金属－介质复合膜最典型的是TiO2/Ag/TiO2薄膜，这种膜以较简单的结构实现了可见光高透射红外高反射的目的，该薄膜的光学特性曲线如图2所示.

图2 TiO2/Ag/TiO2 薄膜光学特性曲线

采用SnO2/Ag/SnO2膜系结构的金属－介质复合膜，用热蒸发方法镀制于白炽灯玻壳内表面，可使白炽灯的相对光谱能量分布中红外辐射能量近乎为零，而可见光的光谱能量却较未镀膜时有所增加，使相同功率的镀膜白炽灯输出光通量较普通灯泡变大，起到了一定的节能作用.

但是，金属－介质复合膜的热稳定性和化学稳定性较差，而且其光学特性也不够理想，因此，目前用于高温照明光源的薄膜大多选用全介质膜系结构.据称，采用TiO2/SiO2或Ta2O5/SiO2多层全介质干涉膜系、镀制在卤素灯的真空玻璃灯管外壁，节能已达到15%～40%，而且这类膜系属于硬膜，除了具有很好的热稳定性和化学稳定性外，还有良好的机械特性.其中适用于高功率卤素灯（常用于复印机曝光灯）和钠灯等光源的较理想的薄膜是Ta2O5/SiO2多层介质膜.该薄膜的光学特性基本上不受温度影响，具有良好的耐热性.

4.3 应用于光纤通信

光纤系统也像电子线路系统一样，需要许多无源器件来实现光纤光路的连接，分路，合路，交换，隔离以及控制或改变光信号的传播特性.光学薄膜在其中一些仪器中起着十分重要的作用.在透镜扩束式连接器中，透镜表面需要镀制减反射膜，消除菲涅尔反射的影响.在光纤定向耦合器中，部分反射介质膜镀制在两透镜的结合面上.这种微光元件组成的定向耦合器，结构紧凑、简单，插入损耗较低（＜1dB），对膜的功率分配不敏感，因此得到很多应用.部分介质反射膜也可以镀制在直角棱镜斜面上，构成一种T 形耦合器.另有一种光波分复用器（WDM），属于波长选择性耦合器，是用来合成不同波长的光信号或者分离不同波长的光信号的无源器件.WDM 可用各种方法设计制造，其中干涉滤波器型WDM器件的主要特点是信道带宽平坦，插入损耗低，结构尺寸小，性能稳定.它是利用多层介质膜作为滤波器，具体结构有两类：一类为干涉滤波器，另一类为吸收滤波器.两者都可用介质薄膜构成.WDM 膜系一般采用1/4 波长的厚度，只在两边利用不规则的厚度.采用1/4波长厚度膜系的监控方法简单，极值法具有自动补偿单层膜监控误差.膜系一般采用多个F－P腔的形式，镀膜的材料采用两种常用的材料SiO2和TiO2［7］.

目前光通信系统中实用的有源器件是掺铒光纤放大器（EDFA）.采用光学镀膜滤光片是常用的一种改善EDFA 的增益平坦的手段，另外在EDFA 后，探测器前放置一块窄带滤光片可以减少噪声的影响.

4.4 应用于农业生产设施

有一种遮阳节能帘膜在农业上用于种植大棚，其功能主要体现在：当夏天气温过高时，反射太阳光，阻挡红外辐射，使棚内温度不至升得太高，起遮阳降温的作用；当冬天气温过低时，反射地表热辐射，使棚内温度不至降得过低，起到保温节能的作用.我国从1997年起开始自行研制新型遮阳节能帘膜，经过反复试验，终于获得成功.新型遮阳节能帘膜系采用在高分子基质材料上真空镀铝膜而制成的.因为铝镀膜层对塑料的附着力强，富有金属光泽；而且铝在所要求的波长范围内反射率较高，厚度4×10－8m（40nm）的铝镀膜层的反射率达到90%，所以其保温节能性能、耐气候老化性能、耐腐蚀性能、传热性能等都达到了国际水平，有的性能甚至超过了一些发达国家同类产品.另外，高纯度的铝价格比较便宜，这是其他镀膜材料所不及的.目前我国已能稳定地、大规模地生产新型遮阳节能帘膜，且性能价格比优于国际同类产品.

5 结束语

综合国内外光学及光学薄膜的研究现状，光学薄膜的研究呈现以下几个发展趋势：

1）继续重视对传统光学仪器中光学薄膜应用的研究和开发，提高薄膜的光学质量，研究大面积镀膜技术及其应用；

2）开发与新型精密光学仪器及光电子器件要求相适应的光学薄膜及其材料的制备方法，以满足现代光学、空间技术、军事技术和全光网络技术日益迫切的需要；

3）开发极端光谱条件下的光学薄膜，如超窄带密集型波分复用滤波片，软X 射线膜，高功率激光膜等的制备技术；

4）开发与环境保护息息相关的“绿色光学薄膜”，实现光能与人类健康需要的相互协调；

5）研究光学薄膜的材料物理、成膜过程的原位观察，实现镀膜过程的自动控制和超快速低温镀膜.

时至今日，光学薄膜已获得很大的发展，光学薄膜的生产已逐步走向系列化、程序化和专业化，但是，在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决，光学薄膜现有的水平还需要进一步提高.20世纪90年代科学家曾预言21世纪是光子世纪，而光学薄膜作为传输光子并实现其各种功能的重要载体，必然会在光学、光电子学及光子学获得突破性发展的同时，得到进一步的繁荣和发展.

［1］H.A.Macleod.Thin－Film Optical Filters［M］.Third Edition，London：Institute of Physics Publishing，2001

［2］N.Kaiser，M.Lequime，H.A.Macleod.Advance in Optical Thin FilmsⅢ［M］.Bellingham：SPIE Press，2008

［3］丁相午.常用光学薄膜的应用分析［J］.机械管理开发，2007，（6）：63～65

［4］袁一方，陈桂莲，陈抱雪，周鹏飞，李平，朱琦莹.光学薄膜技术在光通信技术中的应用［J］.光学仪器，2001，23（5－6）：110～113

［5］黄剑锋，马小波等.SmS光学薄膜研究新进展［J］.材料导报，2006，（9）：9～12

［6］梁铨廷.物理光学［M］.北京：机械工业出版社，1987

［7］P.Baumeister.Bandpass filters for wavelength division multiplexing－modification of the spectral bandwidth ［J］.Applied Optics，1998，37（28）：6609～6614