光学薄膜及其应用研究

王鹏博 刘耀淳

【摘要】光学薄膜是一类重要的光学元件，它广泛地应用于现代光学、光电子学、光学工程以及其他相关的科学技术领域。在光的传输、调制，光谱和能量的分各与合成以及光与其他能态的转换过程中起着不可替代的作用。

【关键词】光学薄膜 制备 应用

1光学薄膜的制备技术

1.1物理气相学沉积（PVD）

1）热蒸发

光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造，此方法简单、经济、操作方便。尽管光学薄膜制备技术得到长足发展，但是真空热蒸发依然是最主要的沉积手段，当然热蒸发技术本身也随着科学技术的发展与时俱进。

2）溅射

溅射指用高速正离子轰击膜料（靶）表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的动能面从靶表而逸出（溅射），在被镀件表面凝聚成膜。其膜层附着力强，纯度高，可同时溅射多种不同成分的合金膜或化合物。

3）离子镀

离子镀兼有热蒸发的高成膜速率和溅射高能离子轰击获得致密膜层的双优效果，离子镀膜层附着力强、致密，离子镀常见类型：蒸发源和离化方式。

4）离子辅助镀

在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器——离子源，产生离子束，在热蒸发进行的同时，用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀结构（聚集密度接近于1），使膜层的稳定性提光学薄膜制备技术高，达到改善膜层光学和机械性能。

离子辅助镀技术与离子镀技术相比，薄膜的光学性能更佳，膜层的吸收减少，波长漂移极小，牢固度好，该技术适合室温基底和二氧化钛等高熔点氧化物薄膜的镀制，也适合变密度薄膜、优质分光镜和高性能滤光片的镀制四。

1.2化学气相沉积（CVD）

化学气相沉积（CVD）一般需要较高的沉积温度，而且在薄膜制备前需要特定的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径来生成固态薄膜的技术，CVD技术制备薄膜的沉积速率一般较高。但在薄膜制备过程中也会产生可燃、有毒等一些副产物。

1.3化学液相沉积（CLD）

化学液相沉积（CLD）工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，还造成废水、废气污染的问题。

2光学薄膜的应用

2.1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，己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。

采用氧化锡膜系结构的金属价质复合膜，用热蒸发方法镀制于白炽灯玻壳内表而，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，采用二氧化钛等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是多层介质膜。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。

2.2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，透镜表而需要镀制减反射膜，消除菲涅尔反射的影响。在光纤定向藕合器中，部分反射介质膜镀制在两透镜的结合而上。这种微光元件组成的定向藕合器，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而上，构成一种T形藕合器。另有一种光波分复用器（WDM），属于波长选择性藕合器，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器件的主要特點是信道带宽平坦，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，镀膜的材料采用常用的材料二氧化钛。

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。

2.3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。目前我国己能稳定地、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。

结语

总之，光学薄膜是传输光子并实现其各种功能的重要载体和部件，人们在期待光学、光电子学及光子学得到突破性发展的同时，必然会看到光学薄膜进一步的繁荣和发展。