光學薄膜的特性原理及分類

　　隨著科技技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟全球化，當今人類已進入知識經(jīng)濟社會和信息社會。并且伴隨“中國制造”的發(fā)展，光學制造在中國大陸的土地上方興未艾，發(fā)展迅猛異常。中國光學制造已經(jīng)開始在國際經(jīng)濟舞臺上有了重要的地位，中國的光學玻璃產(chǎn)量和光學零件產(chǎn)量已近名列第一。光學薄膜是改變光學零件表面特征而鍍在光學零件表面上的一層或多層膜。可以是金屬膜、介質(zhì)膜或這兩類膜的組合。光學薄膜是各種先進光電技術(shù)中不可缺少的一部分，它不僅能改善系統(tǒng)性能，而且是滿足設計目標的必要手段，光學薄膜的應用領域設及光學系統(tǒng)的各個方面，包括激光系統(tǒng)，光通信，光顯示，光儲存等，主要的光學薄膜器件包括反射膜、減反射膜、偏振膜、干涉濾光片和分光鏡等等。它們在國民經(jīng)濟和國防建設中得到了廣泛的應用，獲得了科學技術(shù)工作者的日益重視。

　　目前，光學鍍膜材料常用品種已達60余種，而且其品種、應用功能還在不斷被開發(fā)。近年來以發(fā)展到了金屬膜系，當金、銀、銅和鋁的厚度為 7～20um時，其對可見光的透射率為50%，而紅外光透射率小于10%，這種薄膜已成功地應用于阿波羅宇宙飛船的面板，用于透過部分可見光，而反射幾乎全部的紅外光以進行熱控制。以下本文主要介紹光學薄膜的特性原理及分類。

　　一、光學薄膜的定義

　　由薄的分層介質(zhì)構(gòu)成的，通過界面?zhèn)鞑ス馐活惞鈱W介質(zhì)材料，光學薄膜的應用始于20 世紀30年代，光學薄膜已經(jīng)廣泛用于光學和光電子技術(shù)領域，制造各種光學儀器。制備條要求件高而精。

　　光學薄膜的定義是：涉及光在傳播路徑過程中，附著在光學器件表面的厚度薄而均勻的介質(zhì)膜層，通過分層介質(zhì)膜層時的反射、透（折）射和偏振等特性，以達到我們想要的在某一或是多個波段范圍內(nèi)的光的全部透過或光的全部反射或偏振分離等各特殊形態(tài)的光。

　　光學薄膜在我們的生活中無處不在，從精密及光學設備、顯示器設備到日常生活中的光學薄膜應用;比方說，平時戴的眼鏡、數(shù)碼相機、各式家電用品，或者是鈔票上的防偽技術(shù)，皆能被稱之為光學薄膜技術(shù)應用之延伸。倘若沒有光學薄膜技術(shù)作為發(fā)展基礎，近代光電、通訊或是鐳射技術(shù)將無法有所進展，這也顯示出光學薄膜技術(shù)研究發(fā)展的 重要性。

　　光學薄膜系指在光學元件或獨立基板上，制鍍上或涂布一層或多層介電質(zhì)膜或金屬膜或這兩類膜的組合，以改變光波之傳遞特性，包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改變。故經(jīng)由適當設計可以調(diào)變不同波段元件表面之穿透率及反射率，亦可以使不同偏振平面的光具有不同的特性。

　　一般來說，光學薄膜的生產(chǎn)方式主要分為干法和濕法的生產(chǎn)工藝。所謂的干式就是沒有液體出現(xiàn)在整個加工過程中，例如真空蒸鍍是在一真空環(huán)境中，以電能加熱固體原物料，經(jīng)升華成氣體后附著在一個固體基材的表面上，完成涂布加工。日常生活中所看到裝飾用的金色、銀色或具金屬質(zhì)感的包裝膜，就是以干式涂布方式制造的產(chǎn)品。但是在實際量產(chǎn)的考慮下，干式涂布運用的范圍小于濕式涂布。濕式涂布一般的做法是把具有各種功能的成分混合成液態(tài)涂料，以不同的加工方式涂布在基材上，然后使液態(tài)涂料干燥固化做成產(chǎn)品。

　　二、薄膜干涉原理

　　1、光的波動性

　　19世紀60年代，美國物理學家麥克斯韋發(fā)展了電磁理論，指出光是一種電磁波，使波動說發(fā)展到了相當完美的地步。

　　由光的波粒二象性可知，光同無線電波、X射線、？射線一樣都是電磁波，只是它們的頻率不同。電磁波的波長λ、頻率u和傳播速率V三者之間的關(guān)系為：

　　V=λu

　　由于各種頻率的電磁波在真空中德傳播速度相等，所以頻率不同的電磁波，它們的波長也就不同。頻率高的波長短，頻率低的波長長。為了便于比較，可以按照無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和？ 射線等的波長（或頻率）的大小，把它們依次排成一個譜，這個譜叫電磁波譜。

　　在電磁波譜中，波長最長的是無線電波，無線電波又因波長的不同而分為長波、中波、短波、超短波和微波等。其次是紅外線、可見光和紫外線，這三部分合稱光輻射。在所有的電磁波中，只有可見光可以被人眼所看到?？梢姽獾牟ㄩL約在0.76微米到0.40微米之間，僅占電磁波譜中很小的一部分。再次是X 射線。波長最短的電磁波是y射線。

　　光既然是一種電磁波，所以在傳播過程中，應該變現(xiàn)出所具有的特征-----干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象。

　　2、薄膜干涉

　　薄膜可以是透明固體、液體或由兩塊玻璃所夾的氣體薄層。入射光經(jīng)薄膜上表面反射后得第一束光，折射光經(jīng)薄膜下表面反射，又經(jīng)上表面折射后得第二束光，這兩束光在薄膜的同側(cè)，由同一入射振動分出，是相干光，屬分振幅干涉。若光源為擴展光源（面光源），則只能在兩相干光束的特定重疊區(qū)才能觀察到干涉，故屬定域干涉。對兩表面互相平行的平面薄膜，干涉條紋定域在無窮遠，通常借助于會聚透鏡在其像方焦面內(nèi)觀察;對楔形薄膜，干涉條紋定域在薄膜附近。

　　實驗和理論都證明，只有兩列光波具有一定關(guān)系時，才能產(chǎn)生干涉條紋，這些關(guān)系稱為相干條件。薄膜的想干條件包括三點： 兩束光波的頻率相同; 束光波的震動方向相同; 兩束光波的相位差保持恒定。

　　薄膜干涉兩相干光的光程差公式為：

　　Δ=ntcos（α） ± λ/2

　　式中n為薄膜的折射率;t為入射點的薄膜厚度;α為薄膜內(nèi)的折射角;λ/2是由于兩束相干光在性質(zhì)不同的兩個界面（一個是光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)，另一個是光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)）上反射而引起的附加光程差。薄膜干涉原理廣泛應用于光學表面的檢驗、微小的角度或線度的精密測量、減反射膜和干涉濾光片的制備等。

　　光是由光源中原子或分子的運動狀態(tài)發(fā)生變化輻射出來的，每個原子或分子每一次發(fā)出的光波，只有短短的一列，持續(xù)時間約為10億秒對于兩個獨立的光源來說，產(chǎn)生干涉的三 個條件，特別市相位相同或相位差恒定不變這個條件，很不容易滿足，所以兩個獨立的一般光源是不能構(gòu)成相干光源的。不僅如此，即使是同一個光源上不同部分發(fā)出的光，由于它們是不同的原子或分子所發(fā)出的，一般也不會干涉。

　　3、光學薄膜特點分類

　　主要的光學薄膜器件包括反射膜、減反射膜、偏振膜、干涉濾光片和分光鏡等等，它們在國民經(jīng)濟和國防建設中得到廣泛的應用，獲得了科學技術(shù)工作者的日益重視。例如采用減反射膜后可使復雜的光學鏡頭的光通量損失成十倍的減小;采用高反射膜比的反射鏡可使激光器的輸出功率成倍提高;利用光學薄膜可提高硅電池的效率和穩(wěn)定性。

　　最簡單的光學薄膜模型是表面光滑、各向同性的均勻介質(zhì)膜層。在這種情況下，可以用光的干涉理論來研究光學薄膜的光學性質(zhì)。當一束單色光平面波入射到光學薄膜上時，在它的兩個表面上發(fā)生多次反射和折射，反射光和折射光的方向有反射定律和折射定律給出，反射光合折射光的振幅大小則有菲涅爾公式確定。

　　光學薄膜根據(jù)其用途分類、特性與應用可分為：反射膜、增透膜/減反射膜、濾光片、偏光片/偏光膜、補償膜/相位差板、配向膜、擴散膜/片、增亮膜/棱鏡片/聚光片、遮光膜/黑白膠等。相關(guān)衍生的種類有光學級保護膜、窗膜等。

　　光學薄膜的特點是：表面光滑，膜層之間的界面呈幾何分割;膜層的折射率在界面上可以發(fā)生躍變，但在膜層內(nèi)是連續(xù)的;可以是透明介質(zhì)，也可以是吸收介質(zhì);可以是法向均勻的，也可以是法向不均勻的。實際應用的薄膜要比理想薄膜復雜得多。這是因為：制備時，薄膜的光學性質(zhì)和物理性質(zhì)偏離大塊材料，起表面和界面是粗糙的，從而導致光束的漫反射;膜層之間的相互滲透形成擴散界面;由于膜層的生長、結(jié)構(gòu)、應力等原因，形成了薄膜的各種向異性;膜層具有復雜的時間效應。

　　反射膜一般可分為兩類，一類是金屬反射膜，一類是全電介質(zhì)反射膜。此外，還有將兩者結(jié)合的金屬電介質(zhì)反射膜，功能是增加光學表面的反射率。

　　一般金屬都具有較大的消光系數(shù)。當光束由空氣入射到金屬表面時，進入金屬內(nèi)的光振幅迅速衰減，使得進入金屬內(nèi)部的光能相應減少，而反射光能增加。消光系數(shù)越大，光振幅衰減越迅速，進入金屬內(nèi)部的光能越少，反射率越高。人們總是選擇消光系數(shù)較大，光學性質(zhì)較穩(wěn)定的金屬作為金屬膜材料。在紫外區(qū)常用的金屬薄材料是鋁，在可見光區(qū)常用鋁和銀，在紅外區(qū)常用金、銀和銅，此外，鉻和鉑也常作一些特種薄膜的膜料。由于鋁、銀、銅等材料在空氣中很容易氧化而降低性能，所以必須用電介質(zhì)膜加以保護。常用的保護膜材料有一氧化硅、氟化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁等。

　　金屬反射膜的優(yōu)點是制備工藝簡單，工作的波長范圍寬;缺點是光損大，反射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進一步提高，可以在膜的外側(cè)加鍍幾層一定厚度的電介質(zhì)層，組成金屬電介質(zhì)反射膜。需要指出的是，金屬電介質(zhì)射膜增加了某一波長（或者某一波區(qū)）的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特點。