光学薄膜及其应用

1、现代显示，总第期文章编号：（）光学薄膜及其应用摘要：从光学薄膜干涉原理出发，说明了光学薄膜的工作原理。文中对减反膜、高反膜、分光膜、滤光膜等几种典型的膜系加以说明。文章最后对光学薄膜的制备加以简要介绍。关键词：光学薄膜；光学干涉；薄膜制造；薄膜应用中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；收稿日期：卢维强，王华清，肖畅，杨朝佳（北京理工大学薄膜与显示技术实验室，北京）引言人们大概都有儿时吹肥皂泡的经验，初时肥皂泡是无色的，随着肥皂泡被吹得越来越大，肥皂泡的壁随之变得越来越薄，这时如果在太阳光或灯光下观察，我们就会看到绚丽斑斓的色彩，这在光学上称为薄膜干涉现象，能产生光干涉现象的薄膜则称为光学薄膜

2、。虽然，人类很早就从自然界中观察到薄膜干涉现象，但直到年，在英国人麦克斯韦发表的论电与磁著作中，才对薄膜干涉现象做出了科学的解释，并从理论上奠定了分析薄膜光学问题所必需的全部理论基础。经过多年的发展，薄膜光学已经发展成为近代光学的一个重要分支，光学薄膜的制造业已完全成为一个独立的产业。今天，几乎所有的光学或光电系统都包含有各种光学薄膜，而且在人们的日常生活中也获得了越来越广泛的应用。在这篇文章中，我们意图通过比较通俗的解释，说明光学薄膜的工作原理，同时根据几个典型膜系的说明，使读者了解光学薄膜的应用和重要地位。专家的思考现代显示，总第期图薄膜干涉光学薄膜干涉原理光是一种电磁波。可以设想光源中的

3、分子或原子被某种原因激励而振动，这种振动导致分子或原子中的电磁场发生电磁振动。可以证明，电场强度与磁场强度两者有单一的对应关系，同时在大多光学现象中电场强度起主导作用，所以我们通常将电场振动称为光振动，这种振动沿空间方向传播出去就形成了电磁波。电磁波的波长、频率、传播速度三者之间的关系为：各种频率的电磁波在真空中的速度都是一样的，即×，常用表示。但是在不同介质中，传播速率是不一样的。假设某种频率的电磁波在某一介质中的传播速度为，则与的比值称为这种介质对这种频率电磁波的折射率。频率不同的电磁波，它们的波长也不同。波长在这样一段电磁波能引起人们的视觉，称为可见光。普通光源如太阳、白炽灯等

4、内部大量振动中的分子或原子彼此独立，各自有自己的振动方向、振幅及发光的起始时间。每个原子每一次振动所发出的光波只有短短的一列，持续时间约为秒。我们通常观察到的光都是光源内大量分子或原子振动辐射出来的结果，而观察不到其作为一种波动在传播过程中所能表现出来的特征干涉、衍射和偏振等现象。这是因为实现光的干涉是需要条件的，即只有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的两列光波才是相干光波，这样的两列波辐射到同一点上，彼此叠加，产生稳定的干涉抵消（产生暗影）或者干涉加强（产生比两束光能简单相加更强的光斑）图像，才是我们观察到的光的干涉现象。光学薄膜可以满足光干涉的这些条件。如图所示，它表示一层镀在基底（）上

5、的折射率为厚度为的薄膜，假定，为入射介质的折射率。入射光束中某一频率的波列在薄膜的界面上反射形成反射光波，透过界面的光波穿过薄膜在界面上反射后再次穿过薄膜，透过界面在反射空间形成反射波。和是从同一波段中分离出来的，所以频率相同，振动方向相同，所不同的是比多走了往返两次薄膜厚度的路径，从而造成了它们的相位差。入射光中相同频率的其他波列同样也有着相同的相位差。对于入射光中其它频率的光也有着类似的讨论。所以在薄膜的界面与界面上形成的两束反射光与是相干光，在它们相遇区域中会产生光的干涉现象。如果我们忽略光在薄膜内的多次反射，只考虑这两束光的干涉，那么和所经过的路径之差是薄膜厚度（）的两位。当薄膜的折射

6、率与厚度的乘积（称为光学厚度）是某一参考光波波长的四分之一时，两束光的光程差是二分之一波长（×），即相位差为（×（）。我们将这时的两束反射光波示意地画在图中，可以观察到此时的干涉是相消干涉。如果我们选择薄膜的折射率等于基底折射率的平方根，即，那么两束反射光的振幅相等，两束光完全相消。由于反射光的强度是反射振幅的平方，所以合成的反射光强度为零，也就是完全消除了表面的反射光。对于不是参考波长的其他波长，两束反射光的光程差不再是二分之一波长，所以就不会观察到这种完全相消的效果，会有不同程度的剩余反射。由于这种薄膜具有减少光学表面反射率的作用，所以我们常称之为减反射膜。将多种不同折

7、射率、不同厚度的薄膜组合在一起，就形成一个比上面单层膜更为复杂的分层结构的多层膜系，膜系的合理组合会使光在其上面反射、专家的思考现代显示，总第期图两束光的干涉透射、偏振等特征发生变化。通过现代计算机技术可以方便地计算各种光学薄膜的各种性能，或者根据人们的需求设计出满足要求的膜系来。现代复杂光学薄膜的膜系结构可能多达几百层。光学薄膜的应用经典的光学薄膜大概可以分为种。它们的典型光谱特性见图。（）减反射膜，见图（），是应用最广泛的光学薄膜，它可以减少光学表面的反射率而提高其透射率。对于单一波长，理论上的反射率可以降到零，透射率为；对于可见光谱段，反射率可以降低到，甚至更低，以保证一个由多个镜片组成

8、的复杂系统有足够的透射率和极低的杂散光。现代光学装置没有一个是不经过减反处理的。由于其具有极低的反射率和鲜艳的表面颜色，现代人们日常生活中的眼镜普遍都镀有减反射膜。（）高反射膜，见图（），能将绝大多数入射光能量反射回去。当选用介质膜堆时，由于薄膜的损耗极低，随着膜层数的不断增加，其反射率可以不断地增加（趋近于）。这种高反射膜在激光器的制造和激光应用中都是必不可少的。（）能量分光膜，见图（），可将入射光能量的一部分透射，另一部分反射分成两束光，最常用的是：的分光膜。（）光谱分光膜，可将入射光中一部分光谱的能量透射，另一部分光谱的能量反射。将长波能量反射、短波能量透射的叫做短波通截止滤光膜，如图（

9、）；将长波能量透射、短波能量反射的叫长波通截止滤光膜，如图（）。利用它们可以把一束光分成不同颜色的多束光。例如把一束光分成红、绿、蓝三原色，任何一种色光都可以通过这三种颜色的合成来获得。这种颜色分光膜在光电的彩色行业，诸如彩色摄影、彩色电视、彩色投影、彩色印刷等领域都是不可缺少的。（）带通滤光片，只允许一个谱段（可能比较宽，也可能相当窄）的光透过，比该谱段波长长的和比这一谱段波长短的光都不允许通过，它是光波的带通滤波器。窄带通滤波器，如图（）在光学仪器中具有获得单色光和抑制系统光背景的作用，在光学、医学、刑侦、通讯、生化等领域得到了广泛的应用。超窄带滤光片在光通讯中成功地应用于制造密集型的波分

10、复用器（），从而使光通讯技术实用化向前迈了一大步。宽带通滤光膜，如图（）最近最成功的应用，是用于制造低辐射玻璃（玻璃），可以用于发图几种经典薄膜专家的思考现代显示，总第期展一种反射热能量而又可透过太阳光的建筑窗口玻璃。这在能源费用不断上涨的今天，必将发展成一个大的产业。上面我们只是列举了薄膜在光学中一些有代表性的应用，可以看到，光学薄膜在光学装置的几乎所有特性方面都起着重要作用。可以毫不夸张地说，没有光学薄膜就没有近代光学系统。随着科学技术的发展，光学薄膜与光电子薄膜结合，与能源、环保等其他新技术结合，除了不断地创造着新概念、新应用外，还会不断地产生新兴产业，推动光学薄膜向着纵深及更宽广的范围

11、发展。薄膜的制备有了满足我们要求的光学薄膜设计，下一步要考虑的问题是如何把膜层按要求一层层地涂敷到基片上。最早的光学薄膜是人们无意中发现的旧的照相机镜头上由于自然生长了一层透明薄膜，比新生产的照相机镜头拍的照片更清楚，从而启发人们用酸蚀法制备了最初的减反膜。直到年扩散泵发明以后，高真空环境的获得变得容易了，才使物理气相沉积（）制备光学薄膜这一技术得到真正的发展。从而使各种光学薄膜在各个领域得到广泛的应用。直至今日，物理气相沉积仍是光学薄膜制备的主流技术。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。之所以选择高真空环境是为了薄膜材料在沉

12、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，所以光学薄膜技术是一门交叉性很强的学科。它涉及到真空技术、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。经过几十年的努力，在激光产业、微显示产业和光通讯产业的推动下，光学薄膜的制造技术已经完全地摆脱了依靠薄膜工作者的经验、看天气碰运气的阶段，进入了光机电一体的全自动制备过程。在真空镀膜技术中，薄膜材料总是经过从固态变成蒸汽态然后凝结成固态薄膜这一过程。在这个过程中，如果沉积的薄膜粒子在基片上的表面迁移力有限，那么薄膜的微观结构往往都是柱状加空穴的，有别于大块材料的结构，这种微观结构对薄膜的性能有显著的影响。于是人们开始广泛地使用了离子辅助镀膜或溅射镀膜技术，以期获得致密的接近于大块材料结构的优质薄膜，并逐渐成为高性能、大批量生产光学薄膜的主流技术。特别是世纪最后几年，光学薄膜在光通讯波分复用技术中的重要应用，促进了光学薄膜设备与光学薄膜工艺的快速发展，所制备的光学薄膜已接近其极限的理论性能。光学薄膜技术已经在光学技术发展的历史中创造了光辉的成绩，如今已广泛地渗透到各个新兴的科技领域。特别值得注意的是，传统的光学薄膜正在与光电子功能薄膜结合，各种新型微观结构的功能薄膜正在不断地开发出来，使传统的