光学薄膜及其应用-卢维强王华清

（ ２） 高反射膜， 见图 ３（ ｂ） ， 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 １００％） 。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。
（ ３） 能量分光膜， 见图 ３（ ｃ） ， 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 Ｔ： Ｒ＝５０： ５０ 的分光膜。
专 家 的 思 考
图 １ 薄膜干涉
膜在界面 ２ 上反射后再次穿过薄膜， 透过界面 １ 在 反射空间形成反射波 Ｗ２。Ｗ１ 和 Ｗ２ 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 Ｗ２ 比 Ｗ１ 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 Ｉ 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 １ 与 界 面 ２ 上 形 成 的 两 束 反 射 光 Ｉ１ 与 Ｉ２ 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 Ｗ１ 和 Ｗ２ 所经过的路径之差是薄膜厚度 （ ｄ１） 的两位。当薄膜的折射率 ｎ１ 与厚度 ｄ１ 的乘积 （ ｎ１ｄ１ 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 （２ｎ１ｄ１＝２× λ／４＝λ／２）， 即 相 位 差 为 π （ ２σ１＝２ ×（ ２ π／ λ） ｎ１ｄ１＝π） 。我们将这时的两束反射光波示意地画在 图 ２ 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 ｎ１＝ ｎ２１／２， 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。
文章编号： １００６－６２６８（ ２００７） ０３－０００６－０４
卢维强等： 光学薄膜及其应用
专
光学薄膜及其应用
家
的
思
考
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 １０００８１）
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
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 １００ 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。
（ ５） 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 ３（ ｆ） 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 分复用器（ ＤＷＤＭ） ， 从而使光通讯技术实用化向前 迈了一大步。
６ 现代显示 Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ
Ｍａｒ ２００７， 总第 ７３ 期
收稿日期： ２００７－ ０１－ １５
卢维强等： 光学薄膜及其应用
２ 光学薄膜干涉原理
光是一种电磁波［１－ ２］。可以设想光源中的分子或 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。
将多种不同折射率、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、
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现代显示 Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ ７
卢维强等： 光学薄膜及其应用
专
家
的
思
考
图 ２ 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
宽带通滤光膜 ， 如 图 ３（ ｇ） 最 近 最 成 功 的 应 用 ， 是用于制造低辐射玻璃（ＬＯＷ－ Ｅ 玻璃）， 可以用于发
８ 现代显示 Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ
Ｍａｒ ２００７， 总第 ７３ 期
卢维强等： 光学薄膜及其应用
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 深及更宽广的范围发展。
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。
３ 光学薄膜的应用
经典的光学薄膜大概可以分为 ５ 种［４］。它们的典 型光谱特性见图 ３。
图 ３ 几种经典薄膜
（ １） 减反射膜， 见图 ３（ ａ） ， 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 １００％ ； 对于可见光谱段， 反射率可以降低到 ０．５％ ， 甚至更低， 以保证一个由多个镜片组成的复 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。
Ｂｅ ｉｊｉｎｇ １０００８１， Ｃｈｉｎａ ）
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｂａｓ ｅ ｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅ ｒｆｅ ｒｅ ｎｃｅ ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅ ｒ ｈａｓ ｅ ｘｐｌａｉｎｅ ｄ ｓ ｅ ｖｅ ｒａｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｒｅ ｐｒｅ ｓ ｅ ｎｔａｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｓ ｕｃｈ ａｓ ＡＲ ｃｏａｔｉｎｇ， ｈｉｇｈ ｒｅ ｆｌｅ ｃｔｏｒ， ｎｅ ｕｔｒａｌ ｂｅ ａｍ ｓ ｐｌｉｔｔｅ ｒ， ｓ ｈｏｒｔ ｗ ａｖｅ ｐａｓ ｓ ｅ ｄｇｅ ｆｉｌｔｅ ｒ， ｌｏｎｇ ｗ ａｖｅ ｐａｓ ｓ ｅ ｄｇｅ ｆｉｌｔｅ ｒ， ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｐａｓ ｓ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｗ ｉｄｅ ｂａｎｄ ｐａｓ ｓ ｃｏａｔｉｎｇ． Ｉｔ ａｌｓ ｏ ｇｉｖｅ ｓ ｓ ｏｍ ｅ ｂｒｉｅ ｆ ｅ ｘｐｌａｎａｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍ ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ． Ｋｅ ｙｗｏｒｄｓ ： ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｎ－ ｆｉｌｍ ｓ ； ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅ ｒｆｅ ｒｅ ｎｃｅ ； ｃｏａｔｉｎｇ ｍ ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ； ｃｏａｔｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
（ ４） 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 ３ （ ｄ） ； 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 ３（ ｅ） 。 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。
电磁波的波长 λ、频率 ｆ、传播速度 ｖ 三者之间 的关系为：
ｖ＝ λ·ｆ 各种频率的电磁波在真空中的速度都是一样 的， 即 ３×１０８ｍ ／ｓ ， 常用 Ｃ 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 ｖ， 则 Ｃ 与 ｖ 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 ４００￣７６０ｎｍ 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 １０－ ８ 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［３］可以满足光干涉的这些条件。如图 １ 所示， 它表示一层镀在基底（ ｎ２） 上的折射率为 ｎ１ 厚 度为 ｄ１ 的薄膜， 假定 ｎ１＜ ｎ２， ｎ０ 为入射介质的折射 率。入射光束 Ｉ 中某一频率的波列 Ｗ 在薄膜的界面 １ 上反射形成反射光波 Ｗ１， 透过界面的光波穿过薄
４ 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 １９３０ 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（ ＰＶＤ） 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。