光学薄膜的研究进展和应用

光学薄膜的研究进展和应用

【摘要】本文从光学薄膜的干涉原理出发，介绍了光学薄膜的工作原理，并对光学薄膜的传统光学领域的应用做了简要的概述。又举例说明现代光学薄膜在照明、激光器等领域的典型应用，最后对光学薄膜的制备加以简要的介绍。

关键词光学薄膜；薄膜应用；研究综述；薄膜制造

1 引言

我们对肥皂泡上的花纹，漂在水面上的油膜的彩色纹路见怪不怪，而这些在十七世纪引起了许多科学家的注意，而后提出了一系列的理论但都不能圆满的解释其中现象，直到近150年后的托马斯·杨的干涉实验的成功才提出了比较完整的解释。而以上列出的例子实际是光学薄膜的现象，托马斯·杨的理论又用干涉解释了其原理。的确所有的光学薄膜都是基于干涉的原理来设计和实现的。而如今在20世纪末21世纪初随着光电子技术雪崩式发展，光学薄膜技术也向着要求和技术难度更高，应用范围更广，器件种类和需求数量更多的方向迅速发展。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。本文通过介绍传统光学薄膜的工作原理，引出光学薄膜在传统以及现代科学领域的几个典型应用，来说明光学薄膜的应用及其重要地位。

2 光学薄膜原理简述

所谓光学薄膜是指其厚度能够光的波长相比拟，其次要能对透过其上的光产生作用。具体在于其上下表面对光的反射与透射的作用。光学薄膜的定义是：涉及光在传播路径过程中，附著在光学器件表面的厚度薄而均匀的介质膜层，通过分层介质膜层时的反射、透（折）射和偏振等特性，以达到我们想要的在某一或是多个波段范围内的光的全部透过或光的全部反射或是光的偏振分离等各特殊形态的光。

光学薄膜的特点是：表面光滑，膜层之间的界面呈几何分割；膜层的折射率在界面上可以发生跃变，但在膜层内是连续的；可以是透明介质，也可以是吸收介质；可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。实际应用的薄膜要比理想薄膜复杂得多。这是因为：制备时，薄膜的光学性质和物理性质偏离大块材料，其表面和界面是粗糙的，从而导致光束的漫散射；膜层之间的相互渗透形成扩散界面；由于膜层的生长、结构、应力等原因，形成了薄膜的各向异性；膜层具有复杂的时间效应。不同物质对光有不同的反射、吸收、透射性能，光学薄膜就是利用材料对光的这种性能，并根据实际需要制造的。不同材料对光的反射、吸收、透射性能见表1。

表1 不同材料对光的反射、吸收、透射性能

3光学薄膜的传统应用

光学薄膜按应用分为反射膜、增透膜、滤光膜、光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜。

减反射膜，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射处理的。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，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。

能量分光膜，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。

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；将长波能量透射、短波能量反射的叫长波通截止滤光膜。利用它们可以把一束光分成不同的颜色。

帯通滤光片，只允许一个谱段（可能比较宽，也可以相当窄）的光透过，它是光波的帯通滤波器。窄帯通滤波器在光学仪器中具有获得单色光和抑制系统光学背景的作用，在光学、医学、刑侦、通讯、生化等领域有广泛应用。超窄带滤光片在光通信中成功地应用于制造密集型的波分复用器（DWDM），从而推动了光通信的发展。宽带通滤光膜最近最成功的应用是用于制造低辐射玻璃，可以用于发展一种反射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。

4 新型光学薄膜的典型应用

现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展，光学薄膜不仅用于纯光学器件，在光电器件、光通信器件上也得到广泛的应用。近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高，从而发展了一系列新型光学薄膜及其制备技术，并为解决光学薄膜产业化面临的问题提供了全面的解决方案。包括高强度激光器、金刚石及类金刚石膜、软X射线多层膜、太阳能选择性吸收膜和光通信用光学膜等。

4.1 照明领域的冷光膜

照明领域现在使用非常广泛的是石英卤素灯, 它具有体积小、发光效率高、光衰小、寿命长、显色指数高的优点，特别是采用光学薄膜技术制成的“定向冷反射卤钨灯”，由于其光源发出的红外光被透射，而可见光被定向反射的优势, 得到了越来越广泛的应用，无论是工业照明( 放映灯、投影灯、医用灯、背投影电视光源等)，商业照明( 商场、饭店、珠宝、服装等) , 还是家庭照明( 装饰装潢) ，市场前景光明。

其中的核心技术就是在冷反射杯的镀膜技术得到了空前的成功应用，使得镀有反射可见、透射红外的冷光杯具有明显的先进性，用仅有国际价格十分之一的国产改装设备，采用具有中国特色的镀膜技术和工艺，使得冷光杯具有极大的优势，性价比居世界前列，世界上几乎所有照明巨头的冷光(灯)都从中国采购，中国的年出口量在3亿元以上。

4.1.1 冷光膜的原理和研究

冷光膜的设计原理是要求能够尽可能高的反射可见光，而透射红外光，镀在弧形反光碗上，使反射的光亮很高，而红外幅射热则大大减少，从而降低了光束的温度。用这种技术制作的照明射灯就称为冷光灯。冷光膜实际上是一种长波通的宽带反射膜，要有一定的可见区反射带宽和长波良好的通带，可用高反射膜与光谱分光膜的设计原理作为解决方案。

为了得到在可见区较宽的反射带, 可用两个方法解决：

1：设计不同中心波长的高反射膜系, 并把它们的高反射带连起来, 以得到宽的高反射带。2：设计膜层厚度按几何级数或按算术级数递变的膜系，其设计的目的是构成一个中心波长不断变化的膜系，以得到宽带高反射膜。

为了得到红外区高的透射率，可采用合适的红外透明膜料以及通带匹配层技术来达到。需要指出的是，反射带的宽度的定位，对于冷光灯的综合光谱、色温、照度、光通量都有重要影响，必须根据需要进行特别设计和控制。

4.1.2冷光膜的分类

镀制冷光膜的反光碗由于选择的镀膜材料不同，其特性及应用范围也不同。

（1）软膜

镀膜材料为ZnS-MgF2组合。其特点为制作方便，工艺成熟；缺点牢固度、耐水性、耐温性、持久性较差，如使用离子辅助镀膜技术可改善其特性。常用于使用要求较低的场合，