物理论文-光学薄膜及其应用方面的研究

光学薄膜及其应用方面的研究

1.引言

光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。从20世纪30年代开始，光学薄膜逐渐被应用于日常生活、工业、天文学、军事、宇航、光通信等领域，在国民经济和国防建设中起到了重要作用，因而得到了科学技术工作者的日益重视。而今新兴技术的发展对薄膜技术不断提出新的要求，又进一步促使了光学薄膜技术的蓬勃发展，所以近年来，对光学薄膜的研究及其应用一直是非常活跃的课题。本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜最常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。

2.光学薄膜干涉的原理

一列光波辐射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上下表面或上下表面反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉，设薄膜下方空间的折射率为n3，薄膜的折射率为n2，薄膜上方空间的折射率为n，膜的厚度为d，如图1所示，则上下两表面处获得的反射光束的光程差为δ=2d（n2^2-n1^2sin^i）^-2λ*/2,式中i是入射角，λ/2是由半波损失而引起的附加光程，当δ=kλ，相位差Δφ=±2k∏(k=1、2、3…),干涉加强，形成明纹；当δ=（2k+1）*λ/2，Δφ=±（2k+1）∏(k=0、1、2、3…)，干涉减弱，形成暗纹。

图1 薄膜干涉的基本原理

假如取薄膜的光学厚度为n2*d=λ/4,当n1n2；n3>n2时，薄膜上下表面的光学性质不相同，都有λ/2附加光程差，两反射光的光程差δ=λ，两反射光干涉相长，增加了反射光的能量，这种薄膜称为增反膜；当n1n2>n3时，因薄膜上下表面的光学性质相同，上下表面的反射光没有附加光程差，两反射光的光程差δ=λ/2，两反射光干涉相消，增加了透射光的能量，这种薄膜称为增透膜。总之，当（n2-n1）(n2-n3)>0时有增透的作用。

从以上的讨论可以看出，由于太阳光或灯光距薄膜膜面很远，所以光束照射薄膜表面时，几乎为垂直入射，即i=0,当用波长为λ。的单色光垂直照射，为了让薄膜的光学厚度达到所需要求，例如当n1n2>n3时，达到增头的作用，反射光的光程差为δ=2dn2，则n2d=λ。/4(2k+1)(k=0,1,2,3…),相邻反射光的相位差为Δφ=±（2k+1）∏，但在实际应用中照明光波并非是单色光，取n2d为常数，相位差Δφ则随波长而改变，反射光强必定也随波长而改变，设照明光的波长范围【λ。-Δλ，λ。+Δλ】，光学厚度n2d满足式

n2d=λ。/4(2k+1)时，相位差Δφ的变化范围为【∏λ。*(2k+1)/( λ。+Δλ), ∏λ。*(2k+1)/( λ。-Δλ)】,k取值较大时，有多种光波满足Δφ=+（2k+1）∏，同时也有多种波长的光波满足Δφ=2k∏,即出现一部分光产生相消干涉，而另一部分则产生相长干涉的现象。这样，增透膜的效果均不佳，当k取值较小时，可以避免此种现象的出现，例如400—760nm的可见光范围内，取λ。=550nm, n2d1=λ。/4=137.5nm时，相位差Δφ的变化范围为【0.724∏，1.375∏】，Δφ均与∏接近，避免了一部分光波产生相长干涉而另一部分产生相消干涉的现象，因此选取薄膜的光学厚度n2d1=λ。/4应该是最佳选择。

3.光学薄膜的制备

3.1物理气相沉淀法

物理气相沉淀法简单地说，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的过程。之所以选择高真空环境是因为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，而是直接到达基片，在实际薄膜沉积过程中，需要控制的工艺参数非常多，通常涉及到真空技术、材料化学、精密机械制造、光电技术、计算机技术、自动控制技术等领域。

3.2离子束辅助沉淀法

离子辅助沉积法是在气相沉淀镀膜的同时，利用高能粒子轰击薄膜沉积表面，对薄膜表面环境产生影响，从而改变沉积薄膜成分、结构的过程。这种把离子辅助与反蒸汽法结合起来的镀膜技术能够实现低温成膜，改善薄膜的微观结构、力学性能并提高薄膜与基体结合力，从而提高薄膜的综合性能。但由于离子束轰击基片的能量束流密度不均匀以及高能粒子引起的反溅射等因素，使得离子束辅助蒸发技术在生产应用中收到限制。通常对ZnS、MgF2等软膜采用离子辅助技术以后，膜层的牢固性获得了明显的改善，但无论对软膜或电子束蒸发的氧化物硬膜在抗激光损伤方面的效果均不明显。

4 光学薄膜的应用

4.1 应用于光学仪器

4.1.1应用于摄像机，照相机

摄像机的镜头是让可见光范围内全部光谱最大限度透过，即透过的光波波带要尽量的宽，从而获得真实的反映自然界色彩的效果，因此光薄膜采用了三层膜系结构。

当基质玻璃折射率ny<1.65时，采用λ/4 –λ/2 –λ/4形式，这种分层膜系在更多的波谱处追求反射率为零，增透波带变宽。另外，薄膜对于入射白光的选择性反射，会因入射光的角度变化而发生相应变化，当我们从不同的角度观察，这些光学表面时，将会看到

不同的色彩反光，通常，入射光越大，红光的反射越大，所以侧面看镜头时多呈红黄色。

为了与彩色显示设备中的三原色还原系统标准相一致，光电式彩色摄像机中所用的彩色分光系统，也是利用薄膜对光波透，反作用的选择性，将白色光分离成三束原色光进入信号记录仪，设备在相应制式的放映系统中播放使用。

4.2应用于光纤通信

光线系统也像电子系统一样，需要许多无源器件来实现光路的连接，分路、合路、交换，隔离以及控制或改变光信号的传播性质。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，透镜表面需要镀制减反射膜，消除菲涅尔反射的影响，在光纤定向耦合器中，部分反射介质镀膜制在两透镜的结合面上，这种微光原件组成的定向耦合器，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面上，构成一种T型耦合器。另一种光波分复用器（WDM），属于波长选择性耦合器，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。

5.结束语

综合国内外光学及光学薄膜的研究状况，光学薄膜的研究呈以下几个发展趋势：

1）继续重视对传统光学仪器中光学薄膜应用的研究和开发，提高薄膜光学质量，研究大面积镀膜技术应用；

2）开发与新型精密光学仪器及光电子器件要求相应的光学薄膜及其材料的制备方法，以满足现代光学、空间技术、军事技术和全光网络技术日益迫切的需要。

3）开发极端光谱条件下的光学薄膜，如超窄带密集型波分复用滤纸片，软X射线膜，高功率激光薄膜的制备技术。

4）开发与环境保护息息相关的“绿色光学薄膜”，实现光能与人类健康需要相协调。

时至今日，光学薄膜已获得很大的发展，光学薄膜的生产已逐步走向系列化、

程序化和专业化，但是，在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决。

20世纪90年代科学家语言21世纪是光子世纪，而光学薄膜作为传输光子并实

现其各种功能的重要载体，必然会在光学、光电子及其光子学获得突破性发展

的同时，得到进一步的繁荣和发展。

参考文献

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[2]N.Kaiser,M.Lequime,H.A.Macleod.Advance in Optical Thin FilmsⅢ[M]Bellingham:SPIEPress:2008

[3]丁相午.常用薄膜的应用分析[J].机械管理开发，2007，（6）：63-65