光學薄膜的制備技術及發展前景

摘要：光學薄膜技術作為一門獨立的學科，近年來獲得較大幅度的進展，應用 范 圍日益廣泛。它的發展與不少尖端科學息息相關。隨著科學技術的進步，光學薄膜及相關技術不論是從廣度還是深度都得到了顯著發展，并逐漸滲透到現代技術及高端技術領域。本文綜述了什么是光學薄膜、光學薄膜的制備以及發展前景。

光學薄膜技術是一門交叉性很強的學科，它涉及到光電技術、真空技術、材料科學、精密機械制造、計算機技術、自動控制技術等領域。光學薄膜是一類重要的光學元件，它廣泛地應用于現代光學光電子學、光學工程以及其他相關的科 學技術領域。它不僅能改善系統性能(如減反、濾波)，而且是滿足設計目標的必要手段。光學薄膜可分光透射，分光反射，分光吸收以及改變光的偏振狀態或相位，用作各種反射膜，增透膜和干涉濾光片，它們賦予光學元件各種使用性能，對光學儀器的質量起著重要或決定性的作用。

科學家曾經預言21世紀是光子世紀。21世紀初光電子技術迅速發展，光學薄膜器件的應用向著性能要求和技術難度更高、應用范圍和知識領域更廣、器件種類和需求數量更多的方向迅猛發展。光學薄膜技術的發展對促進和推動科學技術現代化和儀器微型化起著十分重要的作用，光學薄膜在各個新興科學技術中都得到了廣泛的應用。

 一、光學薄膜的制造技術  

光學薄膜可以采用物理氣相沉積（PVD)、化學氣相沉積（CVD)和化學液相沉積（CLD）三種技術來制備。

1、物理氣相沉積（PVD） 

PVD需要使用真空鍍膜機，制造成本高，但膜層厚度可以精確控制，膜層強度好，目前已被廣泛采用。在PVD法中，根據膜料氣化方式的不同，又分為熱蒸發、濺射、離子鍍及離子輔助鍍技術。其中，光學薄膜主要采用熱蒸發及離子輔助鍍技術制造，濺射及離子鍍技術用于光學薄膜制造的工藝是近幾年才開始的。 

1.1熱蒸發  

光學薄膜器件主要采用真空環境下的熱蒸發方法制造，此方法簡單、經濟、操作方便。盡管光學薄膜制備技術得到長足發展，但是真空熱蒸發依然是最主要的沉積手段，當然熱蒸發技術本身也隨著科學技術的發展與時俱進。 在真空室中，加熱蒸發容器中待形成膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸汽流，入射到固體（稱為襯底或基片）表面，凝結形成固態薄膜的方法。

熱蒸發的三種基本過程：由凝聚相轉變為氣相的相變過程；氣化原子或分子在蒸發源與基片之間的運輸，即這些粒子在環境氣氛中的飛行過程；蒸發原子或分子在基片表面的沉積過程。

1.2濺射  

濺射指用高速正離子轟擊膜料表面，通過動量傳遞，使其分子或原子獲得足

夠的動能而從靶表面逸出（濺射），在被鍍件表面凝聚成膜。

與蒸發鍍膜相比，其優點是：膜層在基片上的附著力強，膜層純度高，可同時濺射不同成分的合金膜或化合物；缺點是：需制備專用膜料靶，靶利用率低。 

濺射的方式有三種：二級濺射、三級/四級濺射、射頻濺射。 

1.3離子鍍 

離子鍍兼有熱蒸發的高成膜速率和濺射高能離子轟擊獲得致密膜層的雙優效果，離子鍍膜層附著力強、致密。離子鍍常見類型:蒸發源和離化方式。

特點：

a、膜附著力強。這是由注入和濺射所致。 

b、繞鍍性好。原理上，電力線所到之處皆可鍍上膜層，有利于面形復雜零件膜層的鍍制。 

c、膜層致密。濺射破壞了膜層柱狀結構的形成。 

d、成膜速率高。與熱蒸發的成膜速率相當。 

e、可在任何材料的工作上鍍膜。絕緣體可施加高頻電場。 

1.4粒子輔助鍍 

在熱蒸發鍍膜技術中增設離子發生器—離子源，產生離子束，在熱蒸發進行的同時，用離子束轟擊正在生長的膜層，形成致密均勻結構(聚集密度接近于1)，使膜層的穩定性提高，達到改善膜層光學和機械性能。 

離子輔助鍍技術與離子鍍技術相比，薄膜的光學性能更佳，膜層的吸收減少，波長漂移極小，牢固度好，該技術適合室溫基底和二氧化鋯、二氧化鈦等高熔點氧化物薄膜的鍍制，也適合變密度薄膜、優質分光鏡和高性能濾光片的鍍制。 

2、化學氣相沉積（CVD） 

化學氣相沉積就是利用氣態先驅反應物，通過原子、分子間化學反應的途徑來生成固態薄膜的技術。 

CVD一般需要較高的沉積溫度，而且在薄膜制備前需要特定的先驅反應物，在薄膜制備過程中也會產生可燃、有毒等一些副產物。但CVD技術制備薄膜的沉積速率一般較高。 

3、化學液相沉積（CLD） 

CLD工藝簡單，制造成本低，但膜層厚度不能精確控制，膜層強度差，較難獲得多層膜，還存在廢水廢氣造成的污染問題，已很少使用。 

二、光學薄膜的種類 

用光學功能薄膜制成的種類繁多的光學薄膜器件，已成為光學系統、光學儀器中不可缺少的重要部件。其應用已從傳統的光學儀器發展到天文物理、航天、激光、電工、通信、材料、建筑、生物醫學、紅外物理、農業等諸多技術領域。

分為：基本光學薄膜、控光薄膜、光學薄膜材料 

1、基本光學薄膜 

基本光學薄膜是指能夠實現分光透射、分光反射、分光吸收和改變光的偏振狀態或相位，可用于各種反射膜、增透膜和干涉濾波片的薄膜，它賦予光學元件各種使用性能，對保證光學儀器的質量起到決定性的作。 

1.1減反膜（增透膜） 

減反膜是用來減少光學元件表面反射損失的一種功能薄膜。它可以有單層和多層膜系構成。單層膜能使某一波長的反射率為零，多層膜在某一波段具有實際為零的反射率。在應用中，由于條件和應用對象不同，其所用的減反膜的類型與諸多因素有關，例如基片材料、波長領域、所需特征及成本等。

 a、單層減反膜 

為減少光的反射消耗，增大光線的透射率，常在玻璃的表面上沉積一層減反膜。其原理是光的干涉現象。只要膜的折射率小于玻璃基片的折射率，就能都實現光的減反射作用。 

 b、多層減反膜 

多層減反膜主要是為了改進單層減反膜的不足，進一步提高減反膜的效果，因而采用增加膜層層數的措施。 

1.2反射膜 

反射膜的作用與減反膜相反，它是要求把大部分或幾乎是全部入射光反射回去。如光學儀器、激光器、波導管、汽車、燈具的反射鏡，都需要沉積鍍制反射薄膜。反射膜有金屬膜和介質膜兩種 

 a、金屬反射膜 

金屬反射膜具有很高的反射率和一定的吸收能力。金屬高反射膜僅用于對膜的吸收損耗沒有特殊要求的場合。 

b、介質反射膜 

金屬高反射膜的吸收損失較大，在某些應用中，如多光束干涉儀、高質量激光器的反射膜，就要求沉積低吸收、高反射的全介質高反射膜。 

2、控光薄膜 

控光薄膜分為陽光控制膜、低輻射率膜、光學性能可變換膜三種 。

2.1、陽光控制膜 

在玻璃上鍍上一層光學薄膜，使玻璃對太陽光中的可見光部分有較高的透射率，而對太陽光中的紅外部分有較高的反射率，并對太陽光中的紫外線部分有很高的吸收率。將它制成陽光鍍膜幕墻玻璃，就能保證白天建筑物內有足夠的亮度等等 

2.2、低輻射率膜 

在玻璃的表面鍍制一層低輻射系數的薄膜，稱為低輻射率膜，俗稱隔熱膜，它對紅外線有較高的反射率。 

2.3、光學性能可變換膜 

光學性能可變換膜是指物質在外界環境影響下產生一種對光反應的改變，在一定外界條件（熱、光、電）下，使它改變顏色并能復原，這種變色膜是一類有廣闊應用前景的光學功能材料。 

3、光學薄膜材料  

3.1、金屬和合金 

金屬和合金是較為廣泛的薄膜，具有反射率高、截止帶寬、中性好、偏振效應小以及吸收可以改變等特點，在一些特殊用途的膜系中，它們有特別重要的作用。

3.2、化合物（電介質） 

化合物是有重要用途并廣泛應用的光學薄膜，主要有：鹵化物、氧化物、硫化物和硒化物。

3.3、半導體 

半導體材料在近紅外和遠紅外區透明，是一類重要的光學薄膜材料。在光學薄膜中使用最普遍的半導體材料是硅和鍺。

三、光學薄膜研究的趨勢

綜合國內外光學及光學薄膜的研究現狀，光學薄膜的研究呈現以下幾個發展趨勢：

1、繼續重視對傳統光學儀器中光學薄膜應用的研究和開發，提高薄膜的光學質量，研究大面積鍍膜技術及其應用； 

2、開發與新型精密光學儀器及光電子器件要求相適應的光學薄膜及其材料的制備方法，以滿足現代光學、空間技術、 軍事技術和全光網絡技術日益迫切的需要； 

3、開發極端光譜條件下的光學薄膜，如超窄帶密集型波分復用濾波片，軟X射線膜，高功率激光膜等的制備技術； 

4、開發與環境保護息息相關的“綠色光學薄膜”，實現光能與人類健康需要的相互協調； 

5、研究光學薄膜的材料物理、成膜過程的原位觀察，實現鍍膜過程的自動控制和超快速低溫鍍膜。 

時至今日，光學薄膜已獲得很大的發展，光學薄膜的生產已逐步走向系列化、 程序化和專業化，但是，在光學薄膜的研究中還有不少問題有待進一步解決， 光學薄膜現有的水平還需要進一步提高?？茖W家曾預言21世紀是光子世紀，而光學薄膜作為傳輸光子并實現其各種功能的重要載體，必然會在光學、光電子學及光子學獲得突破性發展的同時，得到進一步的繁榮和發展。