光学薄膜应用及实例

光学薄膜应用及实例 光学薄膜是利用薄膜对光的作用而工作的一种功能薄 膜，光学薄膜在改变光强方面可以实现分光透射、分光反 射、分光吸收以及光的减反、增反、分束、高通、低通、 窄带滤波等功能。光学薄膜的种类有很多，这些薄膜赋予 光学元件各种使用性能，在实现光学仪器的功能和影响光 学仪器的质量方面起着重要的或者决定性的作用。 传统的光学薄膜是现代光学仪器和各种光学器件的重要组 成部分，通过在各种光学材料的表面镀制一层或多层薄 膜，利用光的干涉效应来改变透射光或反射光的光强、偏 振状态和相位变化。薄膜可以被镀制在光学玻璃、塑料、 光纤、晶体等各种材料表面上。它的厚度可从几个 nm 到 几十、上百个 μm。光学薄膜可以得到很好的牢固性、光学 稳定性，成本又比较低，几乎不增加材料的体积和重量， 因此是改变系统光学参数的首选方法，甚至可以说没有光 学薄膜就没有现代的光学仪器和各种光学器件。在两百多 年的发展过程中，光学薄膜形成了一套完整的光学理论— 薄膜光学。光学薄膜已广泛应用于各种光学器件(如激光谐 振腔、干涉滤波片、光学镜头等)，不仅如此它在光电领域 中的重要作用亦逐渐为人们所认识。光学薄膜是 TFT-LCD 面板制造的关键材料，它们为液晶显示提供一个均匀，明 亮且饱满的面光源系统。 （光行天下配图） 减反射膜 假定光线垂直入射在表面上，这时表面的反射光强度与入 射光的强度比值(反射率)只决定于相邻介质的折射率的比 值： 折射率为 1.52 的冕牌玻璃每个表面的反射约为 4.2%左 右．折射率较高的火石玻璃则表面反射更为显著。这种表 面反射造成了两个严重的后果：光能量损失使象的亮度降 低；表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散 光，最后也到达象平面使象的衬度降低图象质量，特别是 电视、电影摄影镜头等复杂系统都包含了很多个与空气相 邻的表面，如不镀上增透膜其性能就会大大降低。应用于 可见光谱区的光学仪器非常多，就其产量来说占据了减反 射膜的绝大部分，几乎在所有的光学器件上都要进行减反 处理。 单层减反膜是应用非常广泛的薄膜，也是最简单的膜系。 考虑垂直入射的情况，即 i = 0，并令 这时基片表面反射率完全被消除。在入射介质为空气的情 况下， n0 =1，则在可见光区使用得最普遍的是折射率为 1.52 左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率为 1.23，但 是至今能利用的薄膜的最低折射率是 1.38( 氯化镁)。这虽 然不很理想但也得到了相当的改进。当 ns=1.52， nf=1.38，n0=1.0 时，由式(3)可得最低反射率为 1.3%，即 镀单层氟化镁后中心波长的反射率从 4.2%降至 l.3%左右， 整个可见光区平均反射率约为 1.5%。显然，愈是接近于满 足式（4）的条件的玻璃，中心波长增透效果愈显著。以可 见光的中心波长为 550nm 设计的时候，那么对于紫光波段 和红光波段的光波长，光学厚度不是四份之一波长，也就 偏离了反射抵消的条件，会有略高的反射。 2.分光膜 把一束光分为两部分的器件称为分光镜。分光镜的工作部 分一般是一个镀过膜的平面，它在一定的波长范围内具有 特定的反射率和透射率。通常这个平面是倾斜的，因此入 射光和反射光便分离开来。分光镜的预定反射率和透射率 值随其用途不同而相异。 对于不同的分光镜往往有不同的透射率和反射率比 T/R，即 分光比。最常用的是中性分光镜，T/R=50/50，它把一束光 分成光谱成分相同的两束光。因为它在某波长区域内对各 波长具有相同的透射率和反射率比，因而反射光和透射光 不带有颜色，呈中性。常用的中性分光镜有两种结构：一 种是在透明的平板基片上镀上分光膜，另一种是把膜层镀 在两个直角棱镜上，再膜面对膜面地胶合成立方体。常用 的有金属分光镜和介质分光镜两类。金属膜分光镜分光的 光谱宽度较宽，缺点是吸收损失较大，分光效率较低，介 质分光镜的特点是分光效率高，偏振效应明显，分光特性 色散明显。介质膜分光镜与金属膜分光镜相比，因为介质 膜的吸收小到可以忽略的程度，所以分光效率高，这是介 质分光镜的优点，但是介质膜的特性对波长较敏感，给中 性分光带来困难。同时，一般介质膜分光镜的偏振效应较 大，这也是它的不足之处。 3.反射膜 反射膜是用于把入射光能量大部分或几乎全部反射的光学 元件。在有些光学系统中，要求光学元件具有较高的反射 本领，例如，激光器的反射镜要求对某种频率的单色光的 反射率在 90％以上。为了增强反射能量，常在玻璃表面镀 一层高反射率的透明薄膜，利用其上下表面反射光的光程 差满足干涉相长的条件，使反射光增强。 金属膜有很高的反射率，吸收率也较高，而介质膜的不但 反射率可以较高，还有较小的吸收率。 铝是唯一从紫外到红外(0.2～30μm)具有很高反射率的材 料。大约在波长 0.85μm 处反射率出现一极小值，其值为 86%。铝膜对基板的附着力比较强、机械强度和化学稳定性 也比较好，所以广泛用作反射膜。新沉积的铝膜暴露于常 温大气后，表面立即形成一层非晶的高透明的 Al2O3 膜， 短时间内氧化物迅速生长到 15～20.，然后缓慢生长，一个 月后达到 50 左右。对缓慢蒸发的铝膜，氧化物的厚度可以 达到 90. 以上。氧化物的存在使铝膜的反射率下降，特别 是波长小于 200nm 的区域，为此要用 MgF2 膜作保护层。 在可见光区，通常用 SiO 作为初始材料，蒸发得到硅的氧 化物薄膜作为 Al 膜的保护膜。最佳的制备铝膜的条件：高 纯铝(99.99%)；高真空中快速蒸发(50～100nm/s)；基板温度 低于 50℃。 在可见光及红外波段内，银膜的反射率是所有已知材料中 最高的。在可见光区和红外区，反射率分别达到 95%和 99% 左右。但是，银膜的附着力差，机械强度和化学稳定性 差，所以主要用于短期使用的零件。银膜在紫外区的反射 率很低，在波长 400nm 开始下降，到 320nm 附近降到 4% 左右。当银膜暴露于空气中时反射率会逐渐降低，主要原 因是表面形成的氧化银(AgO、Ag2O3)和硫化银，因此要在 银膜上镀保护膜。最佳的制备工艺与铝的相似，即高真 空、快速蒸发、低的基板温度。 降低薄膜反射率的一个重要因素是散射。造成散射损耗的 原因是多种多样的，薄膜的成核和生长机理引起膜层微观 结构的不均匀，从而会产生散射，借助于电子显微镜观察 多层膜断面的微观结构，其呈现非常明显的柱状，膜层内 部充满空隙，而面变得凹凸不平。此外，基片表面的粗糙 度及其缺陷，还有蒸发源喷溅的粒子、膜层中的微尘、裂 纹和针孔等因素相互交叉构成复杂的散射模型。总的来说 我们可以把散射归结为二类，即体积散射和表面散射。 4.干涉截止滤光片 要求某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长的光束 骤然变化为高反射(或称抑制)的干涉截止滤光片有着广泛的 应用。我们把抑制短波区、透射长波区的滤光片称为长波 通滤光片。相反，抑制长波区、透射短波区的截止滤光片 就称为短波通滤光片。 大多数情况下，是希望截止短于某一特定波长，或者长于 该波长的所有光线。通常的办法是使干涉滤光片同吸收滤 光片相组合。它既可以用作截止长波的短波通滤光片，也 可以用作截止短波的长波通滤光片。只要改