光學薄膜

主要的光學薄膜器件包括反射膜、減反射膜、偏振膜、干涉濾光片和分光鏡等等。它們在國民經濟和國防建設中得到了廣泛的應用，獲得了科學技術工作者的日益重視。例如採用減反射膜後可使複雜的光學鏡頭的光通量損失成十倍地減小；採用高反射比的反射鏡可使激光器的輸出功率成倍提高；利用光學薄膜可提高硅光電池的效率和穩定性。

最簡單的光學薄膜模型是表面光滑、各向同性的均勻介質薄層。在這種情況下，可以用光的干涉理論來研究光學薄膜的光學性質。當一束單色平面波入射到光學薄膜上時，在它的兩個表面上發生多次反射和折射，反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律給出，反射光和折射光的振幅大小則由菲涅耳公式確定（見光在分界面上的折射和反射）。

光學薄膜的特點是：表面光滑，膜層之間的界面呈幾何分割；膜層的折射率在界面上可以發生躍變，但在膜層內是連續的；可以是透明介質，也可以是吸收介質；可以是法向均勻的，也可以是法向不均勻的。實際應用的薄膜要比理想薄膜複雜得多。這是因為：製備時，薄膜的光學性質和物理性質偏離大塊材料，其表面和界面是粗糙的，從而導致光束的漫散射；膜層之間的相互滲透形成擴散界面；由於膜層的生長、結構、應力等原因，形成了薄膜的各向異性；膜層具有複雜的時間效應。

光學薄膜按應用分為反射膜、增透膜、濾光膜、光學保護膜、偏振膜、分光膜和位相膜。常用的是前4種。光學反射膜用以增加鏡面反射率，常用來製造反光、折光和共振腔器件。光學增透膜沉積在光學元件表面，用以減少表面反射，增加光學系統透射，又稱減反射膜。光學濾光膜用來進行光譜或其他光性分割，其種類多，結構複雜。光學保護膜沉積在金屬或其他軟性易侵蝕材料或薄膜表面，用以增加其強度或穩定性，改進光學性質。最常見的是金屬鏡面的保護膜。

主要內容

一類重要的光學元件。這一領域主要有以下幾方面的內容：

① 薄膜的光學性質、力學性質以及其他有關性質的研究;

② 薄膜的生長、薄膜的結構以及它們對薄膜性質的影響；

③光學薄膜元件的設計、製備及其性能的測試等。

◆ 光學薄膜的應用無處不在，從眼鏡鍍膜到手機，電腦，電視的液晶顯示再到LED照明等等，它充斥著我們生活的方方面面，並使我們的生活更加豐富多彩。

◆ 光學薄膜的定義是：涉及光在傳播路徑過程中，附著在光學器件表面的厚度薄而均勻的介質膜層，通過分層介質膜層時的反射、透（折）射和偏振等特性，以達到我們想要的在某一或是多個波段範圍內的光的全部透過或光的全部反射或是光的偏振分離等各特殊形態的光。

◆ 光學薄膜可分為“幾何光學和物理光學”，幾何光學是通過光學器件表面形成的幾何狀的介質膜層，以使改變光路經來實現光束的調整或再分配作用；物理光學是將自然界中特有的光學材料元素通過納米處理至所需的光學器件表面形成的介質膜層，透過介質膜層的光學材料元素的特性增強於改變光偏振，透射，反射等功能。

◆ 通常光學薄膜的製備條件要求高而精，製備光學薄膜分乾式製備法和濕式製備法，乾式製備法（ 含真空鍍膜：蒸發鍍，磁控濺鍍，離子鍍等）一般用於物理光學薄膜的製備，濕式製備法（含塗布法， 流延法，熱塑法等）一般用於幾何光學薄膜的製備。

◆ 迄今為止（2013年）常用的光學薄膜有：高反射膜；減反射膜；濾光膜；濾色膜；增透膜；聚光膜；擴散膜；偏光膜等等。

Veitch Tech的液晶顯示光學薄膜是一種通過微結構產生光線多次折射及聚焦原理形成的光學膜，其獨特的技術和工藝而減少光 線吸收，保證了光線穿透而亮度更高。除可以提高亮度收益之外， 還可以通過光的折射及散射而起到光擴散，霧化功能效果。

增光膜（BEF）是在透明性非常好的PET表面，使用丙烯酸樹脂，精密成型一層分散一致的稜鏡結構及背面光擴散層組合的光學薄膜，運用在液晶顯示的上層增光,使光線經由增光之微結構進行光的回收與聚光，產生增亮的效果，高亮度設計，帶擴散功能, 由於擴散層的基理,從而消除光耦合（Wet out） 現象，光顯示更加均勻，柔和。

擴散片（DL系列）是在透明性非常好的PET表面，使用丙烯酸樹脂，精密塗布一層隨機分散的微米結構的擴散粒子，在PET的相對面再精密塗布一層隨機分散的微米結構的抗靜電粒子，運用在液晶顯示器中,使光線經由擴散層產生多次折射及繞射,從而起到均光作用，讓光顯示更加均勻柔和。

反射片為在流延法製造時，在PET樹脂中摻雜HR高分子光學劑及增塑劑，以達到遮光和高反射效果之膜片，由於在膜片的中間層具有一定的吸收光線，而降低了反射效果。故此，在表面增加一層HR介質膜層，達到更佳的反射效果並具有抗紫外線黃變功能。

光學薄膜的簡單模型可以用來研究其反射、透射、位相變化和偏振等一般性質。如果要研究光學薄膜的損耗、損傷以及穩定性等特殊性質，簡單模型便無能為力了，這時必須考慮薄膜的結晶構造、體內結構和表面狀態，薄膜的各向異性和不均勻性，薄膜的化學成分、表面污染和界面擴散等等。考慮到這些因素後，那就不僅要考慮它的光學性質，還要研究它的物理性質、化學性質、力學性質和表面性質，以及各種性質之間的滲透和影響。因此光學薄膜的研究就躍出光學範疇而成為物理、化學、固體和表面物理的邊緣學科。

雖然薄膜的光學現象早在17世紀就為人們所注意，但是把光學薄膜作為一個課題進行專門研究卻開始於20世紀30年代以後，這主要因為真空技術的發展給各種光學薄膜的製備提供了先決條件。時至今日，光學薄膜已得到很大發展，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在不少工作中還不能滿足要求，需要提高。在理論上，不但薄膜的生長機理需要搞清，而且薄膜的光學理論，特別是應用於極短波段的光學理論也有待進一步完善和改進。在工藝上，人們還缺乏有效的手段實現對薄膜澱積參量的精確控制，這樣，薄膜的生長就具有一定程度的隨機性，薄膜的光學常數、薄膜的厚度以及薄膜的性能也就具有一定程度的不穩定性和盲目性，這一切都限制了光學薄膜質量的提高。就光學薄膜本身來説，除了光學性能需要提高，吸收、散射等光損耗需要減少之外，它的機械強度、化學穩定性和物理性質都需要進一步改進。在激光系統中，光學薄膜的抗激光強度較低，這是光學薄膜研究中最重要的問題之一。下面介紹幾種常用的光學薄膜元件。

又稱增透膜，它的主要功能是減少或消除透鏡、稜鏡、平面鏡等光學表面的反射光，從而增加這些元件的透光量，減少或消除系統的雜散光。

最簡單的增透膜是單層膜，它是鍍在光學零件光學表面上的一層折射率較低的薄膜。當薄膜的折射率低於基體材料的折射率時,兩個界面的反射係數r1和r2具有 相同的位相變化。如果膜層的光學厚度是某一波長的四分之一，相鄰兩束光的光程差恰好為π,即振動方向相反，疊加的結果使光學表面對該波長的反射光減少。適當選擇膜層的折射率，使得r1和r2相等，這時光學表面的反射光可以完全消除。

一般情況下，採用單層增透膜很難達到理想的增透效果,為了在單波長實現零反射,或在較寬的光譜區達到好的增透效果，往往採用雙層、三層甚至更多層數的減反射膜。圖1的a、b、c分別繪出Kg玻璃表面的單層、雙層和三層增透膜的剩餘反射曲線。

減反射膜是應用最廣、產量最大的一種光學薄膜，因此，它至今仍是光學薄膜技術中重要的研究課題，研究的重點是尋找新材料，設計新膜系,改進澱積工藝,使之用最少的層數，最簡單、最穩定的工藝，獲得儘可能高的成品率，達到最理想的效果。對激光薄膜來説，減反射膜是激光損傷的薄弱環節，如何提高它的破壞強度，也是人們最關心的問題之一。

它的功能是增加光學表面的反射率。反射膜一般可分為兩大類，一類是金屬反射膜，一類是全電介質反射膜。此外，還有把兩者結合起來的金屬電介質反射膜。一般金屬都具有較大的消光係數，當光束由空氣入射到金屬表面時，進入金屬內部的光振幅迅速衰減，使得進入金屬內部的光能相應減少，而反射光能增加。消光係數越大，光振幅衰減越迅速，進入金屬內部的光能越少，反射率越高。人們總是選擇消光係數較大，光學性質較穩定的那些金屬作為金屬膜材料。在紫外區常用的金屬薄膜材料是鋁，在可見光區常用鋁和銀，在紅外區常用金、銀和銅，此外，鉻和鉑也常用作一些特種薄膜的膜料。由於鋁、銀、銅等材料在空氣中很容易氧化而降低性能，所以必須用電介質膜加以保護。常用的保護膜材料有一氧化硅、氟化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁等。金屬反射膜的優點是製備工藝簡單，工作的波長範圍寬；缺點是光損耗大，反射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進一步提高，可以在膜的外側加鍍幾層一定厚度的電介質層，組成金屬電介質反射膜。需要指出的是，金屬電介質反射膜增加了某一波長（或者某一波區）的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特點。全電介質反射膜是建立在多光束干涉基礎上的。與增透膜相反，在光學表面上鍍一層折射率高於基體材料的薄膜，就可以增加光學表面的反射率。最簡單的多層反射膜是由高、低折射率的二種材料交替蒸鍍而成的,每層膜的光學厚度為某一波長的四分之一。在這種條件下，參加疊加的各界面上的反射光矢量，振動方向相同。合成振幅隨着薄膜層數的增加而增加。圖2給出這種反射膜的反射率隨着層數而變化的情形。

原則上説，全電介質反射膜的反射率可以無限接近於1，但是薄膜的散射、吸收損耗限制了薄膜反射率的提高。迄今為止，優質激光反射膜的反射率雖然已超過99.9%，但有一些工作還要求它的反射率繼續提高。應用於強激光系統的反射膜，則更強調它的抗激光強度，圍繞提高這類薄膜的抗激光強度所開展的工作，使這類薄膜的研究更加深入。

是種類最多、結構複雜的一類光學薄膜。它的主要功能是分割光譜帶。最常見的干涉濾光片是截止濾光片和帶通濾光片。截止濾光片可以把所考慮的光譜區分成兩部分，一部分不允許光通過（稱為截止區），另一部分要求光充分通過（稱為帶通區）。按照通帶在光譜區的位置又可分為長波通和短波通二種，它們最簡單的結構分別為，這裏H、L分別表示厚的高、低折射率層，m為週期數。具有以上結構的膜系稱為對稱週期膜系。如果所考慮的光譜區很寬或通帶透過率的波紋要求很高，膜繫結構會更加複雜。

帶通濾光片只允許光譜帶中的一段通過，而其他部分全部被濾掉,按照它們結構的不同可分為法布里-珀羅型濾光片、多腔濾光片和誘增透濾光片。法布里－珀羅型濾光片的結構與法－珀標準具（見法布里－珀羅干涉儀）相同，因為由它獲得的透過光譜帶都比較窄，所以又叫窄帶干涉濾光片。這種濾光片的透過率對薄膜的損耗非常敏感，所以製備透過率很高、半寬度又很窄的濾光片是很困難的。多腔濾光片又叫矩形濾光片，它可以做窄帶帶通濾光片，又可以做寬帶帶通濾光片，製備波區較寬，透過率高，波紋小的多腔濾光片同樣是困難的。

誘增透濾光片是在金屬膜兩邊匹配以適當的電介質膜系，以增加勢透過率，減少反射，使通帶透過率增加的一類濾光片。雖然它的通帶性能不如全電介質法－珀濾光片,卻有着很寬的截止特性,所以還是有很大的應用價值。特別在紫外區，一般電介質材料吸收都比較大的情況下,它的優越性就更明顯了。圖3的a、b、c分別給出法布里-珀羅型濾光片、多腔濾光片和誘增透濾光片的典型曲線。

根據一定的要求和一定的方式把光束分成兩部分的薄膜。分光膜主要包括波長分光膜、光強分光膜和偏振分光膜等幾類。

波長分光膜又叫雙色分光膜，顧名思義它是按波長區域把光束分成兩部分的薄膜。這種膜可以是一種截止濾光片或帶通濾光片，所不同的是，波長分光膜不僅要考慮透過光而且要考慮反射光，二者都要求有一定形狀的光譜曲線。波長分光膜通常在一定入射角下使用，在這種情況下,由於偏振的影響，光譜曲線會發生畸變,為了克服這種影響，必須考慮薄膜的消偏振問題。

光強分光膜是按照一定的光強比把光束分成兩部分的薄膜，這種薄膜有時僅考慮某一波長，叫做單色分光膜；有時需要考慮一個光譜區域叫做寬帶分光膜；用於可見光的寬帶分光膜，又叫做中性分光膜。這種膜也常在斜入射下應用，由於偏振的影響，二束光的偏振狀態可以相差很多,在有些工作中，可以不考慮這種差別,但在另一些工作中（例如某些干涉儀），則要求兩束光都是消偏振的，這就需要設計和製備消偏振膜。

偏振分光膜是利用光斜入射時薄膜的偏振效應製成的。偏振分光膜可以分成稜鏡型和平板型兩種。稜鏡型偏振膜利用布儒斯特角入射時界面的偏振效應（見光在分界面上的折射和反射）。當光束總是以布儒斯特角入射到兩種材料界面時，則不論薄膜層數有多少，其水平方向振動的反射光總為零，而垂直分量振動的光則隨薄膜層數的增加而增加，只要層數足夠多，就可以實現透過光束基本是平行方向振動的光，而反射光束基本上是垂直方向振動的光，從而達到偏振分光的目的，由於由空氣入射不可能達到兩種薄膜材料界面上的布儒斯特角，所以薄膜必須鍍在稜鏡上，這時入射介質不是空氣而是玻璃。平板型偏振膜主要是利用在斜入射時由電介質反射膜兩個偏振分量的反射帶帶寬的不同而製成的。一般高反射膜，隨着入射角的增大，垂直分量的反射帶寬逐漸增大，而平行分量的帶寬逐漸減少。選擇垂直分量的高反射區、平行分量的高透過區為工作區則可構成透過平行分量反射垂直分量的偏振膜，這種偏振膜的入射角一般選擇在基體的布儒斯特角附近。稜鏡型偏振膜工作的波長範圍比較寬，偏振度也可以做得比較高，但它製備較麻煩，不易做得大，抗激光強度也比較低。平板型偏振片工作的波長區域比較窄，但它可以做得很大，抗激光強度也比較高，所以經常用在強激光系統中。

圖4和圖5分別給出中性光強分光膜和平板型偏振分光膜的反射光譜曲線。