光學(xué)薄膜

光學(xué)薄膜按應(yīng)用分為反射膜、增透膜、濾光膜、 光學(xué)保護(hù)膜、偏振膜、分光膜和位相膜。常用的是前4種。光學(xué)反射膜用以增加鏡面反射率，常用來(lái)制造反光、折光和共振腔器件。光學(xué)增透膜沉積在光學(xué)元件表面，用以減少表面反射，增加光學(xué)系統(tǒng)透射，又稱減反射膜。光學(xué)濾光膜用來(lái)進(jìn)行光譜或其他光性分割，其種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。光學(xué)保護(hù)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(qiáng)度或穩(wěn)定性，改進(jìn)光學(xué)性質(zhì)。最常見的是金屬鏡面的保護(hù)膜。

主要內(nèi)容

一類重要的光學(xué)元件。這一領(lǐng)域主要有以下幾方面的內(nèi)容:

① 薄膜的光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)以及其他有關(guān)性質(zhì)的研究;

② 薄膜的生長(zhǎng)、薄膜的結(jié)構(gòu)以及它們對(duì)薄膜性質(zhì)的影響;

③光學(xué)薄膜元件的設(shè)計(jì)、制備及其性能的測(cè)試等。

◆ 光學(xué)薄膜的應(yīng)用無(wú)處不在，從眼鏡鍍膜到手機(jī)，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，并使我們的生活更加豐富多彩。

◆ 光學(xué)薄膜的定義是:涉及光在傳播路徑過(guò)程中，附著在光學(xué)器件表面的厚度薄而均勻的介質(zhì)膜層，通過(guò)分層介質(zhì)膜層時(shí)的反射、透(折)射和偏振等特性，以達(dá)到我們想要的在某一或是多個(gè)波段范圍內(nèi)的光的全部透過(guò)或光的全部反射或是光的偏振分離等各特殊形態(tài)的光。

◆ 光學(xué)薄膜可分為"幾何光學(xué)和物理光學(xué)"，幾何光學(xué)是通過(guò)光學(xué)器件表面形成的幾何狀的介質(zhì)膜層，以使改變光路經(jīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配作用;物理光學(xué)是將自然界中特有的光學(xué)材料元素通過(guò)納米處理至所需的光學(xué)器件表面形成的介質(zhì)膜層，透過(guò)介質(zhì)膜層的光學(xué)材料元素的特性增強(qiáng)於改變光偏振，透射，反射等功能。

◆ 通常光學(xué)薄膜的制備條件要求高而精，制備光學(xué)薄膜分干式制備法和濕式制備法，干式制備法( 含真空鍍膜:蒸發(fā)鍍，磁控濺鍍，離子鍍等)一般用於物理光學(xué)薄膜的制備，濕式制備法(含涂布法， 流延法，熱塑法等)一般用於幾何光學(xué)薄膜的制備。

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

主要的光學(xué)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?cè)趪?guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，獲得了科學(xué)技術(shù)工作者的日益重視。例如采用減反射膜后可使復(fù)雜的光學(xué)鏡頭的光通量損失成十倍地減小;采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(xué)薄膜可提高硅光電池的效率和穩(wěn)定性。

最簡(jiǎn)單的光學(xué)薄膜模型是表面光滑、各向同性的均勻介質(zhì)薄層。在這種情況下，可以用光的干涉理論來(lái)研究光學(xué)薄膜的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)一束單色平面波入射到光學(xué)薄膜上時(shí)，在它的兩個(gè)表面上發(fā)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(xué)薄膜的特點(diǎn)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(fā)生躍變，但在膜層內(nèi)是連續(xù)的;可以是透明介質(zhì)，也可以是 吸收介質(zhì);可以是法向均勻的，也可以是法向不均勻的。實(shí)際應(yīng)用的薄膜要比理想薄膜復(fù)雜得多。這是因?yàn)?制備時(shí)，薄膜的光學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)偏離大塊材料，其表面和界面是粗糙的，從而導(dǎo)致光束的漫散射;膜層之間的相互滲透形成擴(kuò)散界面;由于膜層的生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等原因，形成了薄膜的各向異性;膜層具有復(fù)雜的時(shí)間效應(yīng)。

Veitch Tech的液晶顯示光學(xué)薄膜是一種通過(guò)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光線多次折射及聚焦原理形成的光學(xué)膜，其獨(dú)特的技術(shù)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(guò)光的折射及散射而起到光擴(kuò)散，霧化功能效果。

增光膜

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棱鏡結(jié)構(gòu)及背面光擴(kuò)散層組合的光學(xué)薄膜，運(yùn)用在液晶顯示的上層增光,使光線經(jīng)由增光之微結(jié)構(gòu)進(jìn)行光的回收與聚光，產(chǎn)生增亮的效果，高亮度設(shè)計(jì)，帶擴(kuò)散功能, 由於擴(kuò)散層的基理,從而消除光耦合(Wet out) 現(xiàn)象，光顯示更加均勻，柔和。

擴(kuò)散膜

擴(kuò)散片(DL系列)是在透明性非常好的PET表面，使用丙烯酸樹脂，精密涂布一層隨機(jī)分散的微米結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散粒子，在PET的相對(duì)面再精密涂布一層隨機(jī)分散的微米結(jié)構(gòu)的抗靜電粒子，運(yùn)用在液晶顯示器中,使光線經(jīng)由擴(kuò)散層產(chǎn)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。

反射膜

反射片為在流延法制造時(shí)，在PET樹脂中摻雜HR高分子光學(xué)劑及增塑劑，以達(dá)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(zhì)膜層，達(dá)到更佳的反射效果并具有抗紫外線黃變功能。

光學(xué)薄膜的簡(jiǎn)單模型可以用來(lái)研究其反射、透射、位相變化和偏振等一般性質(zhì)。如果要研究光學(xué)薄膜的損耗、損傷以及穩(wěn)定性等特殊性質(zhì)，簡(jiǎn)單模型便無(wú)能為力了，這時(shí)必須考慮薄膜的結(jié)晶構(gòu)造、體內(nèi)結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)，薄膜的各向異性和不均勻性，薄膜的化學(xué)成分、表面污染和界面擴(kuò)散等等?？紤]到這些因素后，那就不僅要考慮它的光學(xué)性質(zhì)，還要研究它的物理性質(zhì)、 化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和表面性質(zhì)，以及各種性質(zhì)之間的滲透和影響。因此光學(xué)薄膜的研究就躍出光學(xué)范疇而成為物理、化學(xué)、固體和表面物理的邊緣學(xué)科。

雖然薄膜的光學(xué)現(xiàn)象早在17世紀(jì)就為人們所注意，但是把光學(xué)薄膜作為一個(gè)課題進(jìn)行專門研究卻開始于20世紀(jì)30年代以后，這主要因?yàn)檎婵占夹g(shù)的發(fā)展給各種光學(xué)薄膜的制備提供了先決條件。時(shí)至今日，光學(xué)薄膜已得到很大發(fā)展，光學(xué)薄膜的生產(chǎn)已逐步走向系列化、程序化和專業(yè)化，但是，在光學(xué)薄膜的研究中還有不少問(wèn)題有待進(jìn)一步解決，光學(xué)薄膜現(xiàn)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(zhǎng)機(jī)理需要搞清，而且薄膜的光學(xué)理論，特別是應(yīng)用于極短波段的光學(xué)理論也有待進(jìn)一步完善和改進(jìn)。在工藝上，人們還缺乏有效的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜淀積參量的精確控制，這樣，薄膜的生長(zhǎng)就 具有一定程度的隨機(jī)性，薄膜的光學(xué)常數(shù)、薄膜的厚度以及薄膜的性能也就具有一定程度的不穩(wěn)定性和盲目性，這一切都限制了光學(xué)薄膜質(zhì)量的提高。就光學(xué)薄膜本身來(lái)說(shuō)，除了光學(xué)性能需要提高，吸收、散射等光損耗需要減少之外，它的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和物理性質(zhì)都需要進(jìn)一步改進(jìn)。在激光系統(tǒng)中，光學(xué)薄膜的抗激光強(qiáng)度較低，這是光學(xué)薄膜研究中最重要的問(wèn)題之一。下面介紹幾種常用的光學(xué)薄膜元件。

又稱增透膜，它的主要功能是減少或消除透鏡、棱鏡、平面鏡等光學(xué)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(tǒng)的雜散光。

最簡(jiǎn)單的增透膜是單層膜，它是鍍?cè)诠鈱W(xué)零件光學(xué)表面上的一層折射率較低的薄膜。當(dāng)薄膜的折射率低于基體材料的折射率時(shí),兩個(gè)界面的反射系數(shù)r1和r2具有 相同的 位相變化。如果膜層的光學(xué)厚度是某一波長(zhǎng)的四分之一，相鄰兩束光的光程差恰好為π,即振動(dòng)方向相反，疊加的結(jié)果使光學(xué)表面對(duì)該波長(zhǎng)的反射光減少。適當(dāng)選擇膜層的折射率，使得r1和r2相等，這時(shí)光學(xué)表面的反射光可以完全消除。

一般情況下，采用單層增透膜很難達(dá)到理想的增透效果,為了在單波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)零反射,或在較寬的光譜區(qū)達(dá)到好的增透效果，往往采用雙層、三層甚至更多層數(shù)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余反射曲線。

減反射膜是應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的一種光學(xué)薄膜，因此，它至今仍是光學(xué)薄膜技術(shù)中重要的研究課題，研究的重點(diǎn)是尋找新材料，設(shè)計(jì)新膜系,改進(jìn)淀積工藝,使之用最少的層數(shù)，最簡(jiǎn)單、最穩(wěn)定的工藝，獲得盡可能高的成品率，達(dá)到最理想的效果。對(duì)激光薄膜來(lái)說(shuō)，減反射膜是激光損傷的薄弱環(huán)節(jié)，如何提高它的破壞強(qiáng)度，也是人們最關(guān)心的問(wèn)題之一。

它的功能是增加光學(xué)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(zhì)反射膜。此外，還有把兩者結(jié)合起來(lái)的金屬電介質(zhì)反射膜。 一般金屬都具有較大的消光系數(shù)，當(dāng)光束由空氣入射到金屬表面時(shí)，進(jìn)入金屬內(nèi)部的光振幅迅速衰減，使得進(jìn)入金屬內(nèi)部的光能相應(yīng)減少，而反射光能增加。消光系數(shù)越大，光振幅衰減越迅速，進(jìn)入金屬內(nèi)部的光能越少，反射率越高。人們總是選擇消光系數(shù)較大，光學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的那些金屬作為金屬膜材料。在紫外區(qū)常用的金屬薄膜材料是鋁，在可見光區(qū)常用鋁和銀，在紅外區(qū)常用金、銀和銅，此外，鉻和鉑也常用作一些特種薄膜的膜料。由于鋁、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(zhì)膜加以保護(hù)。常用的保護(hù)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(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡(jiǎn)單，工作的波長(zhǎng)范圍寬;缺點(diǎn)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(jìn)一步提高，可以在膜的外側(cè)加鍍幾層一定厚度的電介質(zhì)層，組成金屬電介質(zhì)反射膜。需要指出的是，金屬電介質(zhì)反射膜增加了某一波長(zhǎng)(或者某一波區(qū))的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特點(diǎn)。 全電介質(zhì)反射膜是建立在多光束干涉基礎(chǔ)上的。與增透膜相反，在光學(xué)表面上鍍一層折射率高于基體材料的薄膜，就可以增加光學(xué)表面的反射率。最簡(jiǎn)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(xué)厚度為某一波長(zhǎng)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(dòng)方向相同。合成振幅隨著薄膜層數(shù)的增加而增加。圖2給出這種反射膜的反射率隨著層數(shù)而變化的情形。

原則上說(shuō)，全電介質(zhì)反射膜的反射率可以無(wú)限接近于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(yōu)質(zhì)激光反射膜的反射率雖然已超過(guò)99.9%，但有一些工作還要求它的反射率繼續(xù)提高。應(yīng)用于強(qiáng)激光系統(tǒng)的反射膜，則更強(qiáng)調(diào)它的抗激光強(qiáng)度，圍繞提高這類薄膜的抗激光強(qiáng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的一類光學(xué)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(qū)分成兩部分，一部分不允許光通過(guò)(稱為截止區(qū))，另一部分要求光充分通過(guò)(稱為帶通區(qū))。按照通帶在光譜區(qū)的位置又可分為長(zhǎng)波通和短波通二種，它們最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)分別為，這里H、L分別表示厚的高、低折射率層，m為周期數(shù)。具有以上結(jié)構(gòu)的膜系稱為對(duì)稱周期膜系。如果所考慮的光譜區(qū)很寬或通帶透過(guò)率的波紋要求很高，膜系結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜。

帶通濾光片只允許光譜帶中的一段通過(guò)，而其他部分全部被濾掉,按照它們結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與法-珀標(biāo)準(zhǔn)具(見法布里-珀羅干涉儀)相同，因?yàn)橛伤@得的透過(guò)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(guò)率對(duì)薄膜的損耗非常敏感，所以制備透過(guò)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，制備波區(qū)較寬，透過(guò)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(dāng)?shù)碾娊橘|(zhì)膜系，以增加勢(shì)透過(guò)率，減少反射，使通帶透過(guò)率增加的一類濾光片。雖然它的通帶性能不如全電介質(zhì)法-珀濾光片,卻有著很寬的截止特性,所以還是有很大的應(yīng)用價(jià)值。特別在紫外區(qū)，一般電介質(zhì)材料吸收都比較大的情況下,它的優(yōu)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(jù)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(zhǎng)分光膜、光強(qiáng)分光膜和偏振分光膜等幾類。

波長(zhǎng)分光膜又叫雙色分光膜，顧名思義它是按波長(zhǎng)區(qū)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(zhǎng)分光膜不僅要考慮透過(guò)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(zhǎng)分光膜通常在一定入射角下使用，在這種情況下,由于偏振的影響，光譜曲線會(huì)發(fā)生畸變,為了克服這種影響，必須考慮薄膜的消偏振問(wèn)題。

光強(qiáng)分光膜是按照一定的光強(qiáng)比把光束分成兩部分的薄膜，這種薄 膜有時(shí)僅考慮某一波長(zhǎng)，叫做單色分光膜;有時(shí)需要考慮一個(gè)光譜區(qū)域叫做寬帶分光膜;用于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(yīng)用，由于偏振的影響，二束光的偏振狀態(tài)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(shè)計(jì)和制備消偏振膜。

偏振分光膜是利用光斜入射時(shí)薄膜的偏振效應(yīng)制成的。偏振分光膜可以分成棱鏡型和平板型兩種。棱鏡型偏振膜利用布儒斯特角入射時(shí)界面的偏振效應(yīng)(見光在分界面上的折射和反射)。當(dāng)光束總是以布儒斯特角入射到兩種材料界面時(shí)，則不論薄膜層數(shù)有多少，其水平方向振動(dòng)的反射光總為零，而垂直分量振動(dòng)的光則隨薄膜層數(shù)的增加而增加，只要層數(shù)足夠多，就可以實(shí)現(xiàn)透過(guò)光束基本是平行方向振動(dòng)的光，而反射光束基本上是垂直方向振動(dòng)的光，從而達(dá)到偏振分光的目的，由于由空氣入射不可能達(dá)到兩種薄膜材料界面上的布儒斯特角，所以薄膜必須鍍?cè)诶忡R上，這時(shí)入射介質(zhì)不是空氣而是玻璃。平板型偏振膜主要是利用在斜入射時(shí)由電介質(zhì)反射膜兩個(gè)偏振分量的反射帶帶寬的不同而制成的。一般高反射膜，隨著入射角的增大，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(qū)、平行分量的高透過(guò)區(qū)為工作區(qū)則可構(gòu)成透過(guò)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。棱鏡型偏振膜工作的波長(zhǎng)范圍比較寬，偏振度也可以做得比較高，但它制備較麻煩，不易做得大，抗激光強(qiáng)度也比較低。平板型偏振片工作的波長(zhǎng)區(qū)域比較窄，但它可以做得很大，抗激光強(qiáng)度也比較高，所以經(jīng)常用在強(qiáng)激光系統(tǒng)中。

圖4和圖5分別給出中性光強(qiáng)分光膜和平板型偏振分光膜的反射光譜曲線。