光學(xué)薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域及分類
光學(xué)薄膜是利用薄膜對(duì)光的作用而工作的一種功能薄�，光�(xué)薄膜在改變光�(qiáng)方面可以�(shí)�(xiàn)分光透射、分光反�、分光吸收以及光的減反、增�、分�、高通、低通、窄帶濾波等功能。光�(xué)薄膜的種類有很多，這些薄膜賦予光學(xué)元件各種使用性能，在�(shí)�(xiàn)光學(xué)儀器的功能和影響光�(xué)儀器的�(zhì)量方面起著重要的或者決定性的作用�
傳統(tǒng)的光�(xué)薄膜是現(xiàn)代光�(xué)儀器和各種光學(xué)器件的重要組成部�，通過在各種光�(xué)材料的表面鍍制一層或多層薄膜，利用光的干涉效�(yīng)來改變透射光或反射光的光強(qiáng)、偏振狀�(tài)和相位變�。薄膜可以被鍍制在光�(xué)玻璃、塑�、光�、晶體等各種材料表面�。它的厚度可從幾�(gè)nm到幾�、上百�(gè)μm。光�(xué)薄膜可以得到很好的牢固�、光�(xué)�(wěn)定性，成本又比較低，幾乎不增加材料的體積和重量，因此是改變系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)的首選方法，甚至可以說沒有光�(xué)薄膜就沒有現(xiàn)代的光學(xué)儀器和各種光學(xué)器件。在兩百多年的發(fā)展過程中，光�(xué)薄膜形成了一套完整的光學(xué)理論---薄膜光學(xué)。光�(xué)薄膜已廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)器件(如激光諧振腔、干涉濾波片、光�(xué)鏡頭�)，不僅如此它在光電領(lǐng)域中的重要作用亦逐漸為人們所�(rèn)�(shí)�
1、減反射�
假定光線垂直入射在表面上，這時(shí)表面的反射光�(qiáng)度與入射光的�(qiáng)度比�(反射�)只決定于相鄰介質(zhì)的折射率的比值：
折射率為1.52的冕牌玻璃每�(gè)表面的反射約�4.2%左右．折射率較高的火石玻璃則表面反射更為顯著。這種表面反射造成了兩�(gè)�(yán)重的后果：光能量損失使象的亮度降�；表面反射光�(jīng)過多次反射或漫射，有一部分成為雜散光，最后也到達(dá)象平面使象的襯度降低圖象�(zhì)�，特別是電視、電影攝影鏡頭等�(fù)雜系�(tǒng)都包含了很多�(gè)與空氣相鄰的表面，如不鍍上增透膜其性能就會(huì)大大降低�
�(yīng)用于可見光譜區(qū)的光�(xué)儀器非常多，就其產(chǎn)量來說占�(jù)了減反射膜的絕大部分，幾乎在所有的光學(xué)器件上都要�(jìn)行減反處��
單層減反膜是�(yīng)用非常廣泛的薄膜，也是最�(jiǎn)單的膜系?？紤]垂直入射的情�，即i=0，并令這時(shí)基片表面反射率完全被消除。在入射介質(zhì)為空氣的情況�，n0=1，則在可見光區(qū)使用得最普遍的是折射率為1.52左右的冕脾玻�。理想的增透膜的折射率�1.23，但是至今能利用的薄膜的最低折射率�1.38(氯化�)。這雖然不很理想但也得到了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。當(dāng)ns=1.52，nf=1.38，n0=1.0�(shí)，由�(3)可得最低反射率�1.3%，即鍍單層氟化鎂后中心波�(zhǎng)的反射率�4.2%降至l.3%左右，整�(gè)可見光區(qū)平均反射率約�1.5%。顯�，愈是接近于滿足式（4）的條件的玻�，中心波�(zhǎng)增透效果愈顯著。以可見光的中心波長(zhǎng)�550nm�(shè)�(jì)的時(shí)候，那么�(duì)于紫光波段和紅光波段的光波長(zhǎng)，光�(xué)厚度不是四份之一波長(zhǎng)，也就偏離了反射抵消的條件，�(huì)有略高的反射�
2、分光膜
把一束光分為兩部分的器件稱為分光�。分光鏡的工作部分一般是一�(gè)鍍過膜的平面，它在一定的波長(zhǎng)范圍�(nèi)具有特定的反射率和透射�。通常這�(gè)平面是傾斜的，因此入射光和反射光便分離開�。分光鏡的預(yù)定反射率和透射率值隨其用途不同而相��
�(duì)于不同的分光鏡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鏡，T/R=50/50，它把一束光分成光譜成分相同的兩束光。因?yàn)樗谀巀L(zhǎng)區(qū)域內(nèi)�(duì)各波�(zhǎng)具有相同的透射率和反射率比，因而反射光和透射光不帶有顏色，呈中�。常用的中性分光鏡有兩種結(jié)�(gòu)：一種是在透明的平板基片上鍍上分光�，另一種是把膜層鍍?cè)趦蓚�(gè)直角棱鏡�，再膜面�(duì)膜面地膠合成立方�。常用的有金屬分光鏡和介�(zhì)分光鏡兩類。金屬膜分光鏡分光的光譜寬度較寬，缺�(diǎn)是吸收損失較大，分光效率較低，介�(zhì)分光鏡的特點(diǎn)是分光效率高，偏振效�(yīng)明顯，分光特性色散明�。介�(zhì)膜分光鏡與金屬膜分光鏡相比，�?yàn)榻橘|(zhì)膜的吸收小到可以忽略的程�，所以分光效率高，這是介質(zhì)分光鏡的�(yōu)�(diǎn)，但是介�(zhì)膜的特性對(duì)波長(zhǎng)較敏�，給中性分光帶來困難。同�(shí)，一般介�(zhì)膜分光鏡的偏振效�(yīng)較大，這也是它的不足之處�
3、反射膜
反射膜是用于把入射光能量大部分或幾乎全部反射的光�(xué)元件。在有些光學(xué)系統(tǒng)�，要求光�(xué)元件具有較高的反射本�(lǐng)，例如，激光器的反射鏡要求�(duì)某種頻率的單色光的反射率�90％以�。為了增�(qiáng)反射能量，常在玻璃表面鍍一層高反射率的透明薄膜，利用其上下表面反射光的光程差滿足干涉相�(zhǎng)的條件，使反射光增強(qiáng)�
金屬膜有很高的反射率，吸收率也較�，而介�(zhì)膜的不但反射率可以較高，還有較小的吸收率�
鋁是唯一從紫外到紅外(0.2�30μm)具有很高反射率的材料。大約在波長(zhǎng)0.85μm處反射率出現(xiàn)一極小�，其值為86%。鋁膜對(duì)基板的附著力比較�(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)�(wěn)定性也比較好，所以廣泛用作反射膜。新沉積的鋁膜暴露于常溫大氣�，表面立即形成一層非晶的高透明的Al2O3�，短�(shí)間內(nèi)氧化物迅速生�(zhǎng)�15�20.，然后緩慢生�(zhǎng)，一�(gè)月后�(dá)�50左右。對(duì)緩慢蒸發(fā)的鋁膜，氧化物的厚度可以�(dá)�90.以上。氧化物的存在使鋁膜的反射率下降，特別是波長(zhǎng)小于200nm的區(qū)�，為此要用MgF2膜作保護(hù)層。在可見光區(qū)，通常用SiO作為初始材料，蒸�(fā)得到硅的氧化物薄膜作為Al膜的保護(hù)膜。最佳的制備鋁膜的條件：高純�(99.99%)；高真空中快速蒸�(fā)(50�100nm/s)；基板溫度低�50℃�
在可見光及紅外波段內(nèi)，銀膜的反射率是所有已知材料中最高的。在可見光區(qū)和紅外區(qū)，反射率分別�(dá)�95%�99%左右。但�，銀膜的附著力差，機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)�(wěn)定性差，所以主要用于短期使用的零件。銀膜在紫外區(qū)的反射率很低，在波長(zhǎng)400nm開始下降，到320nm附近降到4%左右。當(dāng)銀膜暴露于空氣中時(shí)反射率會(huì)逐漸降低，主要原因是表面形成的氧化銀(AgO、Ag2O3)和硫化銀，因此要在銀膜上鍍保�(hù)�。最佳的制備工藝與鋁的相�，即高真空、快速蒸�(fā)、低的基板溫��
降低薄膜反射率的一�(gè)重要因素是散射。造成散射損耗的原因是多種多樣的，薄膜的成核和生�(zhǎng)�(jī)理引起膜層微觀�(jié)�(gòu)的不均勻，從而會(huì)�(chǎn)生散�，借助于電子顯微鏡觀察多層膜斷面的微觀�(jié)�(gòu)，其呈現(xiàn)非常明顯的柱狀，膜層內(nèi)部充滿空�，而面變得凹凸不平。此�，基片表面的粗糙度及其缺陷，還有蒸發(fā)源噴濺的粒子、膜層中的微�、裂紋和針孔等因素相互交叉構(gòu)成復(fù)雜的散射模型?？偟膩碚f我們可以把散射歸結(jié)為二類，即體積散射和表面散射�
4、干涉截止濾光片
要求某一波長(zhǎng)范圍的光束高透射，而偏離這一波長(zhǎng)的光束驟然變化為高反�(或稱抑制)的干涉截止濾光片有著廣泛的應(yīng)�。我們把抑制短波區(qū)、透射�(zhǎng)波區(qū)的濾光片稱為�(zhǎng)波通濾光片。相反，抑制�(zhǎng)波區(qū)、透射短波區(qū)的截止濾光片就稱�短波通濾光片�
大多�(shù)情況下，是希望截止短于某一特定波長(zhǎng)，或者長(zhǎng)于該波長(zhǎng)的所有光�。通常的辦法是使干涉濾光片同吸收濾光片相組合。它既可以用作截止長(zhǎng)波的短波通濾光片，也可以用作截止短波的長(zhǎng)波通濾光片。只要改變監(jiān)控膜層厚度的波長(zhǎng)，截止限的位置可以隨意移�(dòng)�