光学薄膜的制备技术及发展前景

摘要：光学薄膜技术作为一门独立的学科，近年来获得较大幅度的进展，应用 范 围日益广泛。它的发展与不少尖端科学息息相关。随着科学技术的进步，光学薄膜及相关技术不论是从广度还是深度都得到了显著发展，并逐渐渗透到现代技术及高端技术领域。本文综述了什么是光学薄膜、光学薄膜的制备以及发展前景。

光学薄膜技术是一门交叉性很强的学科，它涉及到光电技术、真空技术、材料科学、精密机械制造、计算机技术、自动控制技术等领域。光学薄膜是一类重要的光学元件，它广泛地应用于现代光学光电子学、光学工程以及其他相关的科 学技术领域。它不仅能改善系统性能(如减反、滤波)，而且是满足设计目标的必要手段。光学薄膜可分光透射，分光反射，分光吸收以及改变光的偏振状态或相位，用作各种反射膜，增透膜和干涉滤光片，它们赋予光学元件各种使用性能，对光学仪器的质量起着重要或决定性的作用。

科学家曾经预言21世纪是光子世纪。21世纪初光电子技术迅速发展，光学薄膜器件的应用向着性能要求和技术难度更高、应用范围和知识领域更广、器件种类和需求数量更多的方向迅猛发展。光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。

 一、光学薄膜的制造技术  

光学薄膜可以采用物理气相沉积（PVD)、化学气相沉积（CVD)和化学液相沉积（CLD）三种技术来制备。

1、物理气相沉积（PVD） 

PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度可以精确控制，膜层强度好，目前已被广泛采用。在PVD法中，根据膜料气化方式的不同，又分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。其中，光学薄膜主要采用热蒸发及离子辅助镀技术制造，溅射及离子镀技术用于光学薄膜制造的工艺是近几年才开始的。 

1.1热蒸发  

光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造，此方法简单、经济、操作方便。尽管光学薄膜制备技术得到长足发展，但是真空热蒸发依然是最主要的沉积手段，当然热蒸发技术本身也随着科学技术的发展与时俱进。 在真空室中，加热蒸发容器中待形成膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜的方法。

热蒸发的三种基本过程：由凝聚相转变为气相的相变过程；气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程；蒸发原子或分子在基片表面的沉积过程。

1.2溅射  

溅射指用高速正离子轰击膜料表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足

够的动能而从靶表面逸出（溅射），在被镀件表面凝聚成膜。

与蒸发镀膜相比，其优点是：膜层在基片上的附着力强，膜层纯度高，可同时溅射不同成分的合金膜或化合物；缺点是：需制备专用膜料靶，靶利用率低。 

溅射的方式有三种：二级溅射、三级/四级溅射、射频溅射。 

1.3离子镀 

离子镀兼有热蒸发的高成膜速率和溅射高能离子轰击获得致密膜层的双优效果，离子镀膜层附着力强、致密。离子镀常见类型:蒸发源和离化方式。

特点：

a、膜附着力强。这是由注入和溅射所致。 

b、绕镀性好。原理上，电力线所到之处皆可镀上膜层，有利于面形复杂零件膜层的镀制。 

c、膜层致密。溅射破坏了膜层柱状结构的形成。 

d、成膜速率高。与热蒸发的成膜速率相当。 

e、可在任何材料的工作上镀膜。绝缘体可施加高频电场。 

1.4粒子辅助镀 

在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器—离子源，产生离子束，在热蒸发进行的同时，用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀结构(聚集密度接近于1)，使膜层的稳定性提高，达到改善膜层光学和机械性能。 

离子辅助镀技术与离子镀技术相比，薄膜的光学性能更佳，膜层的吸收减少，波长漂移极小，牢固度好，该技术适合室温基底和二氧化锆、二氧化钛等高熔点氧化物薄膜的镀制，也适合变密度薄膜、优质分光镜和高性能滤光片的镀制。 

2、化学气相沉积（CVD） 

化学气相沉积就是利用气态先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径来生成固态薄膜的技术。 

CVD一般需要较高的沉积温度，而且在薄膜制备前需要特定的先驱反应物，在薄膜制备过程中也会产生可燃、有毒等一些副产物。但CVD技术制备薄膜的沉积速率一般较高。 

3、化学液相沉积（CLD） 

CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，还存在废水废气造成的污染问题，已很少使用。 

二、光学薄膜的种类 

用光学功能薄膜制成的种类繁多的光学薄膜器件，已成为光学系统、光学仪器中不可缺少的重要部件。其应用已从传统的光学仪器发展到天文物理、航天、激光、电工、通信、材料、建筑、生物医学、红外物理、农业等诸多技术领域。

分为：基本光学薄膜、控光薄膜、光学薄膜材料 

1、基本光学薄膜 

基本光学薄膜是指能够实现分光透射、分光反射、分光吸收和改变光的偏振状态或相位，可用于各种反射膜、增透膜和干涉滤波片的薄膜，它赋予光学元件各种使用性能，对保证光学仪器的质量起到决定性的作。 

1.1减反膜（增透膜） 

减反膜是用来减少光学元件表面反射损失的一种功能薄膜。它可以有单层和多层膜系构成。单层膜能使某一波长的反射率为零，多层膜在某一波段具有实际为零的反射率。在应用中，由于条件和应用对象不同，其所用的减反膜的类型与诸多因素有关，例如基片材料、波长领域、所需特征及成本等。

 a、单层减反膜 

为减少光的反射消耗，增大光线的透射率，常在玻璃的表面上沉积一层减反膜。其原理是光的干涉现象。只要膜的折射率小于玻璃基片的折射率，就能都实现光的减反射作用。 

 b、多层减反膜 

多层减反膜主要是为了改进单层减反膜的不足，进一步提高减反膜的效果，因而采用增加膜层层数的措施。 

1.2反射膜 

反射膜的作用与减反膜相反，它是要求把大部分或几乎是全部入射光反射回去。如光学仪器、激光器、波导管、汽车、灯具的反射镜，都需要沉积镀制反射薄膜。反射膜有金属膜和介质膜两种 

 a、金属反射膜 

金属反射膜具有很高的反射率和一定的吸收能力。金属高反射膜仅用于对膜的吸收损耗没有特殊要求的场合。 

b、介质反射膜 

金属高反射膜的吸收损失较大，在某些应用中，如多光束干涉仪、高质量激光器的反射膜，就要求沉积低吸收、高反射的全介质高反射膜。 

2、控光薄膜 

控光薄膜分为阳光控制膜、低辐射率膜、光学性能可变换膜三种 。

2.1、阳光控制膜 

在玻璃上镀上一层光学薄膜，使玻璃对太阳光中的可见光部分有较高的透射率，而对太阳光中的红外部分有较高的反射率，并对太阳光中的紫外线部分有很高的吸收率。将它制成阳光镀膜幕墙玻璃，就能保证白天建筑物内有足够的亮度等等 

2.2、低辐射率膜 

在玻璃的表面镀制一层低辐射系数的薄膜，称为低辐射率膜，俗称隔热膜，它对红外线有较高的反射率。 

2.3、光学性能可变换膜 

光学性能可变换膜是指物质在外界环境影响下产生一种对光反应的改变，在一定外界条件（热、光、电）下，使它改变颜色并能复原，这种变色膜是一类有广阔应用前景的光学功能材料。 

3、光学薄膜材料  

3.1、金属和合金 

金属和合金是较为广泛的薄膜，具有反射率高、截止带宽、中性好、偏振效应小以及吸收可以改变等特点，在一些特殊用途的膜系中，它们有特别重要的作用。

3.2、化合物（电介质） 

化合物是有重要用途并广泛应用的光学薄膜，主要有：卤化物、氧化物、硫化物和硒化物。

3.3、半导体 

半导体材料在近红外和远红外区透明，是一类重要的光学薄膜材料。在光学薄膜中使用最普遍的半导体材料是硅和锗。

三、光学薄膜研究的趋势

综合国内外光学及光学薄膜的研究现状，光学薄膜的研究呈现以下几个发展趋势：

1、继续重视对传统光学仪器中光学薄膜应用的研究和开发，提高薄膜的光学质量，研究大面积镀膜技术及其应用； 

2、开发与新型精密光学仪器及光电子器件要求相适应的光学薄膜及其材料的制备方法，以满足现代光学、空间技术、 军事技术和全光网络技术日益迫切的需要； 

3、开发极端光谱条件下的光学薄膜，如超窄带密集型波分复用滤波片，软X射线膜，高功率激光膜等的制备技术； 

4、开发与环境保护息息相关的“绿色光学薄膜”，实现光能与人类健康需要的相互协调； 

5、研究光学薄膜的材料物理、成膜过程的原位观察，实现镀膜过程的自动控制和超快速低温镀膜。 

时至今日，光学薄膜已获得很大的发展，光学薄膜的生产已逐步走向系列化、 程序化和专业化，但是，在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决， 光学薄膜现有的水平还需要进一步提高。科学家曾预言21世纪是光子世纪，而光学薄膜作为传输光子并实现其各种功能的重要载体，必然会在光学、光电子学及光子学获得突破性发展的同时，得到进一步的繁荣和发展。