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0431-81702023
光学工程
光学薄膜应用及实例分析

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。

1.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。只要改变监控膜层厚度的波长,截止限的位置可以随意移动。

 

 

 

 


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