現(xiàn)代科技綜述知識(shí)文庫(kù)：薄膜光學(xué)

1、現(xiàn)代科技綜述系列薄膜光學(xué)科技是人類區(qū)別于動(dòng)物的重要文明之一，是人類對(duì)自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對(duì)科技基本概念“薄膜光學(xué)”的解讀，以供大家了解。薄膜光學(xué)是近代光學(xué)的一個(gè)分支，研究光學(xué)薄膜的特性和設(shè)計(jì)、光學(xué)薄膜的淀積技術(shù)以及它對(duì)薄膜生長(zhǎng)、微結(jié)構(gòu)和薄膜光學(xué)特性影響、薄膜光學(xué)常數(shù)及基本特性的測(cè)試等。是利用光波在薄膜系統(tǒng)中的傳播特性，以改變表面的光譜反射、透射特性，或反射、透射光束的偏振狀態(tài)及相位變化。光學(xué)薄膜的設(shè)計(jì)，在20世紀(jì)在60年代末、70年代初曾是非?；钴S引人注目的課題，現(xiàn)在已成為常規(guī)應(yīng)用技術(shù)。自70年代以來(lái)，研究和發(fā)展工作更面向?qū)嶋H薄膜的制備和工程技術(shù)問(wèn)題，使各類光學(xué)薄膜的性能有了顯著

2、提高。在過(guò)去20年中，取得的最大進(jìn)展是人們?cè)诨A(chǔ)水平上對(duì)薄膜的特性、薄膜的成核、生長(zhǎng)和微結(jié)構(gòu)有了更深入的認(rèn)識(shí)和理解；且薄膜被認(rèn)為是各向同性的、均勻的平行平面薄膜。實(shí)際薄膜或多或少地偏離于這種理想模型，使薄膜的所有特性都不及同樣成分的塊狀材料。薄膜在大氣環(huán)境中，隨著潮氣的吸附，它的光學(xué)的、機(jī)械的性能都要變壞，薄膜的光譜特性向長(zhǎng)波方向的漂移則眾所周知。所有這些都和Pearson揭示的薄膜微結(jié)構(gòu)有直接聯(lián)系，即只要基板溫度低于蒸發(fā)物溶點(diǎn)的045倍，熱蒸發(fā)的光學(xué)薄膜都具有顯著的柱狀結(jié)構(gòu)。所有柱體的外表面形成了比薄膜外表面大得多的內(nèi)表面，而柱體之間留下了大小從數(shù)埃到數(shù)百埃的形似毛細(xì)孔的空隙。表征薄膜緊密程

3、度的一個(gè)重要量是聚集密度，它被定義為實(shí)心柱體的體積與整個(gè)薄膜體積(柱體+空隙)的比值。實(shí)測(cè)的光學(xué)薄膜的聚集密度大約從07到接近于1。即使是聚集密度為09的薄膜，它仍然有10%的體積是空隙，它的折射率因而薄膜的折射率隨著環(huán)境的變化而變化。只要環(huán)境是不加控制的，那么10%體積的薄膜性質(zhì)是無(wú)法控制的。薄膜的這種特殊的柱狀生長(zhǎng)被認(rèn)為是由于達(dá)到基片表面的蒸汽分子或原子的有限遷移率和已經(jīng)淀積的原子或分子對(duì)后繼蒸發(fā)分子的陰影所造成的?；谶@一模型所作的薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬也顯示了柱狀結(jié)構(gòu)的特征。薄膜的特殊構(gòu)造所帶來(lái)的潮氣吸附是光學(xué)薄膜技術(shù)中的一個(gè)主要問(wèn)題。潮氣吸附是使薄膜光、機(jī)特性變壞和不穩(wěn)定的主要原因

4、，至今它還沒(méi)有完全解決。但在過(guò)去的10年中所進(jìn)行的電場(chǎng)輔助、離子輔助和低壓反應(yīng)離子鍍技術(shù)的研究，對(duì)解決這一問(wèn)題是有幫助的。電場(chǎng)輔助對(duì)ZnSNa3AIF6濾光片的穩(wěn)定性有重要貢獻(xiàn)，采用3400V、50Hz和2400V的AC、，DC電場(chǎng)，可使濾光片吸潮后的光譜漂移接近于零，其機(jī)理主要?dú)w結(jié)為膜層結(jié)構(gòu)和化學(xué)計(jì)量的改善，但電場(chǎng)輔助對(duì)氧化物膜幾乎無(wú)作用，而離子輔助(IAD)和低壓反應(yīng)離子鍍(PIPD)對(duì)改善氧化物性能有很大貢獻(xiàn)。光學(xué)薄膜技術(shù)仍將面臨很大的挑戰(zhàn)。一方面和激光陀螺、激光聚變及激光武器等有關(guān)的激光研究，課題對(duì)光學(xué)薄膜提出了苛刻的要求。例如大功率的釹玻璃激光聚變系統(tǒng)，在波長(zhǎng)106m處1ns的脈沖能

5、釋放200300kJ的能量，并進(jìn)而轉(zhuǎn)換成二倍頻和三倍頻波長(zhǎng)即053m和035m。激光系統(tǒng)對(duì)光學(xué)薄膜的要求可以歸納為以下3點(diǎn)：(1)正確的光譜特性 例如對(duì)KDP晶體和聚焦透鏡的減反射膜要求3個(gè)波長(zhǎng)上的反射率小于05%，而高反射膜的反射率均大于99%。對(duì)三向色鏡，則要求在106m處有97%的反射率，在053m和035m處有50%的反射率。(2)具有高的穩(wěn)定性 用于激光聚變的光學(xué)薄膜必須承受嚴(yán)酷的環(huán)境，特別是高溫和灰塵。(3)最重要的是抗激光破壞的性能 由于薄膜元件的激光破壞閾值遠(yuǎn)比同樣材料的塊料低，影響了激光系統(tǒng)的性能和效率。要使激光系統(tǒng)在接近于甚至優(yōu)于塊狀材料的預(yù)期極限下運(yùn)轉(zhuǎn)，這是超出了當(dāng)前光學(xué)

6、薄膜技術(shù)的發(fā)展水平的。就高能激光應(yīng)用來(lái)說(shuō)，現(xiàn)今的光學(xué)薄膜中的吸收是太大了；薄膜的折射率也難以重復(fù)和控制；薄膜的應(yīng)力水平也太高；與基片的附著力或薄膜與薄膜的附著力有時(shí)也不夠理想。由于這種種原因，光學(xué)薄膜往往在遠(yuǎn)低于本征閾值的功率水平下就破壞了。迄今，通過(guò)保護(hù)層、選擇合適的材料和改進(jìn)設(shè)計(jì)等措施，雖然損傷閾值有了可觀的提高，但還遠(yuǎn)不能滿足高能激光系統(tǒng)的要求?？磥?lái)必須在基礎(chǔ)水平上對(duì)薄膜的物、化特性作系統(tǒng)的研究，改善薄膜的制造工藝，才能提高薄膜的性能。另一方面是適用于大面積、大批量生產(chǎn)的光學(xué)薄膜的發(fā)展。如近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的建筑物窗口玻璃上的陽(yáng)光控制薄膜和熱反射鏡。由于它不僅可大大降低能源的耗費(fèi)，而且可實(shí)現(xiàn)

7、現(xiàn)代建筑的美學(xué)要求，因此受到建筑行業(yè)的關(guān)注。這種光學(xué)薄膜要求層數(shù)不多，但必須成本低，能耐惡劣的使用環(huán)境，適宜于大面積大批量生產(chǎn)。這不僅需要在設(shè)備上更新，而且還須借助于新穎的膜系設(shè)計(jì)、薄膜材料和制備工藝。目前制造這種薄膜主要有兩種方法：(1)鍍?cè)诰酆媳∧さ溶浕咨?，采用滾筒式磁控濺射設(shè)備；(2)直接鍍?cè)?m2m或2m3m的玻璃上，采用連續(xù)或半連續(xù)式磁控制濺射技術(shù)。上述兩個(gè)方面的制備技術(shù)和裝備是相當(dāng)不同的，但兩者都須在薄膜材料方面開(kāi)展基礎(chǔ)的和應(yīng)用的研究，以更好地理解薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性以及制備工藝同結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的關(guān)系。可以預(yù)料這將導(dǎo)致光學(xué)薄膜性能的全面提高。為了提高薄膜性能，薄膜特性檢測(cè)是不可缺少的。這些測(cè)試，包括光學(xué)特性、機(jī)械特性、化學(xué)特性和光學(xué)常數(shù)及膜層厚度的測(cè)量。在這方面的研究，目前仍是薄弱環(huán)節(jié)，有待于堅(jiān)持不懈的努力?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】： 1 Pearson J M.Thin Solid Films, 1970,6:349358 2 Gu P F. Electric -field -assisted deposition of optical coat-ings, 1988.156: 1531