光学薄膜制备技术

光学薄膜概论

光学薄膜

光学薄膜泛指在光学器件或光电子元器件表面用物理化学等方法沉积的、利用光的干涉现象以改变其光学特性来产生增透、反射、分光、分色、带通或截止等光学现象的各类膜系。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。

光学薄膜的特点是：表面光滑，膜层之间的界面呈几何分割；膜层的折射率在界面上可以发生跃变，但在膜层内是连续的；可以是透明介质，也可以是吸收介质；可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。

光学薄膜的基本原理:

1.利用光线的干涉效应，当光线入射於不同折射系数物质所镀成的薄膜，产生某种特殊光学特性。

分类：光学薄膜就其所镀材料之不同，大体可分为金属膜和非金属膜。

a.金属膜：主要是作为反射镜和半反射镜用。在各种平面或曲面反射镜，或各式稜镜等，都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等 各种不同的材料。不同的材料在光谱上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可见光、近红外光有良好的反射率，是镀反射镜最常使用的材料之一。Ag膜在可见光和近红外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光泽，只能短暂的维持高反射率，所以只能用在内层反射用，或另加保护膜。

b.非金属膜:用途非常广泛，例如抗反射镜片．单一波长滤光片、长或短波长通过滤光片、热光镜、冷光镜、各种雷射镜片等，都是利用多种不同的非金属材料，蒸镀在研磨好之镜杯上，层数由单层到数十、百层不等，视需要的不同，而有不同的设计和方法。目前这些薄膜中被应用得最广泛，最商业化，也是一般人接触到最多的，就是抗反射膜。例如眼镜、照相机镜头、显微镜等等都是在镜片上镀抗反射膜。因为若是不加以抗反射无法得到清晰明亮的影像了，因此如何增加其透射光线就是一个非常重要的课题。

2.利用光波干涉原理，在镜片的表面镀上一层薄膜，厚度为1/4 波长的光学厚度，使光线不再只被玻璃—空气界面反射，而是空气—薄膜、薄膜—玻璃二个界面反射，因此产生干涉现象，可使反射光减少。若镀二层的抗反射膜，使反射率更低，但是镀一层或二层都有缺点：低反射率的波带不移宽，不能在可见光范围都达到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen三位首先发表以1/4一1/2一1/4波长光学厚度作三层抗反射膜可以得到宽波带低反射率的抗反射膜。多层抗反射膜除了宽波带的，也可做到窄波带的。也就是针对其一波长如氨氟雷射632.8nm波长，要求极高的透射，可使63Z.8nm这一波长透射率高达99.8%以上，用之於雷射仪器。但若需要对某一波长的光线有看极高的反射率需要用高低不同折射系数的材料反覆蒸镀数十层才可达到此效果。

第三章薄膜制造技术

光学薄膜可以采用物理汽相沉积（ PVD）和化学液相沉积（CLD）两种工艺来获得。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，废水废气对环境造成污染， 已很少使用。

PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。

PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。

制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识

用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几 个原子、分子的集合体（从广义来说，就是使其蒸发） ，并使它们在其他位置重新结合或凝聚。

在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在，那就会产生如下一些问题：

① 蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜；

② 空气分子进入薄膜而形成杂质；

③ 空气中的活性分子与薄膜形成化合物；

④ 蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成 化合物，从而不能进行正常的蒸发等等。

因此，必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去， 这个

过程称为抽气。空气压力低于一个大气压的状态称为真空， 而把产生真空的装置叫做真空泵， 抽成真空的容器叫做真空

室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备。 制作

薄膜最重要的装备是真空设备.

真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备。二 者真空度不同，这两种真空设备的抽气系统基本上是相同 的，但所用的真空泵和真空阀不同， 而且用于真空室和抽气

系统的材料也不同， 下图是典型的高真空设备的原理图， 制

作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类。 下图是超高真空设备的原理图，在原理上，它与高真空设备 没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性， 超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直 接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵（如钛吸气泵） 来辅助超高真空泵。

棱镜镀膜方法

棱镜镀膜方法是一种常用的光学薄膜制备技术，它在光学器件制造中具有广泛的应用。本文将介绍棱镜镀膜方法的原理、步骤和应用领域。

一、原理

棱镜镀膜方法是利用薄膜的干涉效应来改变光的传播特性。当光线从一个介质进入另一个介质时，会发生折射和反射。通过在棱镜表面上镀上一层薄膜，可以改变光线的折射率和反射率，从而实现对光的控制。

二、步骤

1. 基底准备：选择适当的基底材料，如玻璃或晶体，进行清洗和抛光，以确保表面光滑无瑕疵。

2. 薄膜材料选择：根据需要的光学性质，选择合适的薄膜材料，如二氧化硅、氧化镁等。

3. 薄膜沉积：采用物理气相沉积或化学气相沉积等方法，在基底表面上沉积一层薄膜。沉积过程中需要控制沉积速率和温度，以保证薄膜的均匀性和质量。

4. 薄膜结构设计：根据需要的光学性能，设计合适的薄膜结构，包括膜层的厚度和折射率。

5. 薄膜测试和优化：对沉积好的薄膜进行光学性能测试，如透过率、反射率等。根据测试结果进行优化，调整薄膜结构，以达到预期的光学性能。

三、应用领域

棱镜镀膜方法在光学器件制造中有着广泛的应用。以下是一些常见的应用领域：

1. 光学镜片：通过在棱镜表面上镀膜，可以改变光线的传播特性，实现对光的聚焦、分散等功能，广泛应用于望远镜、显微镜、摄影镜头等光学设备中。

2. 光学滤波器：利用棱镜镀膜方法可以制备各种光学滤波器，如带通滤波器、带阻滤波器等。这些滤波器可以选择性地透过或反射特定波长的光，用于光谱分析、激光器等领域。

3. 光学反射镜：通过在棱镜表面上镀膜，可以增强光的反射效果，制备高反射镜。这种镜子常用于激光器、干涉仪等光学设备中，具有较高的反射率和较低的损耗。

4. 光学薄膜涂层：棱镜镀膜方法还可以用于制备光学薄膜涂层，如防反射涂层、硬质涂层等。这些涂层可以提高光学元件的透过率和耐磨性，广泛应用于眼镜、光学仪器等领域。

棱镜镀膜方法是一种重要的光学薄膜制备技术，通过控制薄膜的厚度和折射率，可以实现对光的控制和调节。它在光学器件制造中有着广泛的应用，包括光学镜片、光学滤波器、光学反射镜等。随着科技的不断进步，棱镜镀膜方法将在更多领域展现其重要性和应用价值。

光学级薄膜生产工艺和流程

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