光學薄膜的研究新進展及應用

摘要：隨著科學技術的進步，光學薄膜及相關技術不論從廣度還是深度來看都得到了顯著發展，并逐漸滲透到現代技術和高端技術等領域。對光學薄膜的3種制備技術：物理氣相學沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)和化學液相沉積(CLD)進行了分析。綜述了幾種新型光學薄膜(金剛石薄膜及類金剛石薄膜、軟X射線多層膜、太陽能選擇性吸收膜、高強度激光膜)的研究進展以及光學薄膜的應用情況。

關鍵詞：光學薄膜；制備技術；氣相沉積；液相沉積

光學薄膜技術是一門交叉性很強的學科，它涉及到光電技術、真空技術、材料科學、精密機械制造、計算機技術、自動控制技術等領域。光學薄膜是一類重要的光學元件，它廣泛地應用于現代光學、光電子學、光學工程以及其他相關的科學技術領域。它不僅能改善系統性能(如減反、濾波)，而且是滿足設計目標的必要手段。光學薄膜可分光透射，分光反射，分光吸收以及改變光的偏振狀態或相位，用作各種反射膜，增透膜和干涉濾光片，它們賦予光學元件各種使用性能，對光學儀器的質量起著重要或決定性的作用。

科學家曾經預言，21世紀是光子世紀。21世紀初光電子技術迅速發展，光學薄膜器件的應用向著性能要求和技術難度更高、應用范圍和知識領域更廣、器件種類和需求數量更多的方向迅猛發展。光學薄膜技術的發展對促進和推動科學技術現代化和儀器微型化起著十分重要的作用，光學薄膜在各個新興科學技術中都得到了廣泛的應用。

1 光學薄膜制備技術

光學薄膜的制備技術是把薄膜材料按照一定的技術途經和特定的要求沉積為薄膜。隨著近代信息光學、光電子技術及光子技術的發展，對光學薄膜產品的長壽命、高可靠性及高強度的要求越來越高，從而發展出一系列新型光學薄膜及其制備技術。這些技術用于光學薄膜的制備，不僅大大拓寬了光學薄膜可以利用的材料范圍，而且極大地改進了光學薄膜的性能和功能。光學薄膜可以采用物理氣相學沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)和化學液相沉積(CLD)3種技術來制備，物理氣相學沉積(PVD)制備光學薄膜這一技術目前已被廣泛采用，從而使各種光學薄膜在各個領域得到廣泛的應用，下面著重介紹這一制備技術。

1.1 物理氣相學沉積(PVD)

物理氣相沉積是光學薄膜制備的主流技術，物理氣相沉積法，簡單地說是在真空環境中加熱薄膜材料使其成為蒸汽，蒸汽再凝結到溫度相對低的基片上形成薄膜。PVC需要使用真空鍍膜機，制造成本高，膜層厚度可以精確控制，膜層強度好。PVD制備光學薄膜這一技術目前已被廣泛采用，從而使各種光學薄膜在各個領域得到廣泛應用。在PVD方法中，根據膜料汽化方式的不同，又分為熱蒸發、濺射、離子鍍及離子輔助鍍技術。其中，光學薄膜主要采用熱蒸發及離子輔助鍍技術，濺射及離子鍍技術用于光學薄膜制備是近幾年發展起來的。

1) 熱蒸發

光學薄膜器件主要采用真空環境下的熱蒸發方法制造，此方法簡單、經濟、操作方便。盡管光學薄膜制備技術得到長足發展，但是真空熱蒸發依然是最主要的沉積手段，當然熱蒸發技術本身也隨著科學技術的發展與時俱進。

2) 濺射

濺射指用高速正離子轟擊膜料(靶)表面，通過動量傳遞，使其分子或原子獲得足夠的動能而從靶表面逸出(濺射)，在被鍍件表面凝聚成膜。其膜層附著力強，純度高，可同時濺射多種不同成分的合金膜或化合物。

3) 離子鍍

離子鍍兼有熱蒸發的高成膜速率和濺射高能離子轟擊獲得致密膜層的雙優效果，離子鍍膜層附著力強、致密。離子鍍常見類型:蒸發源和離化方式。

4) 離子輔助鍍

在熱蒸發鍍膜技術中增設離子發生器—離子源，產生離子束，在熱蒸發進行的同時，用離子束轟擊正在生長的膜層，形成致密均勻結構(聚集密度接近于1)，使膜層的穩定性提高，達到改善膜層光學和機械性能。

離子輔助鍍技術與離子鍍技術相比，薄膜的光學性能更佳，膜層的吸收減少，波長漂移極小，牢固度好，該技術適合室溫基底和二氧化鋯(ZrO2)、二氧化鈦(TiO2)等高熔點氧化物薄膜的鍍制，也適合變密度薄膜、優質分光鏡和高性能濾光片的鍍制。

1.2 化學氣相沉積(CVD)

化學氣相沉積(CVD)一般需要較高的沉積溫度，而且在薄膜制備前需要特定的先驅反應物，通過原子、分子間化學反應的途徑來生成固態薄膜的技術，CVD技術制備薄膜的沉積速率一般較高。但在薄膜制備過程中也會產生可燃、有毒等一些副產物。

1.3 化學液相沉積(CLD)

化學液相沉積(CLD)工藝簡單，制造成本低，但膜層厚度不能精確控制，膜層強度差，較難獲得多層膜，還造成廢水、廢氣污染的問題。

2 光學薄膜的研究新進展

2.1 金剛石薄膜及類金剛石薄膜

金剛石被認為是自然界中最硬的物質。在自然界中，碳以3種同位素異型體的形式存在，非晶態的炭黑、六方片狀結構的石墨和立方體的金剛石。金剛石薄膜具有高硬度、高密度、熱導率高、全波段透光率高、高絕緣、抗輻射、化學惰性強和耐高溫、彈性模量大，摩擦系數僅為0.05。金剛石薄膜的高熱導率、高摩擦系數和良好的透光性也使其常作為導彈的整流罩材料。

類金剛石(diamond-likecarbon，DLC)薄膜是碳的一種非晶態，它含有大量的sp3鍵，硬度超過金剛石硬度20%的絕緣硬質無定形碳膜，被稱為類金剛石膜，類金剛石膜具有高硬度、高電阻率、熱傳導率高、化學惰性強、良好的光學性能等，同時又具有自身獨特摩擦學特性的非晶碳膜。隨著人們研究的深入，人們發現類金剛石膜具有很大的研究價值和廣泛的應用前景，引起學術界極大興趣。美國已經將類金剛石薄膜材料作為國家21世紀的戰略材料之一。

2.2 軟X射線多層膜

意大利、英國、法國、美國和俄羅斯等國對軟X射線多層膜開展了廣泛研究，軟X射線的光譜區為1～30nm，據報道，不同波長的各種軟X射線多層膜都取得了可喜的成績。

采用離子束濺射和磁控濺射等鍍膜技術制備的軟X射線多層膜，在X光激光器、X射線望遠鏡等高技術方面得到應用；近年來，X射線天文學、軟X射線顯微術、軟X射線投影光刻以及軟X射線激光均取得了很好的發展，其中軟X射線多層膜起著關鍵作用。意大利和荷蘭聯合研制并成功發射了探測X射線的衛星以及發射了“多面鏡X射線觀測衛星”，均使用了軟X射線多層膜；美國已多次發射帶有正入射的X射線多層膜系統的衛星，得到了4.4～30.4″nm

波段的高分辨率太陽圖像。

2.3 太陽能選擇性吸收膜

根據黑體輻射通用曲線可以求得太陽約有98%的輻射能分布在0.17～2.5Lm的光譜范圍，其中有90%的輻射能位于0.4～2.0Lm的可見光、近紅外范圍。隨著人們對太陽能的充分利用，用于太陽能光熱轉換的太陽能選擇性吸收膜具有很大的研究價值和廣泛的應用前景，引起科研人員的極大興趣。

2. 4 高功率激光膜

準分子激光正在廣泛應用于分析化學、光譜學、半導體工藝、激光泵浦、激光聚變、光化學、醫學和空間技術等領域。紫外反射鏡是準分子激光器的重要光學元件，但所選用的膜料比可見光區和近紅外區膜料非常有限，制備工藝特別復雜。而金屬反射鏡已經不能滿足技術的要求，所以必須研制低損耗的全介質反射鏡。

3 光學薄膜的應用

光學薄膜的性能要求與其具體應用密切相關，不同領域系統以及應用環境會對光學薄膜的性能提出不同的要求。光學薄膜不僅用于純光學器件，還廣泛地應用于各種產品。下面主要介紹光學薄膜在國防工業上的應用情況。

3.1 航空航天上的應用

在科學衛星表面上鍍鋁和氧化硅膜，衛星的溫度可控制在10～40℃范圍。空間飛行器的主要能源是硅太陽能電池，通常在太陽能電池的熔石英蓋片上淀積熱性能控制濾光片。該濾光片只允許透過可轉變成電能的太陽可見光和近紅外區的輻射，反射有害的紅外區熱量。

新一代氣象衛星對紅外帶通濾光片的光譜控制提出了很高的要求，對濾光片片的指標要求并非簡單的數值指標，而是一個由內框和外框組成的框圖，氣象衛星的光學遙感儀器通常利用多個紅外光譜通道進行探測，3.5～4.0ptm是最為常用的光譜通道之一。為了提高儀器的光譜信噪比，提升對目標的探測與識別能力，濾光片的光譜控制水平是一關鍵因素。對帶通膜系中反射膜層的光學厚度進行了優化調整，壓縮了通帶內的波紋，根據膜層材料的折射率－溫度變化特性，設計出了低溫條件下符合光譜要求的帶通濾光片。

在航空航天等軍用領域中，存在強光和電磁干擾等環境影響因素，為了使顯示器能夠在這種惡劣環境下穩定可靠工作，需要對顯示器進行AR/EMI(減反射/電磁屏蔽)加固。對ITO(氧化銦錫)電磁屏蔽層與AR(減反)膜系進行綜合設計。

導彈探測制導光源的特殊應用，通過材料選擇、膜系設計和優化工藝參數，采用電子束真空鍍膜及離子輔助沉積方法，成功在光纖端面為50m的口徑上鍍制減反射膜。YAG激光器在1064nm處鍍制光纖端面口徑只有50m，并具備較高損傷閾值減反射膜的研究比較少見。YAG激光器是軍用裝備中應用最廣泛的一種激光器，主要用作激光制導和激光對抗、激光雷達、激光測距等方面。

意大利真空技術中心用熱燈絲化學氣相沉積等方法成功地在鍺(Ge)和硅(Si)基片上制備出性能優良的金剛石薄膜和類金剛石薄膜，在8～11m的波長區間其平均透射率達到87%。它可作為導彈整流罩、紅外窗口和紅外波段光學器件的耐磨薄膜及抗腐蝕保護膜，在航天領域和紅外技術中得到廣泛應用。也可作為高功率激光器窗口以及X光窗口材料和紫外激光器件材料。

3.2 軍事上的應用

在軍事上，寬帶增透膜和寬帶高反射膜廣泛用于軍用光學儀器。用具有一定工作波長的濾光片和其它部件組成的紅外探測器和紅外器件，可探測發出大量熱能的導彈和飛機等軍事目標的行蹤。這些器件也用于紅外制導導彈，熱成像儀光學器件上鍍制的硬碳膜和金剛石膜，耐風沙和雨水。坦克用激光測距儀的鏡頭，需鍍增透膜和防霜導電金屬膜。透明的導電薄膜用于戰斗機上防雷達。

光學鍍膜可應用于軍用光學系統，鍍膜技術可通過特殊的鍍膜保護傳感器在風沙雨雪等惡劣的環境下不受外界影響或沒有明顯的損耗。具有優良的多光譜和低能見度探測、在700℃工作溫度下耐氧化、速度大于4馬赫時仍能工作、抗電磁干擾屏蔽特性。它廣泛應用于紅外尋的器、紅外監視、紅外警戒系統的窗口或整流罩。

4 結束語

近年來，作為特殊材料形態的光學與光電子薄膜已廣泛滲透到各個新興的科技領域。引人注目的光折射薄膜、光子探測薄膜、薄膜光子晶體、量子點薄膜、納米或亞波長尺度的多維結構、高電光系數的鐵電非線性薄膜、傳感功能薄膜、高密度體記錄薄膜和有機顯示薄膜等，其各種特異性能的開發與應用都與光學薄膜的特性相關。

目前，我國的光學與光電子產業得到迅猛發展，在設備的提升和產業隊伍的建設方面取得了不小的進步，在制備技術、膜系設計、工藝控制、特性測試和應用開發等方面都開展了卓有成效的工作，取得了廣泛的研究成果，同時形成了一定的產業規模。光學薄膜技術是激光技術、紅外技術及航天等高科技所需的關鍵技術，沒有薄膜技術和光學薄膜的發展，就沒有現代技術和尖端技術的發展。

本文來自四川兵工學報（第33卷 第8期），版權歸其所有