摘要：光學(xué)薄膜技術(shù)作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，近年來(lái)獲得較大幅度的進(jìn)展，應(yīng)用 范 圍日益廣泛。它的發(fā)展與不少尖端科學(xué)息息相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光學(xué)薄膜及相關(guān)技術(shù)不論是從廣度還是深度都得到了顯著發(fā)展，并逐漸滲透到現(xiàn)代技術(shù)及高端技術(shù)領(lǐng)域。本文綜述了什么是光學(xué)薄膜、光學(xué)薄膜的制備以及發(fā)展前景。

光學(xué)薄膜技術(shù)是一門(mén)交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，它涉及到光電技術(shù)、真空技術(shù)、材料科學(xué)、精密機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域。光學(xué)薄膜是一類(lèi)重要的光學(xué)元件，它廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)光電子學(xué)、光學(xué)工程以及其他相關(guān)的科 學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。它不僅能改善系統(tǒng)性能(如減反、濾波)，而且是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)的必要手段。光學(xué)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(tài)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(xué)元件各種使用性能，對(duì)光學(xué)儀器的質(zhì)量起著重要或決定性的作用。

科學(xué)家曾經(jīng)預(yù)言21世紀(jì)是光子世紀(jì)。21世紀(jì)初光電子技術(shù)迅速發(fā)展，光學(xué)薄膜器件的應(yīng)用向著性能要求和技術(shù)難度更高、應(yīng)用范圍和知識(shí)領(lǐng)域更廣、器件種類(lèi)和需求數(shù)量更多的方向迅猛發(fā)展。光學(xué)薄膜技術(shù)的發(fā)展對(duì)促進(jìn)和推動(dòng)科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化和儀器微型化起著十分重要的作用，光學(xué)薄膜在各個(gè)新興科學(xué)技術(shù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。

 一、光學(xué)薄膜的制造技術(shù)  

光學(xué)薄膜可以采用物理氣相沉積（PVD)、化學(xué)氣相沉積（CVD)和化學(xué)液相沉積（CLD）三種技術(shù)來(lái)制備。

1、物理氣相沉積（PVD） 

PVD需要使用真空鍍膜機(jī)，制造成本高，但膜層厚度可以精確控制，膜層強(qiáng)度好，目前已被廣泛采用。在PVD法中，根據(jù)膜料氣化方式的不同，又分為熱蒸發(fā)、濺射、離子鍍及離子輔助鍍技術(shù)。其中，光學(xué)薄膜主要采用熱蒸發(fā)及離子輔助鍍技術(shù)制造，濺射及離子鍍技術(shù)用于光學(xué)薄膜制造的工藝是近幾年才開(kāi)始的。 

1.1熱蒸發(fā)  

光學(xué)薄膜器件主要采用真空環(huán)境下的熱蒸發(fā)方法制造，此方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、操作方便。盡管光學(xué)薄膜制備技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，但是真空熱蒸發(fā)依然是最主要的沉積手段，當(dāng)然熱蒸發(fā)技術(shù)本身也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)。 在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中待形成膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸汽流，入射到固體（稱(chēng)為襯底或基片）表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法。

熱蒸發(fā)的三種基本過(guò)程：由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟南嘧冞^(guò)程；氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的運(yùn)輸，即這些粒子在環(huán)境氣氛中的飛行過(guò)程；蒸發(fā)原子或分子在基片表面的沉積過(guò)程。

1.2濺射  

濺射指用高速正離子轟擊膜料表面，通過(guò)動(dòng)量傳遞，使其分子或原子獲得足

夠的動(dòng)能而從靶表面逸出（濺射），在被鍍件表面凝聚成膜。

與蒸發(fā)鍍膜相比，其優(yōu)點(diǎn)是：膜層在基片上的附著力強(qiáng)，膜層純度高，可同時(shí)濺射不同成分的合金膜或化合物；缺點(diǎn)是：需制備專(zhuān)用膜料靶，靶利用率低。 

濺射的方式有三種：二級(jí)濺射、三級(jí)/四級(jí)濺射、射頻濺射。 

1.3離子鍍 

離子鍍兼有熱蒸發(fā)的高成膜速率和濺射高能離子轟擊獲得致密膜層的雙優(yōu)效果，離子鍍膜層附著力強(qiáng)、致密。離子鍍常見(jiàn)類(lèi)型:蒸發(fā)源和離化方式。

特點(diǎn)：

a、膜附著力強(qiáng)。這是由注入和濺射所致。 

b、繞鍍性好。原理上，電力線所到之處皆可鍍上膜層，有利于面形復(fù)雜零件膜層的鍍制。 

c、膜層致密。濺射破壞了膜層柱狀結(jié)構(gòu)的形成。 

d、成膜速率高。與熱蒸發(fā)的成膜速率相當(dāng)。 

e、可在任何材料的工作上鍍膜。絕緣體可施加高頻電場(chǎng)。 

1.4粒子輔助鍍 

在熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中增設(shè)離子發(fā)生器—離子源，產(chǎn)生離子束，在熱蒸發(fā)進(jìn)行的同時(shí)，用離子束轟擊正在生長(zhǎng)的膜層，形成致密均勻結(jié)構(gòu)(聚集密度接近于1)，使膜層的穩(wěn)定性提高，達(dá)到改善膜層光學(xué)和機(jī)械性能。 

離子輔助鍍技術(shù)與離子鍍技術(shù)相比，薄膜的光學(xué)性能更佳，膜層的吸收減少，波長(zhǎng)漂移極小，牢固度好，該技術(shù)適合室溫基底和二氧化鋯、二氧化鈦等高熔點(diǎn)氧化物薄膜的鍍制，也適合變密度薄膜、優(yōu)質(zhì)分光鏡和高性能濾光片的鍍制。 

2、化學(xué)氣相沉積（CVD） 

化學(xué)氣相沉積就是利用氣態(tài)先驅(qū)反應(yīng)物，通過(guò)原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑來(lái)生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。 

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(qū)反應(yīng)物，在薄膜制備過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生可燃、有毒等一些副產(chǎn)物。但CVD技術(shù)制備薄膜的沉積速率一般較高。 

3、化學(xué)液相沉積（CLD） 

CLD工藝簡(jiǎn)單，制造成本低，但膜層厚度不能精確控制，膜層強(qiáng)度差，較難獲得多層膜，還存在廢水廢氣造成的污染問(wèn)題，已很少使用。 

二、光學(xué)薄膜的種類(lèi) 

用光學(xué)功能薄膜制成的種類(lèi)繁多的光學(xué)薄膜器件，已成為光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)儀器中不可缺少的重要部件。其應(yīng)用已從傳統(tǒng)的光學(xué)儀器發(fā)展到天文物理、航天、激光、電工、通信、材料、建筑、生物醫(yī)學(xué)、紅外物理、農(nóng)業(yè)等諸多技術(shù)領(lǐng)域。

分為：基本光學(xué)薄膜、控光薄膜、光學(xué)薄膜材料 

1、基本光學(xué)薄膜 

基本光學(xué)薄膜是指能夠?qū)崿F(xiàn)分光透射、分光反射、分光吸收和改變光的偏振狀態(tài)或相位，可用于各種反射膜、增透膜和干涉濾波片的薄膜，它賦予光學(xué)元件各種使用性能，對(duì)保證光學(xué)儀器的質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作。 

1.1減反膜（增透膜） 

減反膜是用來(lái)減少光學(xué)元件表面反射損失的一種功能薄膜。它可以有單層和多層膜系構(gòu)成。單層膜能使某一波長(zhǎng)的反射率為零，多層膜在某一波段具有實(shí)際為零的反射率。在應(yīng)用中，由于條件和應(yīng)用對(duì)象不同，其所用的減反膜的類(lèi)型與諸多因素有關(guān)，例如基片材料、波長(zhǎng)領(lǐng)域、所需特征及成本等。

 a、單層減反膜 

為減少光的反射消耗，增大光線的透射率，常在玻璃的表面上沉積一層減反膜。其原理是光的干涉現(xiàn)象。只要膜的折射率小于玻璃基片的折射率，就能都實(shí)現(xiàn)光的減反射作用。 

 b、多層減反膜 

多層減反膜主要是為了改進(jìn)單層減反膜的不足，進(jìn)一步提高減反膜的效果，因而采用增加膜層層數(shù)的措施。 

1.2反射膜 

反射膜的作用與減反膜相反，它是要求把大部分或幾乎是全部入射光反射回去。如光學(xué)儀器、激光器、波導(dǎo)管、汽車(chē)、燈具的反射鏡，都需要沉積鍍制反射薄膜。反射膜有金屬膜和介質(zhì)膜兩種 

 a、金屬反射膜 

金屬反射膜具有很高的反射率和一定的吸收能力。金屬高反射膜僅用于對(duì)膜的吸收損耗沒(méi)有特殊要求的場(chǎng)合。 

b、介質(zhì)反射膜 

金屬高反射膜的吸收損失較大，在某些應(yīng)用中，如多光束干涉儀、高質(zhì)量激光器的反射膜，就要求沉積低吸收、高反射的全介質(zhì)高反射膜。 

2、控光薄膜 

控光薄膜分為陽(yáng)光控制膜、低輻射率膜、光學(xué)性能可變換膜三種 。

2.1、陽(yáng)光控制膜 

在玻璃上鍍上一層光學(xué)薄膜，使玻璃對(duì)太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光部分有較高的透射率，而對(duì)太陽(yáng)光中的紅外部分有較高的反射率，并對(duì)太陽(yáng)光中的紫外線部分有很高的吸收率。將它制成陽(yáng)光鍍膜幕墻玻璃，就能保證白天建筑物內(nèi)有足夠的亮度等等 

2.2、低輻射率膜 

在玻璃的表面鍍制一層低輻射系數(shù)的薄膜，稱(chēng)為低輻射率膜，俗稱(chēng)隔熱膜，它對(duì)紅外線有較高的反射率。 

2.3、光學(xué)性能可變換膜 

光學(xué)性能可變換膜是指物質(zhì)在外界環(huán)境影響下產(chǎn)生一種對(duì)光反應(yīng)的改變，在一定外界條件（熱、光、電）下，使它改變顏色并能復(fù)原，這種變色膜是一類(lèi)有廣闊應(yīng)用前景的光學(xué)功能材料。 

3、光學(xué)薄膜材料  

3.1、金屬和合金 

金屬和合金是較為廣泛的薄膜，具有反射率高、截止帶寬、中性好、偏振效應(yīng)小以及吸收可以改變等特點(diǎn)，在一些特殊用途的膜系中，它們有特別重要的作用。

3.2、化合物（電介質(zhì)） 

化合物是有重要用途并廣泛應(yīng)用的光學(xué)薄膜，主要有：鹵化物、氧化物、硫化物和硒化物。

3.3、半導(dǎo)體 

半導(dǎo)體材料在近紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)透明，是一類(lèi)重要的光學(xué)薄膜材料。在光學(xué)薄膜中使用最普遍的半導(dǎo)體材料是硅和鍺。

三、光學(xué)薄膜研究的趨勢(shì)

綜合國(guó)內(nèi)外光學(xué)及光學(xué)薄膜的研究現(xiàn)狀，光學(xué)薄膜的研究呈現(xiàn)以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

1、繼續(xù)重視對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)儀器中光學(xué)薄膜應(yīng)用的研究和開(kāi)發(fā)，提高薄膜的光學(xué)質(zhì)量，研究大面積鍍膜技術(shù)及其應(yīng)用； 

2、開(kāi)發(fā)與新型精密光學(xué)儀器及光電子器件要求相適應(yīng)的光學(xué)薄膜及其材料的制備方法，以滿(mǎn)足現(xiàn)代光學(xué)、空間技術(shù)、 軍事技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益迫切的需要； 

3、開(kāi)發(fā)極端光譜條件下的光學(xué)薄膜，如超窄帶密集型波分復(fù)用濾波片，軟X射線膜，高功率激光膜等的制備技術(shù)； 

4、開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)息息相關(guān)的“綠色光學(xué)薄膜”，實(shí)現(xiàn)光能與人類(lèi)健康需要的相互協(xié)調(diào)； 

5、研究光學(xué)薄膜的材料物理、成膜過(guò)程的原位觀察，實(shí)現(xiàn)鍍膜過(guò)程的自動(dòng)控制和超快速低溫鍍膜。 

時(shí)至今日，光學(xué)薄膜已獲得很大的發(fā)展，光學(xué)薄膜的生產(chǎn)已逐步走向系列化、 程序化和專(zhuān)業(yè)化，但是，在光學(xué)薄膜的研究中還有不少問(wèn)題有待進(jìn)一步解決， 光學(xué)薄膜現(xiàn)有的水平還需要進(jìn)一步提高?？茖W(xué)家曾預(yù)言21世紀(jì)是光子世紀(jì)，而光學(xué)薄膜作為傳輸光子并實(shí)現(xiàn)其各種功能的重要載體，必然會(huì)在光學(xué)、光電子學(xué)及光子學(xué)獲得突破性發(fā)展的同時(shí)，得到進(jìn)一步的繁榮和發(fā)展。