摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光學(xué)薄膜及相關(guān)技術(shù)不論從廣度還是深度來(lái)看都得到了顯著發(fā)展，并逐漸滲透到現(xiàn)代技術(shù)和高端技術(shù)等領(lǐng)域。對(duì)光學(xué)薄膜的3種制備技術(shù)：物理氣相學(xué)沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和化學(xué)液相沉積(CLD)進(jìn)行了分析。綜述了幾種新型光學(xué)薄膜(金剛石薄膜及類金剛石薄膜、軟X射線多層膜、太陽(yáng)能選擇性吸收膜、高強(qiáng)度激光膜)的研究進(jìn)展以及光學(xué)薄膜的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：光學(xué)薄膜；制備技術(shù)；氣相沉積；液相沉積

光學(xué)薄膜技術(shù)是一門交叉性很強(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。

1 光學(xué)薄膜制備技術(shù)

光學(xué)薄膜的制備技術(shù)是把薄膜材料按照一定的技術(shù)途經(jīng)和特定的要求沉積為薄膜。隨著近代信息光學(xué)、光電子技術(shù)及光子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光學(xué)薄膜產(chǎn)品的長(zhǎng)壽命、高可靠性及高強(qiáng)度的要求越來(lái)越高，從而發(fā)展出一系列新型光學(xué)薄膜及其制備技術(shù)。這些技術(shù)用于光學(xué)薄膜的制備，不僅大大拓寬了光學(xué)薄膜可以利用的材料范圍，而且極大地改進(jìn)了光學(xué)薄膜的性能和功能。光學(xué)薄膜可以采用物理氣相學(xué)沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和化學(xué)液相沉積(CLD)3種技術(shù)來(lái)制備，物理氣相學(xué)沉積(PVD)制備光學(xué)薄膜這一技術(shù)目前已被廣泛采用，從而使各種光學(xué)薄膜在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，下面著重介紹這一制備技術(shù)。

1.1 物理氣相學(xué)沉積(PVD)

物理氣相沉積是光學(xué)薄膜制備的主流技術(shù)，物理氣相沉積法，簡(jiǎn)單地說(shuō)是在真空環(huán)境中加熱薄膜材料使其成為蒸汽，蒸汽再凝結(jié)到溫度相對(duì)低的基片上形成薄膜。PVC需要使用真空鍍膜機(jī)，制造成本高，膜層厚度可以精確控制，膜層強(qiáng)度好。PVD制備光學(xué)薄膜這一技術(shù)目前已被廣泛采用，從而使各種光學(xué)薄膜在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在PVD方法中，根據(jù)膜料汽化方式的不同，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)，濺射及離子鍍技術(shù)用于光學(xué)薄膜制備是近幾年發(fā)展起來(lái)的。

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)。

2) 濺射

濺射指用高速正離子轟擊膜料(靶)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。其膜層附著力強(qiáng)，純度高，可同時(shí)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(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)類型:蒸發(fā)源和離化方式。

4) 離子輔助鍍

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(ZrO2)、二氧化鈦(TiO2)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。

1.2 化學(xué)氣相沉積(CVD)

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

1.3 化學(xué)液相沉積(CLD)

化學(xué)液相沉積(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，還造成廢水、廢氣污染的問(wèn)題。

2 光學(xué)薄膜的研究新進(jìn)展

2.1 金剛石薄膜及類金剛石薄膜

金剛石被認(rèn)為是自然界中最硬的物質(zhì)。在自然界中，碳以3種同位素異型體的形式存在，非晶態(tài)的炭黑、六方片狀結(jié)構(gòu)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(dǎo)率高、全波段透光率高、高絕緣、抗輻射、化學(xué)惰性強(qiáng)和耐高溫、彈性模量大，摩擦系數(shù)僅為0.05。金剛石薄膜的高熱導(dǎo)率、高摩擦系數(shù)和良好的透光性也使其常作為導(dǎo)彈的整流罩材料。

類金剛石(diamond-likecarbon，DLC)薄膜是碳的一種非晶態(tài)，它含有大量的sp3鍵，硬度超過(guò)金剛石硬度20%的絕緣硬質(zhì)無(wú)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(dǎo)率高、化學(xué)惰性強(qiáng)、良好的光學(xué)性能等，同時(shí)又具有自身獨(dú)特摩擦學(xué)特性的非晶碳膜。隨著人們研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)類金剛石膜具有很大的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，引起學(xué)術(shù)界極大興趣。美國(guó)已經(jīng)將類金剛石薄膜材料作為國(guó)家21世紀(jì)的戰(zhàn)略材料之一。

2.2 軟X射線多層膜

意大利、英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)和俄羅斯等國(guó)對(duì)軟X射線多層膜開(kāi)展了廣泛研究，軟X射線的光譜區(qū)為1～30nm，據(jù)報(bào)道，不同波長(zhǎng)的各種軟X射線多層膜都取得了可喜的成績(jī)。

采用離子束濺射和磁控濺射等鍍膜技術(shù)制備的軟X射線多層膜，在X光激光器、X射線望遠(yuǎn)鏡等高技術(shù)方面得到應(yīng)用；近年來(lái)，X射線天文學(xué)、軟X射線顯微術(shù)、軟X射線投影光刻以及軟X射線激光均取得了很好的發(fā)展，其中軟X射線多層膜起著關(guān)鍵作用。意大利和荷蘭聯(lián)合研制并成功發(fā)射了探測(cè)X射線的衛(wèi)星以及發(fā)射了“多面鏡X射線觀測(cè)衛(wèi)星”，均使用了軟X射線多層膜；美國(guó)已多次發(fā)射帶有正入射的X射線多層膜系統(tǒng)的衛(wèi)星，得到了4.4～30.4″nm

波段的高分辨率太陽(yáng)圖像。

2.3 太陽(yáng)能選擇性吸收膜

根據(jù)黑體輻射通用曲線可以求得太陽(yáng)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(jiàn)光、近紅外范圍。隨著人們對(duì)太陽(yáng)能的充分利用，用于太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能選擇性吸收膜具有很大的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，引起科研人員的極大興趣。

2. 4 高功率激光膜

準(zhǔn)分子激光正在廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、光譜學(xué)、半導(dǎo)體工藝、激光泵浦、激光聚變、光化學(xué)、醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)等領(lǐng)域。紫外反射鏡是準(zhǔn)分子激光器的重要光學(xué)元件，但所選用的膜料比可見(jiàn)光區(qū)和近紅外區(qū)膜料非常有限，制備工藝特別復(fù)雜。而金屬反射鏡已經(jīng)不能滿足技術(shù)的要求，所以必須研制低損耗的全介質(zhì)反射鏡。

3 光學(xué)薄膜的應(yīng)用

光學(xué)薄膜的性能要求與其具體應(yīng)用密切相關(guān)，不同領(lǐng)域系統(tǒng)以及應(yīng)用環(huán)境會(huì)對(duì)光學(xué)薄膜的性能提出不同的要求。光學(xué)薄膜不僅用于純光學(xué)器件，還廣泛地應(yīng)用于各種產(chǎn)品。下面主要介紹光學(xué)薄膜在國(guó)防工業(yè)上的應(yīng)用情況。

3.1 航空航天上的應(yīng)用

在科學(xué)衛(wèi)星表面上鍍鋁和氧化硅膜，衛(wèi)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(yáng)能電池，通常在太陽(yáng)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(guò)可轉(zhuǎn)變成電能的太陽(yáng)可見(jiàn)光和近紅外區(qū)的輻射，反射有害的紅外區(qū)熱量。

新一代氣象衛(wèi)星對(duì)紅外帶通濾光片的光譜控制提出了很高的要求，對(duì)濾光片片的指標(biāo)要求并非簡(jiǎn)單的數(shù)值指標(biāo)，而是一個(gè)由內(nèi)框和外框組成的框圖，氣象衛(wèi)星的光學(xué)遙感儀器通常利用多個(gè)紅外光譜通道進(jìn)行探測(cè)，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(duì)目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別能力，濾光片的光譜控制水平是一關(guān)鍵因素。對(duì)帶通膜系中反射膜層的光學(xué)厚度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，壓縮了通帶內(nèi)的波紋，根據(jù)膜層材料的折射率－溫度變化特性，設(shè)計(jì)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(lǐng)域中，存在強(qiáng)光和電磁干擾等環(huán)境影響因素，為了使顯示器能夠在這種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作，需要對(duì)顯示器進(jìn)行AR/EMI(減反射/電磁屏蔽)加固。對(duì)ITO(氧化銦錫)電磁屏蔽層與AR(減反)膜系進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

導(dǎo)彈探測(cè)制導(dǎo)光源的特殊應(yīng)用，通過(guò)材料選擇、膜系設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝參數(shù)，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(jiàn)。YAG激光器是軍用裝備中應(yīng)用最廣泛的一種激光器，主要用作激光制導(dǎo)和激光對(duì)抗、激光雷達(dá)、激光測(cè)距等方面。

意大利真空技術(shù)中心用熱燈絲化學(xué)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(yōu)良的金剛石薄膜和類金剛石薄膜，在8～11m的波長(zhǎng)區(qū)間其平均透射率達(dá)到87%。它可作為導(dǎo)彈整流罩、紅外窗口和紅外波段光學(xué)器件的耐磨薄膜及抗腐蝕保護(hù)膜，在航天領(lǐng)域和紅外技術(shù)中得到廣泛應(yīng)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(yīng)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(xué)儀器。用具有一定工作波長(zhǎng)的濾光片和其它部件組成的紅外探測(cè)器和紅外器件，可探測(cè)發(fā)出大量熱能的導(dǎo)彈和飛機(jī)等軍事目標(biāo)的行蹤。這些器件也用于紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，熱成像儀光學(xué)器件上鍍制的硬碳膜和金剛石膜，耐風(fēng)沙和雨水。坦克用激光測(cè)距儀的鏡頭，需鍍?cè)鐾改ず头浪獙?dǎo)電金屬膜。透明的導(dǎo)電薄膜用于戰(zhàn)斗機(jī)上防雷達(dá)。

光學(xué)鍍膜可應(yīng)用于軍用光學(xué)系統(tǒng)，鍍膜技術(shù)可通過(guò)特殊的鍍膜保護(hù)傳感器在風(fēng)沙雨雪等惡劣的環(huán)境下不受外界影響或沒(méi)有明顯的損耗。具有優(yōu)良的多光譜和低能見(jiàn)度探測(cè)、在700℃工作溫度下耐氧化、速度大于4馬赫時(shí)仍能工作、抗電磁干擾屏蔽特性。它廣泛應(yīng)用于紅外尋的器、紅外監(jiān)視、紅外警戒系統(tǒng)的窗口或整流罩。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，作為特殊材料形態(tài)的光學(xué)與光電子薄膜已廣泛滲透到各個(gè)新興的科技領(lǐng)域。引人注目的光折射薄膜、光子探測(cè)薄膜、薄膜光子晶體、量子點(diǎn)薄膜、納米或亞波長(zhǎng)尺度的多維結(jié)構(gòu)、高電光系數(shù)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(jī)顯示薄膜等，其各種特異性能的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用都與光學(xué)薄膜的特性相關(guān)。

目前，我國(guó)的光學(xué)與光電子產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，在設(shè)備的提升和產(chǎn)業(yè)隊(duì)伍的建設(shè)方面取得了不小的進(jìn)步，在制備技術(shù)、膜系設(shè)計(jì)、工藝控制、特性測(cè)試和應(yīng)用開(kāi)發(fā)等方面都開(kāi)展了卓有成效的工作，取得了廣泛的研究成果，同時(shí)形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。光學(xué)薄膜技術(shù)是激光技術(shù)、紅外技術(shù)及航天等高科技所需的關(guān)鍵技術(shù)，沒(méi)有薄膜技術(shù)和光學(xué)薄膜的發(fā)展，就沒(méi)有現(xiàn)代技術(shù)和尖端技術(shù)的發(fā)展。

本文來(lái)自四川兵工學(xué)報(bào)（第33卷 第8期），版權(quán)歸其所有