什么是光学薄膜?

光学薄膜技术是一门交叉性很强的学科,它涉及到光电技术、真空技术、材料科学、精密机械制造、计算机技术、自动控制技术等领域。光学薄膜是一类重要的光学元件,它广泛地应用于现代光学、光电子学、光学工程以及其他相关的科学技术领域。它不仅能改善系统性能(如减反、滤波),而且是满足设计目标的必要手段。光学薄膜可分光透射,分光反射,分光吸收以及改变光的偏振状态或相位,用作各种反射膜,增透膜和干涉滤光片,它们赋予光学元件各种使用性能,对光学仪器的质量起着重要或决定性的作用。



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科学家曾经预言,21世纪是光子世纪。21世纪初光电子技术迅速发展,光学薄膜器件的应用向着性能要求和技术难度更高、应用范围和知识领域更广、器件种类和需求数量更多的方向迅猛发展。光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用,光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。

1 光学薄膜制备技术

光学薄膜的制备技术是把薄膜材料按照一定的技术途经和特定的要求沉积为薄膜。随着近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展,对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高,从而发展出一系列新型光学薄膜及其制备技术。这些技术用于光学薄膜的制备,不仅大大拓宽了光学薄膜可以利用的材料范围,而且极大地改进了光学薄膜的性能和功能。光学薄膜可以采用物理气相学沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和化学液相沉积(CLD)3种技术来制备,物理气相学沉积(PVD)制备光学薄膜这一技术目前已被广泛采用,从而使各种光学薄膜在各个领域得到广泛的应用,下面着重介绍这一制备技术。

1.1 物理气相学沉积(PVD)

物理气相沉积是光学薄膜制备的主流技术,物理气相沉积法,简单地说是在真空环境中加热薄膜材料使其成为蒸汽,蒸汽再凝结到温度相对低的基片上形成薄膜。PVC需要使用真空镀膜机,制造成本高,膜层厚度可以精确控制,膜层强度好。PVD制备光学薄膜这一技术目前已被广泛采用,从而使各种光学薄膜在各个领域得到广泛应用。在PVD方法中,根据膜料汽化方式的不同,又分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。其中,光学薄膜主要采用热蒸发及离子辅助镀技术,溅射及离子镀技术用于光学薄膜制备是近几年发展起来的。

1) 热蒸发

光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造,此方法简单、经济、操作方便。尽管光学薄膜制备技术得到长足发展,但是真空热蒸发依然是最主要的沉积手段,当然热蒸发技术本身也随着科学技术的发展与时俱进。

2) 溅射

溅射指用高速正离子轰击膜料(靶)表面,通过动量传递,使其分子或原子获得足够的动能而从靶表面逸出(溅射),在被镀件表面凝聚成膜。其膜层附着力强,纯度高,可同时溅射多种不同成分的合金膜或化合物。

3) 离子镀

离子镀兼有热蒸发的高成膜速率和溅射高能离子轰击获得致密膜层的双优效果,离子镀膜层附着力强、致密。离子镀常见类型:蒸发源和离化方式。

4) 离子辅助镀

在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器—离子源,产生离子束,在热蒸发进行的同时,用离子束轰击正在生长的膜层,形成致密均匀结构(聚集密度接近于1),使膜层的稳定性提高,达到改善膜层光学和机械性能。

离子辅助镀技术与离子镀技术相比,薄膜的光学性能更佳,膜层的吸收减少,波长漂移极小,牢固度好,该技术适合室温基底和二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)等高熔点氧化物薄膜的镀制,也适合变密度薄膜、优质分光镜和高性能滤光片的镀制。

1.2 化学气相沉积(CVD)

化学气相沉积(CVD)一般需要较高的沉积温度,而且在薄膜制备前需要特定的先驱反应物,通过原子、分子间化学反应的途径来生成固态薄膜的技术,CVD技术制备薄膜的沉积速率一般较高。但在薄膜制备过程中也会产生可燃、有毒等一些副产物。

1.3 化学液相沉积(CLD)

化学液相沉积(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,还造成废水、废气污染的问题。

2 光学薄膜的研究新进展

2.1 金刚石薄膜及类金刚石薄膜

金刚石被认为是自然界中最硬的物质。在自然界中,碳以3种同位素异型体的形式存在,非晶态的炭黑、六方片状结构的石墨和立方体的金刚石。金刚石薄膜具有高硬度、高密度、热导率高、全波段透光率高、高绝缘、抗辐射、化学惰性强和耐高温、弹性模量大,摩擦系数仅为0.05。金刚石薄膜的高热导率、高摩擦系数和良好的透光性也使其常作为导弹的整流罩材料。

类金刚石(diamond-likecarbon,DLC)薄膜是碳的一种非晶态,它含有大量的sp3键,硬度超过金刚石硬度20%的绝缘硬质无定形碳膜,被称为类金刚石膜,类金刚石膜具有高硬度、高电阻率、热传导率高、化学惰性强、良好的光学性能等,同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳膜。随着人们研究的深入,人们发现类金刚石膜具有很大的研究价值和广泛的应用前景,引起学术界极大兴趣。美国已经将类金刚石薄膜材料作为国家21世纪的战略材料之一。

2.2 软X射线多层膜

意大利、英国、法国、美国和俄罗斯等国对软X射线多层膜开展了广泛研究,软X射线的光谱区为1~30nm,据报道,不同波长的各种软X射线多层膜都取得了可喜的成绩。

采用离子束溅射和磁控溅射等镀膜技术制备的软X射线多层膜,在X光激光器、X射线望远镜等高技术方面得到应用;近年来,X射线天文学、软X射线显微术、软X射线投影光刻以及软X射线激光均取得了很好的发展,其中软X射线多层膜起着关键作用。意大利和荷兰联合研制并成功发射了探测X射线的卫星以及发射了“多面镜X射线观测卫星”,均使用了软X射线多层膜;美国已多次发射带有正入射的X射线多层膜系统的卫星,得到了4.4~30.4″nm波段的高分辨率太阳图像。

2.3 太阳能选择性吸收膜

根据黑体辐射通用曲线可以求得太阳约有98%的辐射能分布在0.17~2.5Lm的光谱范围,其中有90%的辐射能位于0.4~2.0Lm的可见光、近红外范围。随着人们对太阳能的充分利用,用于太阳能光热转换的太阳能选择性吸收膜具有很大的研究价值和广泛的应用前景,引起科研人员的极大兴趣。

2. 4 高功率激光膜

准分子激光正在广泛应用于分析化学、光谱学、半导体工艺、激光泵浦、激光聚变、光化学、医学和空间技术等领域。紫外反射镜是准分子激光器的重要光学元件,但所选用的膜料比可见光区和近红外区膜料非常有限,制备工艺特别复杂。而金属反射镜已经不能满足技术的要求,所以必须研制低损耗的全介质反射镜。

3 光学薄膜的应用

光学薄膜的性能要求与其具体应用密切相关,不同领域系统以及应用环境会对光学薄膜的性能提出不同的要求。光学薄膜不仅用于纯光学器件,还广泛地应用于各种产品。下面主要介绍光学薄膜在国防工业上的应用情况。

3.1 航空航天上的应用

在科学卫星表面上镀铝和氧化硅膜,卫星的温度可控制在10~40℃范围。空间飞行器的主要能源是硅太阳能电池,通常在太阳能电池的熔石英盖片上淀积热性能控制滤光片。该滤光片只允许透过可转变成电能的太阳可见光和近红外区的辐射,反射有害的红外区热量。

新一代气象卫星对红外带通滤光片的光谱控制提出了很高的要求,对滤光片片的指标要求并非简单的数值指标,而是一个由内框和外框组成的框图,气象卫星的光学遥感仪器通常利用多个红外光谱通道进行探测,3.5~4.0ptm是最为常用的光谱通道之一。为了提高仪器的光谱信噪比,提升对目标的探测与识别能力,滤光片的光谱控制水平是一关键因素。对带通膜系中反射膜层的光学厚度进行了优化调整,压缩了通带内的波纹,根据膜层材料的折射率-温度变化特性,设计出了低温条件下符合光谱要求的带通滤光片。

在航空航天等军用领域中,存在强光和电磁干扰等环境影响因素,为了使显示器能够在这种恶劣环境下稳定可靠工作,需要对显示器进行AR/EMI(减反射/电磁屏蔽)加固。对ITO(氧化铟锡)电磁屏蔽层与AR(减反)膜系进行综合设计。

导弹探测制导光源的特殊应用,通过材料选择、膜系设计和优化工艺参数,采用电子束真空镀膜及离子辅助沉积方法,成功在光纤端面为50m的口径上镀制减反射膜。YAG激光器在1064nm处镀制光纤端面口径只有50m,并具备较高损伤阈值减反射膜的研究比较少见。YAG激光器是军用装备中应用最广泛的一种激光器,主要用作激光制导和激光对抗、激光雷达、激光测距等方面。

意大利真空技术中心用热灯丝化学气相沉积等方法成功地在锗(Ge)和硅(Si)基片上制备出性能优良的金刚石薄膜和类金刚石薄膜,在8~11m的波长区间其平均透射率达到87%。它可作为导弹整流罩、红外窗口和红外波段光学器件的耐磨薄膜及抗腐蚀保护膜,在航天领域和红外技术中得到广泛应用。也可作为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 军事上的应用

在军事上,宽带增透膜和宽带高反射膜广泛用于军用光学仪器。用具有一定工作波长的滤光片和其它部件组成的红外探测器和红外器件,可探测发出大量热能的导弹和飞机等军事目标的行踪。这些器件也用于红外制导导弹,热成像仪光学器件上镀制的硬碳膜和金刚石膜,耐风沙和雨水。坦克用激光测距仪的镜头,需镀增透膜和防霜导电金属膜。透明的导电薄膜用于战斗机上防雷达。

光学镀膜可应用于军用光学系统,镀膜技术可通过特殊的镀膜保护传感器在风沙雨雪等恶劣的环境下不受外界影响或没有明显的损耗。具有优良的多光谱和低能见度探测、在700℃工作温度下耐氧化、速度大于4马赫时仍能工作、抗电磁干扰屏蔽特性。它广泛应用于红外寻的器、红外监视、红外警戒系统的窗口或整流罩。

4 结束语

近年来,作为特殊材料形态的光学与光电子薄膜已广泛渗透到各个新兴的科技领域。引人注目的光折射薄膜、光子探测薄膜、薄膜光子晶体、量子点薄膜、纳米或亚波长尺度的多维结构、高电光系数的铁电非线性薄膜、传感功能薄膜、高密度体记录薄膜和有机显示薄膜等,其各种特异性能的开发与应用都与光学薄膜的特性相关。

目前,我国的光学与光电子产业得到迅猛发展,在设备的提升和产业队伍的建设方面取得了不小的进步,在制备技术、膜系设计、工艺控制、特性测试和应用开发等方面都开展了卓有成效的工作,取得了广泛的研究成果,同时形成了一定的产业规模。光学薄膜技术是激光技术、红外技术及航天等高科技所需的关键技术,没有薄膜技术和光学薄膜的发展,就没有现代技术和尖端技术的发展。

本文来自四川兵工学报(第33卷 第8期),版权归其所有,本推送仅为传播技术之目的,若有不妥,敬请告知!



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