光学薄膜的制备技术及发展前景
科学家预言21世纪将是光子世纪。随着20世纪初光电子技术的飞速发展，光学薄膜器件的应用正朝着性能要求和技术难度更高、应用范围和知识领域更广、器件种类和需求更多的方向快速发展。光学薄膜技术的发展对科学技术的现代化和仪器的小型化起到了非常重要的推动作用。光学薄膜已经广泛应用于各种新兴科学技术中。
一、光学薄膜制造技术
光学薄膜可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和化学液相沉积(CLD)来制备。
1，物理气相沉积(PVD)
PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但是膜厚可以精确控制，膜强度好，所以目前已经广泛使用。在PVD法中，根据薄膜材料气化方式的不同，分为热蒸发、溅射、离子镀和离子辅助镀技术。其中光学薄膜主要采用热蒸发和离子辅助镀膜技术制作，光学薄膜的溅射和离子镀技术的工艺是近几年才开始的。
1.1热蒸发
光学薄膜器件主要是在真空环境下通过热蒸发制造的，简单、经济、操作方便。虽然光学薄膜的制备技术已经有了很大的进步，但是真空热蒸发仍然是最主要的沉积方法，当然热蒸发本身也是与科技发展同步的。在真空室中，加热蒸发容器中要形成薄膜的原料，使其原子或分子蒸发并从表面逸出，形成蒸汽流，入射到固体(称为基底或衬底)表面，冷凝形成固体薄膜。
热蒸发的三个基本过程:从凝聚相到气相的相变过程；蒸发的原子或分子在蒸发源和基底之间的输运，即这些粒子在环境大气中的飞行过程；蒸发的原子或分子在衬底表面的沉积。
1.2溅射
溅射是指用高速正离子轰击薄膜材料表面，通过动量传递，使其分子或原子得到充分。
足够的动能从靶表面逸出(溅射)并在电镀部分的表面上凝结成膜。
与蒸镀相比，具有对基底附着力强、薄膜纯度高、可同时溅射不同成分的合金薄膜或化合物等优点；缺点是:需要准备专用胶片靶，靶利用率低。
溅射有三种方式:两段溅射、三段/四段溅射和射频溅射。
1.3离子镀
离子镀既有热蒸发的高成膜速率，又有溅射高能离子轰击获得致密薄膜的优异效果，离子镀膜附着力强、致密。常见的离子镀类型:蒸发源和电离方式。
特点:
a、漆膜附着力强。这是注入和溅射造成的。
b、绕组电镀性能好。电源线原则上可以随处涂装，有利于复杂零件的涂装。
c、膜层致密。溅射破坏了薄膜柱状结构的形成。
d、成膜率高。相当于热蒸发的成膜速率。
e、可以涂在任何材料的工件上。绝缘体可以施加高频电场。
1.4颗粒辅助电镀
在热蒸发镀膜技术中，增加了离子发生器-离子源来产生离子束。在热蒸发进行的同时，用离子束轰击生长中的薄膜，形成致密均匀的结构(聚集密度接近1)，从而提高薄膜的稳定性，改善薄膜的光学和机械性能。
与离子镀技术相比，离子辅助镀技术具有更好的光学性能，薄膜的吸收少，波长漂移小，牢固性好。该技术适用于镀制室温基片和高熔点氧化物薄膜如二氧化锆、二氧化钛，也适用于镀制变密度薄膜、高质量光谱仪和高性能滤光片。
2.化学气相沉积(CVD)
化学气相沉积(CVD)是一种使用气态前体反应物通过原子和分子间化学反应生成固体薄膜的技术。
CVD一般要求较高的沉积温度，在制膜前需要特殊的前驱反应物，在制膜过程中还会产生一些易燃有毒的副产物。然而，通过CVD技术制备的薄膜的沉积速率通常较高。
3.化学液体沉积(CLD)
CLD工艺简单，制造成本低，但膜厚无法精确控制，膜强度差，难以获得多层膜，且存在废水废气污染问题，所以一直很少使用。
二、光学薄膜的种类
由光学功能膜制成的各种光学薄膜器件已经成为光学系统和光学仪器中不可缺少的部件。其应用已从传统的光学仪器发展到天体物理、航空航天、激光、电工、通信、材料、建筑、生物医学、红外物理、农业等诸多技术领域。
分为:基础光学膜、光控膜和光学膜材料。
1，基础光学薄膜
基础光学薄膜是指能够实现光谱透射、光谱反射、光谱吸收和改变光的偏振态或相位的薄膜，可用于各种反射膜、减反射膜和干涉滤光片。它赋予光学元件各种性能，对保证光学仪器的质量起着决定性的作用。
1.1减反射膜(减反射膜)
减反射膜是一种用于降低光学元件表面反射损耗的功能膜。它可以由单层和多层膜系统组成。单层膜可以使某一波长的反射率为零，多层膜在某一波段的反射率实际为零。在应用中，由于条件和应用对象的不同，所使用的减反射膜的类型与许多因素有关，例如基底材料、波长域、所需特性和成本。
一、单层减反射膜
为了减少光的反射消耗，增加光的透射率，通常在玻璃表面沉积减反射膜。它的原理是光的干涉现象。只要薄膜的折射率小于玻璃基板的折射率，就可以实现光的减反射效果。
b、多层减反射膜
多层减反射膜主要是为了改善单层减反射膜的缺点，进一步提高减反射膜的效果，所以采用了增加膜层数的措施。
1.2反射膜
反射膜的作用与减反射膜相反，要求将大部分或几乎全部入射光反射回来。如光学仪器、激光器、波导、汽车、灯具和镜子，都需要沉积和镀反光膜。反射膜有两种:金属膜和介质膜。
一、金属反光膜
金属反射膜具有高反射率和一定的吸收能力。金属高反射膜仅用于对膜的吸收损耗没有特殊要求的场合。
b、介质反射膜
金属高反膜的吸收损耗大。在一些应用中，如多光束干涉仪和高质量激光器的反射膜，要求沉积低吸收、高反射的全介质高反膜。
2、光控膜
光控膜分为三种:阳光控制膜、低辐射膜和光学性能可变膜。
2.1，阳光控制膜
在玻璃上镀一层光学膜，使得玻璃对太阳光中的可见光部分具有高透射率，对太阳光中的红外部分具有高反射率，对太阳光中的紫外部分具有高吸收率。将其制成阳光镀膜幕墙玻璃可以保证白天建筑内有足够的亮度等等。
2.2、低辐射薄膜
在玻璃表面镀上一层低发射率的膜称为低发射率膜，俗称隔热膜，对红外线的反射率很高。
2.3、可以改变薄膜的光学特性
光学性质可变薄膜是指一种具有广阔应用前景的光学功能材料，它在外界环境的影响下改变一种物质的光响应，使其在一定的外界条件(热、光、电)下变色、复原。
3.光学薄膜材料
3.1，金属和合金
金属和合金是应用广泛的薄膜，具有反射率高、截止带宽大、中性好、偏振效应小、吸收可变等特点。它们在一些特殊用途的电影系统中起着特别重要的作用。
3.2.化合物(电介质)
化合物是重要且广泛使用的光学薄膜，包括卤化物、氧化物、硫化物和硒化物。
3.3、半导体
半导体材料在近红外和远红外区域是透明的，是重要的光学薄膜材料。光学薄膜中最常用的半导体材料是硅和锗。
三、光学薄膜的研究趋势
基于国内外光学和光学薄膜的研究现状，光学薄膜的研究呈现以下发展趋势:
1.继续关注光学薄膜在传统光学仪器中应用的研发，提高薄膜的光学质量，研究大面积镀膜技术及其应用；
2.发展满足新型精密光学仪器和光电器件要求的光学薄膜和材料的制备方法，以满足现代光学、空间技术、军事技术和全光网络技术日益迫切的需求；
3.发展极端光谱条件下光学薄膜的制备技术，如超窄带密集波分复用滤光片、软X射线薄膜、高功率激光薄膜等。
4.开发与环保密切相关的“绿色光学薄膜”，实现光能与人类健康需求的协调；
5.研究光学薄膜成膜过程的材料物理和原位观测，实现镀膜过程的自动控制和超快速低温镀膜。
时至今日，光学薄膜有了很大的进步，光学薄膜的生产逐渐走向系列化、程序化和专业化。但是，在光学薄膜的研究中还有许多问题需要解决，现有的光学薄膜水平有待进一步提高。科学家预言21世纪将是光子世纪，光学薄膜作为传输光子并实现其各种功能的重要载体，在光学、光电子学和光子学取得突破的同时，必将得到进一步的繁荣和发展。
登录www.w-coating.com，点击“涂料素材库”查看更多产品信息: