光学薄膜的分类及发展趋势

光学薄膜的发展趋势及分类、关键技术汇总科学的发展正在改变传统的光学薄膜的面貌，其应用也由原来的纯粹为光学仪器服务，逐渐渗透到通信、建筑、防伪、医疗和空间技术等领域。而新工艺、新材料、新技术的采用，或用来提高其性能,或与其他薄膜结合构成新的器件，如与电学膜结合起来的光电子薄膜，与高分子有机材料结合起来的光学有机薄膜。这些薄膜有着潜在而十分广阔的应用前景。新型光学薄膜如高强度激光膜、金刚石及类金刚石膜、软X射线多层膜、太阳能选择性吸收膜和光通信用光学膜的制备及其在器件方面的研究和应用情况。下面就目前及未来几年应用广泛、符合薄膜发展方向的设备及技术进行阐述：

一、磁控溅射设备及工艺技术

在光学薄膜领域，真空蒸发技术占据主导地位已经超过50年，并且一直在不断发展。高性能的电子枪、离子辅助镀膜、低压反应离子镀膜、高精度的监控技术、自动化的镀膜过程等一系列的进展，使得蒸发技术达到了极高的水平，制备出了DWDM、GFF增益平坦滤光片等高性能的薄膜元器件，令人叹为观止。但是，随着蒸发镀膜机性能的不断提高，结构亦愈复杂，目前需要控制的工作参数已经超过30个。并且随着真空室状态的变化，还需要适当修正一些参数，因此使过程十分复杂，成为各种故障的潜在因素，生产中已经感到不便。

磁控溅射的工艺过程简化了许多，需要控制的工作参数约为lo个左右，更容易实现过程自动化。溅射薄膜的高聚集密度使其特性对真空室的初始状态不太敏感，所以溅射薄膜的再现性会有所提高，进行工业化生产具有明显的优势。反应磁控溅射技术目前还不太适宜在弯曲面型的基底上淀积成膜；以时间为监控参数使得各个膜层厚度误差之间互不相关；对于多种膜系及膜料的适应程度不及蒸发技术；上述问题都是磁控溅射的局限性。但是，磁控溅射在光学薄膜领域中的应用将日益广泛，可能会成为一种趋势。

磁控溅射在光学多层介质膜的工业化生产中的发展空间巨大，设备和靶材料的成本将随着应用的广泛而得以降低。在一定范围内，蒸发镀膜将会逐步为磁控溅射镀膜所替代。

近年来，磁控溅射技术的应用日趋广泛，在工业生产和科学研究领域发挥巨大作用。随着对具有各种新型功能的薄膜需求的增加，相应的磁控溅射技术也获得进一步的发展。

研究内容：

1）设备的引进调试及工艺参数优化

2）产品的调研及开发应用

3）靶材的选择及利用率的提高。

二、真空紫外薄膜

真空紫外(VUV)是一种波长范围为100~200nm的不可见光线, 由于真空紫外光波长短、热效应不强等独特特性, 而广泛应

用于工业(半导体芯片生产、在塑料上雕刻图形)、医学(片上生物工厂的制造)装置、天文、侦破等领域。特别是随着高密度信息存储、大规模集成电路以及惯性约束核聚变等近代科学技术的发展, 人们对存储密度、仪器集成度的要求越来越高, 紫外波段高功率激光系统的发展愈来愈受到重视。而紫外薄膜正是支持紫外光路系统的重要元件,它们的光学性能影响制约着整个系统的效率。紫外薄膜还应用于各种准分子激光及Nd:YAG激光的3倍频(355nm)，4倍频激光(266nm)等领域,它的激光损伤阈值是关键。近年来, 100~200nm激光在许多以未来为导向的领域内迅速发展, 尤其是同步辐射在世界领域所取得的突破性进展, 大大促进和带动了真空紫外波段薄膜材料的研究。德国夫琅和费研究所和意大利的M. Trovò等合作对VUV膜进行了系列研究, 得出了很多有意义的成果。

对于真空紫外薄膜, 全面考虑其光学性质、机械性能及化学稳定性, 比较适用的材料并不多, 主要包括金属材料和介质材料, 金属材料中最有潜力的是铝, 介质材料主要包括氧化物材料和氟化物材料。对于特定的真空紫外材料来说, 其性质往往随不同沉积设备和不同操作方法而各异。

金属铝膜因在80~120nm范围都具有较高的反射率而得到大量研究。金属膜在整个真空紫外、甚至极紫外领域都能得到较高的反射率, 加上金属薄膜截止带宽、中性好和偏振效应小等, 对于设计一些特殊应用的膜系具有重要的作用。但金属通常比介质

存在更大的吸收, 因而反射率不会很高, 且损伤阈值偏低, 一定程度上限制了金属膜的应用范围。

介质薄膜中氧化物薄膜因机械应力小, 环境稳定性比氟化物薄膜好, 而在193nm 得到广泛应用。在真空紫外波段, 所用的氧化物材料主要是Al2O3和SiO2。氟化物材料带宽大、吸收系数小, 是真空紫外波段中190nm 以下波段的首选介质材料, 但氟化物材料对同步辐射和CH 污染都比较敏感, 为此需要外镀保护层。研究表明,SiO2能起到最好的保护效果。沉积了致密SiO2保护层的氟化物高反膜, 在中心波长180nm处可得到接近99%的反射率。氟化物减反膜在157 nm处可得到0.1%以下的反射率; 到目前为止, 氟化物薄膜最好的沉积工艺是热舟蒸发。

在真空紫外波段, 薄膜材料的本征吸收增加, 各种微观缺陷如杂质引起的吸收、膜层表面的非理想性引起的散射、水分和CH的污染等都会对膜层的光学性能造成很大影响。因此, 该波段薄膜的沉积对工艺稳定性提出了更高的要求。因此, 对真空紫外波段光学薄膜的研究主要集中于对氟化物材料以及相应的沉积工艺的研究。

主要研究内容：

1.材料的调研选取和蒸镀设备的确定；

2.沉积方式和工艺参数的优化；

3.市场趋势的调研及应用分析和膜系的设计；

三、薄膜测试设备

要制备高性能的光学薄膜器件，薄膜的特性测试是十分重要的，也是十分基础的技术。目前光学薄膜行业流行的一句话说：只要能测出来的特性，就一定能制备的出来。由此可见光学薄膜检测技术在薄膜器件制备工作中的重要性。

光学薄膜检测技术主要包括：光学特性测试、光学参数测试及非光学特性测试。

1.激光损伤阈值测试

薄膜光学元件是激光系统中最薄弱的环节,如何提高它们的激光破坏强度对提高高功率激光系统的输出功率很有实际意义。发展紫外薄膜同样需要激光损伤及阈值测试设备的支持。由于薄膜损伤机制的复杂性和薄膜本身结构的复杂性，加上损伤的检测方式、对损伤的检测标准各不相同，不同实验室测得的损伤阈值可比性很差，所以有必要对不同标准之间的关系和使用环境有更深一步的了解。

研究内容：

1）损伤实验装置的实现；

2）损伤检测标准的确定；

3）薄膜损伤的检测方式和损伤阈值的确定标准；

4）损伤实验膜系、材料、工艺的选取及优化；

2.薄膜光学常数及光谱特性测量

折射率和厚度是光学薄膜的两个非常重要的光学常数。在设计和计算光学薄膜元件的特性时，由于薄膜的光学常数是随着制

备工艺的不同而不同，因此要制备性能稳定的薄膜器件，要提高薄膜器件生产制备的成品率，就必须精确地检测出各种各样制备工艺下的薄膜器件的光学常数。因此薄膜光学常数的测试是一个十分重要的内容。

椭圆偏振法是薄膜光学参数测试的非常灵敏的方法，特别是在非透明的薄膜光学常数的测试方面。近几十年来，随着自动椭偏仪的发展和完善，椭偏光谱技术作为表征光学性质和块材以及薄膜分层结构的一种非破坏性工具已经逐渐地普及。与传统的测试手段相比，它具有非破坏性、非苛刻性、高精度和高灵敏度等优点。通过椭偏测量，可以在很短的时间内得到从近紫外到近红外范围内的椭偏参数ψ和Δ随波长变化的全谱。然后对ψ和Δ进行解谱，可以得到诸如介电常数、光学常数、膜层厚度和复合膜中各个成分的组分等参数。逐渐成为测量超薄膜、超晶格、多层膜等各种薄膜材料的厚度和光学常数的一种重要的技术手段。

椭圆偏振测量的应用范围很广泛，如半导体、光学掩膜、金属、介质薄膜、激光反射镜、大面积光学膜等都适用。椭偏法除了可以测试薄膜的基本光学常数之外，还可以用来测量薄膜的偏振特性、色散特性和各项异性，有助于这方面薄膜产品的扩展开发。

研究内容：

1.测试设备的使用及实现方式；

2.测量结果对各种膜系的适用程度；

3.利用测量设备进行偏振膜的试制。

四、中远红外薄膜

五、偏振片

六、超硬膜类金刚石膜

80年代以来，意大利真空技术中心等已用热灯丝化学气相沉积等方法成功地在锗（Ge）基底上制备出性能优良的类金刚石薄膜，在8~11um的平均透过率达87%。该中心还研制成功高质量的金刚石薄膜，主要性能已达到世界先进水平，至90年代，各种新的镀膜技术不仅可以在锗、硅、硫化锌和石英等光学材料上，也可以在塑料和金属材料上制备出金刚石薄膜和类金刚石薄膜。由于具有良好的红外透射特性，硬度最高，化学稳定性好，在航天技术中可作为整流罩。

随着薄膜制备技术的进一步发展和完善，金刚石薄膜也能在实验室用常压常温来制造。由于金刚石薄膜在光学上的优势：从紫外(225nm)直到远红外(～100μm)宽阔的光谱范围内具有良好的透过特性，而其体积模量、杨氏弹性模量等在已知物质中也是最高的，所以它具有极稳定的物理和化学性质且高硬度、高热导率、耐酸碱的腐蚀、热膨胀系数小、空气摩擦系数小、质量又轻还具有合适的折射率，若敷在常用的红外锗、硅基底上，还有明显的增透作用，因此金刚石薄膜成为卫星探测窗口、高马赫数飞行的红外制导导弹的整流罩及许多机载红外整机系统的窗口和透镜的最理想的增透保护膜。

由于光学薄膜成膜技术和设备的不断发展、改进以及高新技术的采用，原来只能在锗、硅、硫化锌、硒化锌和石英等光学材料上镀制金刚石薄膜和类金刚石薄膜，现在也能在塑料和金属材料上制备出金刚石薄膜和类金刚石薄膜。

研究内容：

1.薄膜沉积方式、设备的选取；

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七、高激光阈值薄膜

长期以来，激光对光学薄膜元件的破坏是限制激光向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”，也是影响高功率激光薄膜元件使用寿命的主要原因。因此，提高光学薄膜的激光损伤阈值尤为重要。

近年来, 制备高反射膜, 底折射率材料一般用SiO2, 高反射率材料一般是用HfO2、ZrO2、Ti3O5等，交替沉积上述的高低折射率材料制备而成的。由于HfO2具有从近紫外到中红外的良好透光性, 有较高的折射率和非常好的化学稳定性, 交替沉积的光学薄膜经激光预处理后阑值增加明显等优点, 使它成为目前制备高阂值光学薄膜的优异材料而备受重视。

研究内容：

1.抗激光薄膜材料的选取；

2.激光损伤阈值测试装置的实现；

3.抗激光膜系的设计及工艺参数优化。

八、低应力形变膜

九、窄带滤光片

十、功能膜

十一、大口径光学元件镀膜

十二、光学薄膜应用于传感器

十三、太阳能薄膜

十四、激光晶体镀膜

十五、薄膜表面质量的提高

现代科学技术的不断发展，尤其是航天技术的发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠及性能要求越来越高，用传统技术蒸发的光学薄膜，与基片的结合力差，易吸潮，使光学性能下降，很难达到高性能和长寿命的要求。

手段：

1.超声清洗；

2.工艺优化，离子辅助技术能力的提高；

3.激光预处理

十六、现有镀膜设备功能及产品的进一步开发

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