光学薄膜的应用

光学薄膜的应用

光学薄膜是各种先进光电技术中不可缺少的一部分，它不仅能改善系统性能，而且是满足设计目标的必要手段。本文将为您详细介绍光学薄膜的基本概念、选择方法及其常见功能。

什么是光学镀膜？

光学镀膜，是指在抛光的光学零件表面上镀上一层或多层薄膜的工艺过程，目的是为了改变光波的传束特性，包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变等功能，或者通过光学薄膜，实现其它特定的目的。

如何选择合适的光学薄膜？

1. 需要明确它适用的光谱范围，比如是在紫外波段的镀膜需求，还是在可见光或者红外波段的需求等。
2. 明确膜层入射角度的大小，以满足该光学元件在光学系统中的具体使用需求。
3. 定义镀膜后的关心膜层特性数值的大小，比如，是需要反射率低于0.5%，还是反射率要高于96%等。
4. 根据应用的场景不同，光学薄膜的功能不同，要选择正确的薄膜层。

光学薄膜的常见功能

A、反射（HR Coating）

反射膜是用来增加光学表面反射率的膜系，光学表面镀了反射膜后，就可以作为反射镜来使用了。这类反射膜通常用于激光系统、光学反射镜和望远镜反射镜，以实现广谱波长的高反射率。

不同的反射率指标下，对应的镀膜膜系是不同的，常见的反射膜大致有两种膜系的选择，一种是金属膜，如铝膜、银膜、金膜等，金属膜的厚度通常比较薄，对表面面形有很好的保持，反射率最高可以达到97%的水平。一般金属都具有较大的消光系数。当光束由空气入射到金属表面时，进入金属内的光振幅迅速衰减，使得进入金属内部的光能相应减少，而反射光能增加。消光系数越大，光振幅衰减越迅速，进入金属内部的光能越少，反射率越高。在紫外区常用的金属薄材料是铝，在可见光区常用铝和银，在红外区常用金、银和铜，此外，铬和铂也常作一些特种薄膜的膜料。

另一种是镀电介质膜，电介质膜是利用不同电介质材料的相互叠加而形成的多层膜，如用氟化镁（MgF2）和五氧化二钽（Ta2O5）配合形成的介质反射膜，可以达到相当高（例如99.99%）的反射率水平。但是介质膜的厚度通常偏厚，因此不容易保持高精度的面形。做为一个例子，下图给出了在可见光波段，在BK7材料表面镀金膜、银膜、铝膜和电解质膜的反射率曲线：

图1：可见光波段不同材料反射率曲线

上图中，光束为0度入射，红色线代表金膜，绿色线代表银膜、蓝色线代表铝膜，黑色线代表介质膜，其中介质膜是由10层的MgF2和11层的Ta2O5构成，MgF2的总厚度为66nm，Ta2O5的总厚度为99nm，它们构成的介质膜的反射率是最高的。

图2：镀铝高反镜

B、减反（AR Coating）

减反膜又称为增透膜，减反膜的作用是在一定光谱范围内，降低光学表面的反射率，从而增加光束在元件上的透过率指标，还可以减少系统的杂散光的影响。减反膜通常由一层或多层不同的电解质材料叠加而成。这里同样可以用氟化镁和五氧化二钽，在下图中，给出了在可见光波段，BK7材料在不镀膜、镀单层介质膜和多层介质膜的表面反射率曲线：

图3：可见光波段BK7材料反射率曲线

上图中，光束为0度入射，红色线代表不镀膜的BK7抛光表面，反射率约为4.2%，绿线为在基底上镀了单层MgF2膜的反射率曲线，膜层厚度约99nm，可以看到反射率有了明显的降低。蓝线为在基底上镀了3层MgF2和3层Ta2O5的多层介质膜，此时的表面反射率已经在0.5%以下了。镀膜材料不仅限于MgF2和Ta2O5，实际中，可以选用很多的镀膜材料来使用，主要是氟化物、氧化物以及其它类化合物，常用的氟化物还包括氟化镧LaF3、氟化钇YF3、氟化镱YbF3等，常用的氧化物还包括二氧化硅SiO2、二氧化钛TiO2、二氧化锆ZrO2、二氧化铪HfO2等，以及硫化锌ZnS、硒化锌ZnSe等化合物。

图4：蓝宝石芯片增透

C、分光（Beam Splitting）

通过镀膜，可以将入射到镀膜面上的光束分成两束光，一束光透射穿过，另外一束光被反射，并且两束光的光强比例是可以在膜系设计时定义的。常见的有1:1的分光膜，即透过光强和反射光强各占一半，另外，实际应用中也有1:2比例或其它各种比例的分光膜。

图5：分光镜，介质膜，短波通

D、衰减（Attenuating）

通过对平片产品镀膜，可以使得透过它的光束强度变弱，但是消失的光束并没有被平片反射回去，而是被吸收掉了，从而实现光束衰减的功能。我们平时佩戴的太阳镜，就可以实现对紫外线的吸收和光强的衰减，起到保护眼睛的目的。在光学仪器中，有恒定衰减率的衰减片，即产品的各个位置可以对入射光束实现同等程度的衰减，也有渐变衰减率的衰减片，当渐变衰减片产品绕中心旋转一周时，光强的透过率可以由强到弱连续的变化。

E、滤光（Filtering）

用于滤光功能的元件通常称为滤光片，它可以使特定谱段的光透过，将不感兴趣谱段的光束滤除掉，滤光片在光学仪器中应用非常广泛，按照光谱特性分类，可以分为带通滤光片、短波通滤光片、长波通滤光片等多种类型。在摄影行业，滤光片常被用来作为颜色的筛选器，从而获得有特定艺术效果的照片。

F、偏振控制（Polarizing Control）

我们知道，线偏振光分为P光和S光，两者振动方向相互垂直，传播也是相互独立的。通过镀膜，可以对入射光束的偏振态进行控制，常见的应用如偏振片，它可以将自然光变成偏振光，从而广泛应用在3D电影眼镜、LCD显示的场合。光学仪器中常用的偏振分光棱镜（PBS），通过在胶合直角棱镜的斜面镀膜，可以实现将入射光束分成互成90度的P光和S光，起到起偏的作用，PBS的原理图如下所示：

图6：PBS原理图

G、相位改变（Phase Change）

我们前面提到过，光学薄膜通常是一层或多层介质的叠加，当光束在不同介质的界面层间被反射或折射时，不同偏振态的光的相位会发生改变，因此，根据这一特性，可以利用光学薄膜实现对入射光中P光和S光的相位调控，常见的有相位匹配、相位延迟等应用。

H、非光学特性的功能

还有一类光学薄膜，它们并具备光学功能，但是在实际中是需要的。例如，当光学表面需要防水时，就需要镀疏水膜，该膜层可以使水滴在镜片上不易附着，就像荷叶上水滴的效果一样，被高效的排走。还有一些场合，需要光学表面具备导电的功能，这个时候，就需要镀ITO（Indium Tin Oxide）膜，这种膜在可见光波段具备良好的透过率，同时具备优异的导电性，从而为平板显示器、触摸屏、太阳能电池等电子产品设备提供透明的导电功能。

综上所述，光学薄膜是各种先进光电技术中不可缺少的一部分，它不仅能改善系统性能，而且是满足设计目标的必要手段。