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，對光學(xué)薄膜產(chǎn)品的長壽命、高可靠性及高強(qiáng)度的要求越來越高，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，簡單地說是在真空環(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，此方法簡單、經(jīng)濟(jì)、操作方便。盡管光學(xué)薄膜制備技術(shù)得到長足發(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，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑來生成固態(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，硬度超過金剛石硬度20%的絕緣硬質(zhì)無定形碳膜，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價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，引起學(xué)術(shù)界極大興趣。美國已經(jīng)將類金剛石薄膜材料作為國家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、法國、美國和俄羅斯等國對軟X射線多層膜開展了廣泛研究，軟X射線的光譜區(qū)為1～30nm，據(jù)報(bào)道，不同波長的各種軟X射線多層膜都取得了可喜的成績。

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，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X射線的衛(wèi)星以及發(fā)射了“多面鏡X射線觀測衛(wèi)星”，均使用了軟X射線多層膜；美國已多次發(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圖像。

2.3 太陽能選擇性吸收膜

根據(jù)黑體輻射通用曲線可以求得太陽約有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的可見光、近紅外范圍。隨著人們對太陽能的充分利用，用于太陽能光熱轉(zhuǎn)換的太陽能選擇性吸收膜具有很大的研究價(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?？臻g飛行器的主要能源是硅太陽能電池，通常在太陽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可轉(zhuǎn)變成電能的太陽可見光和近紅外區(qū)的輻射，反射有害的紅外區(qū)熱量。

新一代氣象衛(wèi)星對紅外帶通濾光片的光譜控制提出了很高的要求，對濾光片片的指標(biāo)要求并非簡單的數(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，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，提升對目標(biāo)的探測與識別能力，濾光片的光譜控制水平是一關(guān)鍵因素。對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，需要對顯示器進(jìn)行AR/EMI(減反射/電磁屏蔽)加固。對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)彈探測制導(dǎo)光源的特殊應(yīng)用，通過材料選擇、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。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)和激光對抗、激光雷達(dá)、激光測距等方面。

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的濾光片和其它部件組成的紅外探測器和紅外器件，可探測發(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。坦克用激光測距儀的鏡頭，需鍍增透膜和防霜導(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有明顯的損耗。具有優(yōu)良的多光譜和低能見度探測、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

近年來，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、光子探測薄膜、薄膜光子晶體、量子點(diǎn)薄膜、納米或亞波長尺度的多維結(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發(fā)與應(yīng)用都與光學(xué)薄膜的特性相關(guān)。

目前，我國的光學(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、特性測試和應(yīng)用開發(fā)等方面都開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)，沒有薄膜技術(shù)和光學(xué)薄膜的發(fā)展，就沒有現(xiàn)代技術(shù)和尖端技術(shù)的發(fā)展。