[科普中国]-光学镀膜

光学镀膜是指在光学零件表面上镀上一层(或多层)金属(或介质)薄膜的工艺过程。在光学零件表面镀膜的目的是为了达到减少或增加光的反射、分束、分色、滤光、偏振等要求。常用的镀膜法有真空镀膜(物理镀膜的一种)和化学镀膜。1

概述镀膜是用物理或化学的方法在材料表面镀上一层透明的电解质膜，或镀一层金属膜，目的是改变材料表面的反射和透射特性。

在可见光和红外线波段范围内，大多数金属的反射率都可达到78%~98%，但不可高于98%。无论是对于CO2激光，采用铜、钼、硅、锗等来制作反射镜，采用锗、砷化镓、硒化锌作为输出窗口和透射光学元件材料，还是对于YAG激光采用普通光学玻璃作为反射镜、输出镜和透射光学元件材料，都不能达到全反射镜的99%以上要求。不同应用时输出镜有不同透过率的要求，因此必须采用光学镀膜方法。

对于CO2激光灯中红外线波段，常用的镀膜材料有氟化钇、氟化镨、锗等；对于YAG激光灯近红外波段或可见光波段，常用的镀膜材料有硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆等。除了高反膜、增透膜之外，还可以镀对某波长增反射、对另一波长增透射的特殊膜，如激光倍频技术中的分光膜等。

光学镀膜基本原理光的干涉在薄膜光学中广泛应用。光学薄膜技术的普遍方法是借助真空溅射的方式在玻璃基板上涂镀薄膜，一般用来控制基板对入射光束的反射率和透过率，以满足不同的需要。为了消除光学零件表面的反射损失，提高成像质量，涂镀一层或多层透明介质膜，称为增透膜或减反射膜。随着激光技术的发展，对膜层的反射率和透过率有不同的要求，促进了多层高反射膜和宽带增透膜的发展。为各种应用需要，利用高反射膜制造偏振反光膜、彩色分光膜、冷光膜和干涉滤光片等。2

光学零件表面镀膜后，光在膜层层上多次反射和透射，形成多光束干涉，控制膜层的折射率和厚度，可以得到不同的强度分布，这是干涉镀膜的基本原理。2

镀膜工艺光学薄膜在高真空度的镀膜腔中实现。常规镀膜工艺要求升高基底温度(通常约为300℃)；而较先进的技术，如离子辅助沉积(IAD)可在室温下进行。IAD工艺不但生产比常规镀膜工艺具有更好物理特性的薄膜，而且可以应用于塑料制成的基底。图19.11展示一个操作者正在光学镀膜机前。抽真空主系统由两个低温泵组成。电子束蒸发、IAD沉积、光控、加热器控制、抽真空控制和自动过程控制的控制模块都在镀膜机的前面板上。图19.12示出装配在高真空镀膜机基板上的硬件布局。两个电子枪源位于基板两边，周围是环形罩并被挡板覆盖。离子源位于中间，光控窗口在离子源的前方。图19.13示出真空室的顶部，真空室里有含6个圆形夹具的行星系统。夹具用于放置被镀膜的光学元件。使用行星系统是保证被蒸发材料在夹具区域内均匀分布的首选方法。夹具绕公共轴旋转，同时绕其自身轴旋转。光控和晶控处于行星驱动机械装置的中部，驱动轴遮挡晶控。背面的大开口通向附加的高真空泵。基底加热系统由4个石英灯组成，真空室的两边各两个。3

薄膜沉积的传统方法一直是热蒸发，或采用电阻加热蒸发源或采用电子束蒸发源。薄膜特性主要决定于沉积原子的能量，传统蒸发中原子的能量仅约0.1eV。IAD沉积导致电离化蒸汽的直接沉积并且给正在生长的膜增加活化能，通常为50eV量级。离子源将束流从离子枪指向基底表面和正在生长的薄膜来改善传统电子束蒸发的薄膜特性。

薄膜的光学性质，如折射率、吸收和激光损伤阈值，主要依赖于膜层的显微结构。薄膜材料、残余气压和基底温度都可能影响薄膜的显微结构。如果蒸发沉积的原子在基底表面的迁移率低，则薄膜会含有微孔。当薄膜暴露于潮湿的空气时，这些微孔逐渐被水汽所填充。3

填充密度定义为薄膜固体部分的体积与薄膜的总体积(包括空隙和微孔)之比。对于光学薄膜，填充密度通常为0.75～1.0，大部分为0.85～0.95，很少达到1.0。小于l的填充密度使所蒸发材料的折射率低于其块料的折射率。

在沉积过程中，每一层的厚度均由光学或石英晶体监控。这两种技术各有优缺点，这里不作讨论。其共同点是材料蒸发时它们均在真空中使用，因而，折射率是蒸发材料在真空中的折射率，而不是暴露于潮湿空气中的材料折射率。薄膜吸收的潮气取代微孔和空隙，造成薄膜的折射率升高。由于薄膜的物理厚度保持不变，这种折射率升高伴有相应的光学厚度的增加，反过来造成薄膜光谱特性向长波方向的漂移。为了减小由膜层内微孔的体积和数量所引起的这种光谱漂移，采用高能离子以将其动量传递给正在蒸发的材料原子，从而大大增加材料原子在基底表面处凝结期间的迁移率。3

镀膜的折射率根据电磁学的基本理论里，提到对于不同介质的透射与反射。

若是由介质 n1垂直入射至 n2

反射率=[ (n2－n1) / (n1+n2) ]^2

穿透率=4n1n2 / (n1+n2)^2

范例讲解：

若是空气的折射率是 1.0 ，镀膜的折射率nc (例如：1.5) ，玻璃的折射率n (例如：1.8)（1）由空气直接进入玻璃

穿透率= 4×1.0×1.8 / ( 1+1.8 )2=91.84%

（2）由空气进入镀膜后再进入玻璃穿透率=[ 4×1.0×1.5 / ( 1+1.5 )2] × [ 4×1.5×1.8 / ( 1.5+1.8 )2]=95.2%

可见有镀膜的玻璃会增加透光度。此外由此公式，我们可以计算光线穿透镜片的两面，发现即使一片完美的透镜（折射率1.8），其透光度约为85%左右。若加上一层镀膜（折射率1.5），则透光度可达91%。可见光学镀膜的重要性。

镀膜的厚度我们已经知道透光度与镀膜的折射率有关，但是却无关于它的厚度。可是我们若能在镀膜的厚度上下点功夫，会发现反射光A与反射光B相差 nc×2D 的光程差。如果

nc×2D=（N+ 1/2）λ 其中 N= 0,1,2,3,4,5..... λ为光在空气中的波长

则会造成该特定波长的反射光有相消的效应，因此反射光的颜色会改变。

例如，镀膜的厚度若造成绿色光的相消，则反射光会呈现红色的。市面上许多看似红色镜片的望远镜都是用这个原理制作的。尽管如此，透射光却没有偏红的现象。

在许多复杂的光学系统里，反射光的抑制是十分重要的功课。因此一组镜片之间，会利用不同的镀膜厚度来消去不同频率的反射光。所以越高级的光学系统，发现反射光的颜色也会越多。

光学镀膜材料常见的光学镀膜材料有以下几种：

1、氟化镁

材料特点：无色四方晶系粉末，纯度高，用其制备光学镀膜可提高透过率，不出崩点。

2、二氧化硅

材料特点：无色透明晶体，熔点高，硬度大，化学稳定性好。纯度高，用其制备高质量Si02镀膜，蒸发状态好，不出现崩点。按使用要求分为紫外、红外及可见光用。

3、氧化锆

材料特点 白色重质结晶态，具有高的折射率和耐高温性能，化学性质稳定，纯度高，用其制备高质量氧化锆镀膜，不出崩点。4

本词条内容贡献者为:

方正 - 副教授 - 江南大学