光学薄膜应用及实例分析

在可见光区使用得最普遍的是折射率为1.52 左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率为1.23，但是至今能利用的薄膜的最低折射率是1.38( 氯化镁)。这虽然不很理想但也得到了相当的改进。当ns=1.52，nf=1.38，n0=1.0 时，由式(3)可得最低反射率为1.3%，即镀单层氟化镁后中心波长的反射率从4.2%降至 l.3%左右，整个可见光区平均反射率约为1.5%。显然，愈是接近于满足式（4）的条件的玻璃，中心波长增透效果愈显著。以可见光的中心波长为550nm 设计的时候，那么对于紫光波段和红光波段的光波长，光学厚度不是四份之一波长，也就偏离了反射抵消的条件，会有略高的反射。

2.分光膜

把一束光分为两部分的器件称为分光镜。分光镜的工作部分一般是一个镀过膜的平面，它在一定的波长范围内具有特定的反射率和透射率。通常这个平面是倾斜的，因此入射光和反射光便分离开来。分光镜的预定反射率和透射率值随其用途不同而相异。

对于不同的分光镜往往有不同的透射率和反射率比T/R，即分光比。最常用的是中性分光镜，T/R=50/50，它把一束光分成光谱成分相同的两束光。因为它在某波长区域内对各波长具有相同的透射率和反射率比，因而反射光和透射光不带有颜色，呈中性。常用的中性分光镜有两种结构：一种是在透明的平板基片上镀上分光膜，另一种是把膜层镀在两个直角棱镜上，再膜面对膜面地胶合成立方体。常用的有金属分光镜和介质分光镜两类。金属膜分光镜分光的光谱宽度较宽，缺点是吸收损失较大，分光效率较低，介质分光镜的特点是分光效率高，偏振效应明显，分光特性色散明显。介质膜分光镜与金属膜分光镜相比，因为介质膜的吸收小到可以忽略的程度，所以分光效率高，这是介质分光镜的优点，但是介质膜的特性对波长较敏感，给中性分光带来困难。同时，一般介质膜分光镜的偏振效应较大，这也是它的不足之处。

3.反射膜

反射膜是用于把入射光能量大部分或几乎全部反射的光学元件。在有些光学系统中，要求光学元件具有较高的反射本领，例如，激光器的反射镜要求对某种频率的单色光的反射率在90％以上。为了增强反射能量，常在玻璃表面镀一层高反射率的透明薄膜，利用其上下表面反射光的光程差满足干涉相长的条件，使反射光增强。

金属膜有很高的反射率，吸收率也较高，而介质膜的不但反射率可以较高，还有较小的吸收率。

铝是唯一从紫外到红外(0.2～30μm)具有很高反射率的材料。大约在波长0.85μm 处反射率出现一极小值，其值为86%。铝膜对基板的附着力比较强、机械强度和化学稳定性也比较好，所以广泛用作反射膜。新沉积的铝膜暴露于常温大气后，表面立即形成一层非晶的高透明的Al2O3 膜，短时间内氧化物迅速生长到15～20.，然后缓慢生长，一个月后达到50 左右。对缓慢蒸发的铝膜，氧化物的厚度可以达到90. 以上。氧化物的存在使铝膜的反射率下降，特别是波长小于200nm 的区域，为此要用MgF2膜作保护层。在可见光区，通常用SiO 作为初始材料，蒸发得到硅的氧化物薄膜作为Al 膜的保护膜。最佳的制备铝膜的条件：高纯铝(99.99%)；高真空中快速蒸发(50～100nm/s)；基板温度低于50℃。

在可见光及红外波段内，银膜的反射率是所有已知材料中最高的。在可见光区和红外区，反射率分别达到95%和99%左右。但是，银膜的附着力差，机械强度和化学稳定性差，所以主要用于短期使用的零件。银膜在紫外区的反射率很低，在波长400nm 开始下降，到320nm 附近降到4%左右。当银膜暴露于空气中时反射率会逐渐降低，主要原因是表面形成的氧化银(AgO、Ag2O3)和硫化银，因此要在银膜上镀保护膜。最佳的制备工艺与铝的相似，即高真空、快速蒸发、低的基板温度。

降低薄膜反射率的一个重要因素是散射。造成散射损耗的原因是多种多样的，薄膜的成核和生长机理引起膜层微观结构的不均匀，从而会产生散射，借助于电子显微镜观察多层膜断面的微观结构，其呈现非常明显的柱状，膜层内部充满空隙，而面变得凹凸不平。此外，基片表面的粗糙度及其缺陷，还有蒸发源喷溅的粒子、膜层中的微尘、裂纹和针孔等因素相互交叉构成复杂的散射模型。总的来说我们可以把散射归结为二类，即体积散射和表面散射。

4.干涉截止滤光片

要求某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射(或称抑制)的干涉截止滤光片有着广泛的应用。我们把抑制短波区、透射长波区的滤光片称为长波通滤光片。相反，抑制长波区、透射短波区的截止滤光片就称为短波通滤光片。

大多数情况下，是希望截止短于某一特定波长，或者长于该波长的所有光线。通常的办法是使干涉滤光片同吸收滤光片相组合。它既可以用作截止长波的短波通滤光片，也可以用作截止短波的长波通滤光片。只要改变监控膜层厚度的波长，截止限的位置可以随意移动。