物理论文-光学薄膜及其应用方面的研究

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1、光学薄膜及其应用方面的研究1.引言光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。从20世纪30年代开始，光学薄膜逐渐被应用于日常生活、工业、天文学、军事、宇航、光通信等领域，在国民经济和国防建设中起到了重要作用，因而得到了科学技术工作者的日益重视。而今新兴技术的发展对薄膜技术不断提出新的要求，又进一步促使了光学薄膜技术的蓬勃发展，所以近年来，对光学薄膜的研究及其应用一直是非常活跃的课题。本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光

2、学薄膜最常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。2.光学薄膜干涉的原理一列光波辐射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上下表面或上下表面反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉，设薄膜下方空间的折射率为n3，薄膜的折射率为n2，薄膜上方空间的折射率为n，膜的厚度为d，如图1所示，则上下两表面处获得的反射光束的光程差为δ=2d（n2^2-n1^2sin^i）^-2λ*/2,式中i是入射角，λ/2是由半波损失而引起的附加光程，当δ=kλ，相位差Δφ=±2k∏(k=1、2、3…),干涉加强，形成明纹；当δ=（2k+1）*λ/2，Δφ=±（2k+1）∏(

3、k=0、1、2、3…)，干涉减弱，形成暗纹。图1薄膜干涉的基本原理假如取薄膜的光学厚度为n2*d=λ/4,当n1n2；n3>n2时，薄膜上下表面的光学性质不相同，都有λ/2附加光程差，两反射光的光程差δ=λ，两反射光干涉相长，增加了反射光的能量，这种薄膜称为增反膜；当n1n2>n3时，因薄膜上下表面的光学性质相同，上下表面的反射光没有附加光程差，两反射光的光程差δ=λ/2，两反射光干涉相消，增加了透射光的能量，这种薄膜称为增透膜。总之，当（n2-n1）(n2-n3)>0时有增透的作用。从以上的讨论可以看出，由于太阳光或灯光距薄膜膜面很远，所以光束

4、照射薄膜表面时，几乎为垂直入射，即i=0,当用波长为λ。的单色光垂直照射，为了让薄膜的光学厚度达到所需要求，例如当n1n2>n3时，达到增头的作用，反射光的光程差为δ=2dn2，则n2d=λ。/4(2k+1)(k=0,1,2,3…),相邻反射光的相位差为Δφ=±（2k+1）∏，但在实际应用中照明光波并非是单色光，取n2d为常数，相位差Δφ则随波长而改变，反射光强必定也随波长而改变，设照明光的波长范围【λ。-Δλ，λ。+Δλ】，光学厚度n2d满足式n2d=λ。/4(2k+1)时，相位差Δφ的变化范围为【∏λ。*(2k+1)/(λ。+Δλ),∏λ。*(2k+1)/(λ。-Δλ)

5、】,k取值较大时，有多种光波满足Δφ=+（2k+1）∏，同时也有多种波长的光波满足Δφ=2k∏,即出现一部分光产生相消干涉，而另一部分则产生相长干涉的现象。这样，增透膜的效果均不佳，当k取值较小时，可以避免此种现象的出现，例如400—760nm的可见光范围内，取λ。=550nm,n2d1=λ。/4=137.5nm时，相位差Δφ的变化范围为【0.724∏，1.375∏】，Δφ均与∏接近，避免了一部分光波产生相长干涉而另一部分产生相消干涉的现象，因此选取薄膜的光学厚度n2d1=λ。/4应该是最佳选择。3.光学薄膜的制备3.1物理气相沉淀法物理气相沉淀法简单地说，是在真空环境中加热薄膜材料使其成为蒸

6、汽，蒸汽再凝结到温度相对低的基片上形成薄膜的过程。之所以选择高真空环境是因为薄膜材料在沉积的过程中不会与空气中的活泼气体反应，以及蒸汽分子在真空环境中不会与气体分子碰撞，而是直接到达基片，在实际薄膜沉积过程中，需要控制的工艺参数非常多，通常涉及到真空技术、材料化学、精密机械制造、光电技术、计算机技术、自动控制技术等领域。3.2离子束辅助沉淀法离子辅助沉积法是在气相沉淀镀膜的同时，利用高能粒子轰击薄膜沉积表面，对薄膜表面环境产生影响，从而改变沉积薄膜成分、结构的过程。这种把离子辅助与反蒸汽法结合起来的镀膜技术能够实现低温成膜，改善薄膜的微观结构、力学性能并提高薄膜与基体结合力，从而提高薄膜的综合

7、性能。但由于离子束轰击基片的能量束流密度不均匀以及高能粒子引起的反溅射等因素，使得离子束辅助蒸发技术在生产应用中收到限制。通常对ZnS、MgF2等软膜采用离子辅助技术以后，膜层的牢固性获得了明显的改善，但无论对软膜或电子束蒸发的氧化物硬膜在抗激光损伤方面的效果均不明显。4光学薄膜的应用4.1应用于光学仪器4.1.1应用于摄像机，照相机摄像机的镜头是让可见光范围内全部光谱最大限度透过，即透过的光波波