光學薄膜系統(tǒng)各種設計方法的比較研究

光學薄膜系統(tǒng)各種設計方法的比較研究光學薄膜作為一門綜合性工程技術科學，不僅與我們的日常生活息息相關——例如我們?nèi)粘Ｅ宕鞯难坨R，以及手機、電腦等屏幕均有鍍膜——而且發(fā)展前景十分廣闊，產(chǎn)業(yè)規(guī)模也是相當可觀。下面就從三個方面來談一談光學薄膜系統(tǒng)各種設計方法的比較研究。不過，在此之前，讓我們談談光學薄膜的兩個基本理論——光的干涉理論和電磁場理論，它們其實早已確立。光的干涉理論由著名的“牛頓環(huán)”引出——這一經(jīng)典現(xiàn)象我們在大學物理實驗課上學習并實驗過——后續(xù)的科學家們做了進一步的闡釋，最終弄清了光的干涉過程，確立了光的干涉理論。另一基礎理論——電磁場理論，則由麥克斯韋為之奠基。光學薄膜的設計理論由于不同的需求以及不同的考量，在光學薄膜的設計中會遇到不同的問題，本著發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的思路，也衍生出了不同的處理方法和理論。下面主要介紹三種設計理論。矢量作圖法矢量作圖法適用于減反膜設計。但是對于層數(shù)較少的減反射膜，矢量法也可以進行近似計算和設計——不過這需要有兩個條件，一是膜層無吸收，二是忽略界面上的多次反射。名為近似計算，其實對于大多數(shù)減反射膜來說，誤差是可以小到能夠忽略的，故矢量法在減反射膜的計算和設計中具有很重要的意義，是值得進行廣泛使用的。矢量法的計算過程如下：首先來計算各界面的振幅反射系數(shù)（可以用解析法或矢量圖解法處理，不過后者比較簡便）以及各層膜的位相厚度。接下來就要做圖了——按照比例，將每個矢量都畫在一張坐標圖內(nèi)，并根據(jù)三角形法則來求其合矢量，這個膜系的振幅反射系數(shù)也就由此得到了。幅角是反射光的位相變化，另外，振幅反射系數(shù)的平方是薄膜系統(tǒng)的能量反射率。有效界面法有效界面法（又稱史密斯方法）就是在矢量作圖法的基礎上進一步考慮了膜層內(nèi)的多次反射，所以對于層數(shù)較多的減反射膜其結(jié)果更為準確。從名稱上來看，關鍵在于“有效”的概念。對于單層介質(zhì)薄膜來說，它的兩個界面可以用一個等效界面來表示——這一點可以大大簡化問題的處理。由此得出一種可行的設計方法，其核心思路是先使所選擇的膜層從膜系中分離出來，整個膜系組合可以用兩個等效界面來表示。導納圖解技術導納圖解技術是一種可以直觀分析光學薄膜特性并設計多層光學薄膜原始結(jié)構的方法，是由麥克勞德發(fā)展并完善起來的。導納軌跡圖解技術是分析和理解多層膜的反射、偏振和位相特性的有力工具。除此之外，該技術還具備另一個突出優(yōu)點，即可以很容易地表示出膜系內(nèi)電場的分布情況——這一點可以用來減少多層膜的吸收消耗以及分析薄膜抗激光損傷的程度。各種光學薄膜系統(tǒng)的設計光學薄膜系統(tǒng)有許多類型，在這里難以面面俱到，故選擇幾種具有代表性的來簡要地介紹一下。減反射膜單層減反射膜。最方便且行之有效的一個方法來減少表面反射光，就是在表面鍍一層低折射率薄膜。而且，要想達到最完美的減反射效果，需要滿足所鍍膜層的光學厚度為四分之一入射光的波長。在可見光區(qū)域，大規(guī)模使用的是冕牌玻璃（折射率約為1.52）。迄今為止，我們可以使用的最低折射率薄膜是氟化鎂材料，其折射率為1.38。在玻璃表面可以通過化學腐蝕來刻鍍折射率連續(xù)變化的減反射膜，其耐久性也更高。因為該薄膜的多孔性和毛細孔尺寸小，其折射率較凝聚生成的二氧化硅薄膜低很多，可應用于太陽能和激光領域。雙層減反射膜。顧名思義，即在介質(zhì)表面鍍上兩層薄膜，來提高增透效果。常見的雙層減反射膜有V形膜，即兩層膜的厚度均為四分之一波長，因其反射率曲線大致呈V形而得名。此外還有一種W形膜，同樣地，它的反射率曲線大致呈W形，它的膜厚一層仍為四分之一波長，另一層則為二分之一波長。多層減反射膜。該薄膜系統(tǒng)可以視為對V形膜和W形膜的改進型。在設計過程中，為了得到中間折射率的薄膜（薄膜材料和種類可用范圍有限，選擇余地不足）可以令高低兩種折射率的薄膜材料混合制得，也可以令兩種薄膜材料以一定的速率比蒸發(fā)制得，不過這兩種方法都十分繁瑣且可行程度較低。故常采用將兩層膜來代替一層膜的方法來制備，這兩層膜稱為代換對，通過調(diào)節(jié)其厚度來獲得所需要的減反射特性。分束鏡下面介紹的都是中性分束鏡——將一束光分成光譜成分相同的兩束光。金屬分束鏡。鉻作為金屬分束鏡應用十分廣泛，此外鋁、銠、鉑等金屬也各有所長。之前銀也曾一展身手，但由于銀的機械強度和化學穩(wěn)定性均較差，所以現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了。另外合金材料，如克露美A（即鎳鉻合金）膜，其分光特性十分平坦且適用的波長范圍較寬闊，更重要的是，這種材料的制備工藝并不復雜。介質(zhì)分束鏡。理想的中性分束鏡的透射與反射比為50/50，如果想要達到這種程度，就必須采用更多膜層的介質(zhì)分束鏡，而且需要逐步修改膜系。首先基于1/4波長，使之在中心波長反射率達到50%左右，然后提高光譜兩端的反射率，來進一步達到提高中性的目標，最方便的途徑就是再增加一層半波長的薄膜。高反射膜金屬反射膜。常用鋁、金、銀等金屬來制取金屬反射膜，其中鋁膜應用特別廣泛。因為鋁從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)均能保證較高的反射率，另外鋁與空氣接觸后生成氧化鋁薄層，具有保護內(nèi)部材料的作用且能使膜層更穩(wěn)定。另外為了進一步增進金屬膜的強度，保護其不受大氣侵蝕，常常在金屬膜外再鍍一層保護膜。對于金屬鋁來說，二氧化硅和氧化鋁都是不錯的選擇。但是在紫外區(qū)，則不能用上述兩種保護膜，而需要換用氧化鎂（鍍層牢固）或氟化鋰（鍍層強度較差）。金屬銀在反射率很高的低偏振的反射鏡中有較廣闊的用途，而金則在紅外反射鏡中運用廣泛。多層介質(zhì)高反射膜。其主要應用在高性能的多光束干涉儀中的反射膜，以及激光器諧振腔的反射鏡中。用高低折射率交替的且每層膜厚為四分之一波長的多層介質(zhì)膜可以實現(xiàn)更高的反射率。但是一味地增加鍍膜層數(shù)并不能使膜系的反射率一直提高，卻會因吸收散射等損失而使反射率減小。不過，如果想要得到最高的反射率以及較低的損耗，可以采用最外層鍍高反射膜層的方法。展寬高反射帶的多層介質(zhì)膜。在很多應用中，高反射區(qū)域的范圍不夠?qū)拸V，滿足不了使用需求，所以發(fā)展出了一些種方法來對高反射帶的帶寬進行展寬。其中一種方法是使膜系中相連續(xù)的各層膜厚不一，并成有規(guī)律的遞增（可按照幾何級數(shù)遞增或算數(shù)級數(shù)遞增），以使其能夠確保在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)的任何波長，膜系中都有足夠多的光學厚度接近四分之波長的膜層，來實現(xiàn)高反射率。另外一種方法是在一個四分之一波長的多層膜上，通過疊加一個中心波長不同的多層膜來實現(xiàn)。除此之外，還有一種途徑，就是將其它形式的周期膜堆組合起來以實現(xiàn)對高反射區(qū)域的擴展。帶通濾光片法布里-珀羅濾光片。根據(jù)法布里-珀羅多光束干涉儀制成的干涉膜系是最簡單的薄膜窄帶濾光片。法布里-珀羅干涉儀最初的形式是由兩塊相同的且距離一定的平行反射板構成，而這個標準具可以替換為兩個金屬反射層加一個介質(zhì)層（所謂的間隔層）。而且法布里-珀羅濾光片可以用于比標準具低得多的干涉級次，這一點已經(jīng)由實踐證明，薄膜間隔層的厚度最好不超過第四級次。這種簡單類型的濾光片叫做金屬-介質(zhì)法布里-珀羅濾光片。其制備工藝并不復雜，關鍵在于金屬要盡快蒸鍍在冷基片上，在蒸鍍后膜層還要盡快與蓋片膠合，并進行封邊，以免受蝕。在不同波長范圍內(nèi)所使用的的金屬與基片材料也不盡相同。全介質(zhì)法布里-珀羅濾光片。該濾光片的光譜透射率曲線與具有介質(zhì)反射膜的法布里-珀羅標準具基本相同。當兩反射膜對稱，且反射率足夠高時，對于給定的層數(shù)，欲使其反射率最大可用高折射率層作為最外層膜。全介質(zhì)多層反射膜只在有限的范圍內(nèi)發(fā)揮作用，而且在濾光片的透射峰值兩端會產(chǎn)生旁通帶。最好的解決方法是將誘導透射濾光片作為截止濾光片使用，而不使用吸收濾光片。三、光學薄膜系統(tǒng)各種設計方法的比較上面介紹了部分光學薄膜系統(tǒng)的設計，著重在于其原理以及作用等方面，所述及到的設計都是有其適用范圍的，在該范圍內(nèi)具有很多突出點，但也不是十全十美的，各有一些缺陷，下面就來分析比較一下各種設計方法的優(yōu)缺點，主要是在同一大類中的縱向比較，而不是在不同大類中的橫向比較。首先說說減反射膜。對于作為歷史上的重大進展之一，今天仍在廣泛使用的單層減反射膜，有以下兩個主要缺陷：其一，剩余反射太高——對于大多數(shù)應用來說。其二，從已鍍膜的表面表面反射的光線破壞了色彩平衡，以致不能用于變焦距鏡頭、超廣角鏡頭等復雜透鏡系統(tǒng)。雙層減反射膜的減反射性能比單層減反射膜要好很多。但是它也沒能克服上面所說的單層減反射膜的兩個缺點，尤其當基片為冕牌玻璃時。另外，多層減反射膜可以解決雙層減反射膜會形成過大反射率和不適宜的光譜帶寬的問題。接著說分束鏡。所有金屬膜分束鏡都有吸收損失大且分光效率低的不足。另外，由于膜層中存在著吸收，因此反射率與入射光的方向有關，因此在使用期間應適當?shù)胤胖媒饘倌し质R。而對于介質(zhì)膜分束鏡來說，由于介質(zhì)膜的吸收足夠小，可以忽略不及，所以它的分束效率更高。當然，也有偏振效應較大，難做到中性分束等缺點。高反射膜中的金屬反射膜具有較大的吸收損失，所以不能用來做激光器諧振腔中的反射鏡以及高性能的多光束干涉儀中的反射膜。相比較下，介質(zhì)高反射膜則可以實現(xiàn)更高的反射率和更低的損耗，從而顯著改善干涉條紋的銳度和襯度。對于法布里-珀羅濾光片，一般來說，窄帶干涉濾光片具有較高峰值透射率和較寬的長波截止區(qū)等優(yōu)點，特別適用于寬帶截止。像上面提到的金屬高反射膜一樣，金屬-介質(zhì)法布里-珀羅濾光片具有較高的吸收損耗——同樣由于金屬膜的吸收。不過，全介質(zhì)法布里-珀羅濾光片可以降低這種損耗，來提高性能。四、結(jié)語通過以上三個部分的梳理，對光學薄膜系統(tǒng)的理論、設計和比較有了更為系統(tǒng)的認識，同時也有了新的領悟。子曰：“溫故而知新，可以為師