光学薄膜概论

zyp

光学薄膜概论
7 J1 E' |& B% K! m) o7 {8 x光学工业除了镜片的研磨，系统之设计以外,有一項科技是发展高级光学仪器所不可缺的，就是光学薄膜的蒸镀技术。何谓光学薄膜，就是在镜片上镶上一层或多层非常薄的特殊材料，使镜片能达到某种特定的光学效果。我们所常见的太阳眼镜，抗反射镜片就是一个光学薄膜在日常生活上最简单的应用。其他如各种反射镜、滤光镜、各式镜头及雷射镜片，都要用到光学薄膜这一項技术。

9 l( V% l. I7 V" L! r$ u$ d# Z$ R
& n* @/ U. E, z! I- Y     光学薄膜的基本原理是利用光线的干涉效应，当光线入射于不同折射系数物质所镀成的薄膜，产生某种特殊光学特性。光学薄膜就其所镀材料之不同，大体可分为金属膜和非金属膜。金属膜：主要是作为反射镜和半反射镜用。在各种平面或曲面反射镜，或各式稜镜等，都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等各种不同的材料。不同的材料在光谱上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可见光、近红外光有良好的反射率，是镀反射镜最常使用的材料之一。Ag膜在可见光和近红外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光泽，只能短暂的维持高反射率，所以只能用在內层反射用，或另加保护膜。非金属膜：用途非常广泛，例如抗反射镜片。单一波長滤光片、长或短波长通过滤光片、热光镜、冷光镜、各种雷射镜片等，都是利用多种不同的非金属材料，蒸镀在研磨好之镜杯上，层数由单层到数十、百层不等，视需要的不同，而有不同的设计和方法。目前这些薄膜中被应用得最广泛，最商业化，也是一般人接触到最多的，就是抗反射膜。例如眼镜、照相机镜头、显微镜等等都是在镜片上镀抗反射膜。因为若是不加以抗反射无法得到清晰明亮的影像了，因此如何增加其透射光线就是一个非常重要的课题。
9 S/ o7 ?$ P" ^6 `
, z# P; ]! e6 `$ H
( F+ ?' b+ x/ D, w1 q7 s, _      利用光波干涉原理，在镜片的表面镀上一层薄膜，厚度为1/4波长的光学厚度，使光线不再只被玻璃─空气界面反射，而是空气─薄膜、薄膜─玻璃二个界面反射，因此产生干涉现象，可使反射光减少。若镀二层的抗反射膜，使反射率更低，但是镀一层或二层都有缺点：低反射率的波带不移宽，不能在可见光范围都达到低反射率。1961年Cox、Hass和Thelen三位首先发表以1/4一1/2一1/4波长光学厚度作三层抗反射膜可以得到宽波带低反射率的抗反射膜。多层抗反射膜除了宽波带的，也可做到窄波带的。也就是针对其一波长如氨氟雷射632.8nm波长，要求极高的透射，可使632.8nm这一波长透射率高达99.8%以上，用之於雷射仪器。但若需要对某一波长的光线有看极高的反射率需要用高低不同折射系数的材料反覆蒸镀数十层才可达到此效果。

2 }: V! f+ ~6 V4 n% s
　　光学薄膜的制造是以真空蒸镀方式制作，大体可分为三种方式：热电阻式、电子枪式和溅射方式。最普通的方式为热电阻式，是将蒸镀材料在真空蒸镀机內置于电阻丝或片上，在高真空的情況下，加热使材料成为蒸气，直接镀于镜片上。由于有许多高熔点的材料，不易使用此种方式使之熔化、蒸镀。而以电子枪改进此缺点，其方法是以高压电子束直接打擊材料，由于能量集中可以蒸镀高熔点的材料。另一方式为溅射方式，是以高压使惰性气体离子化，打擊材料使之直接溅射至镜片，以此方式所作薄膜的附着力最好。

2 Z, U/ R) m8 Z$ \$ K硬质薄膜材料最新发展及应用
% o- g2 j& P5 k* Y& E# X　　所谓“超硬”材料，系指显微硬度 HV≥40GPa的材料。随着现代制造业的进步，难加工材料越来越多，金属切削工艺的发展，特别是高速切削、干切削和微润滑切削工艺的出现，对金属切削刀具提出了越来越严酷的技术要求。涂层刀具的出现，被认为是金属切削刀具技术发展史上的一次革命。将超硬薄膜材料镀于金属切削刀具表面，正适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，金属切削刀具基体保持了其较高的强度，镀于表面的涂层又能发挥它“超硬、强韧、耐磨、自润滑”的优势，从而大大提高了金属切削刀具在现代加工过程中的耐用度和适应性。此外，许多在磨擦环境中使用的部件，例如纺机上的钢领圈，内燃机中的活塞环，各种模具等，硬质薄膜材料也能大大提高其使用寿命。因此硬质薄膜材料可以广泛应用于机械制造，汽车工业，纺织工业，地质钻探，模具工业，航空航天等领域。
) O& b8 x; k$ R% e6 F  X
) t" N  @4 F# M$ }! R: @& {
　　实际的工业应用，硬度只是诸多技术要求中的一个，此外还有高温硬度和韧性，抗氧化性，化学稳定性， 硬质材料对工件的磨擦系数和磨损率， 涂层的附着强度， 导热系数等都有一定的要求。对于不同的使用场合，薄膜的技术要求各有侧重。


　　 硬质薄膜的制膜方法主要分物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两大类，近年来，它们分别都有长足进步。PVD技术中，电弧离子镀和磁控溅射离子镀是工业生产的主流镀膜技术。电弧离子镀以其离化率高，薄膜生长速度快，涂层附着强度好等一系列优点，占了涂层市场的很大份额。 九十年代中期我国从国外引进的七台大型镀膜机均为电弧离子镀，对我国的镀膜工业进步起到很大推动作用。最近磁控溅射离子镀，由于非平衡磁场，多靶磁场耦合，孪生磁控靶，脉冲溅射，中频交流溅射电源等新技术的出现，使磁控溅射技术在制备多元素复合膜，超晶格薄膜和纳米晶超硬薄膜方面，超过了电弧离子镀方法。先进的磁控溅射技术为沉积超硬薄膜提供了技术保证，完善的镀膜设备功能是保证超硬薄膜材料质量的基础。超硬薄膜材料是材料科学与工程中十分活沃的领域