薄膜光學(xué)作為物理光學(xué)的重要分支，其理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論和麥克斯韋方程。

     光學(xué)薄膜器件，又被稱為一維光子晶體，是由厚度在納米量級(jí)的多層介質(zhì)層所構(gòu)成，通過介質(zhì)層材料種類的有機(jī)組合和厚度變化，使得通過其結(jié)構(gòu)的光產(chǎn)生干涉增強(qiáng)或者相消的現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的反射、透射以及吸收的精確調(diào)控，因此，光學(xué)薄膜器件三個(gè)重要的光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)為反射率、透射率和吸收率。 

     薄膜光學(xué)是一門古老的學(xué)科。18世紀(jì)，科學(xué)家們觀察到“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，光的干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)拉開了薄膜光學(xué)的研究“大幕”。

     1873年，英國物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)表著作《論電與磁》，奠定了薄膜光學(xué)的理論基礎(chǔ)，促進(jìn)了薄膜光學(xué)的理論研究。相比于理論研究，薄膜器件的制備工藝的發(fā)展就延后了許多。

     雖然早在19世紀(jì)初期，夫瑯禾費(fèi)就通過化學(xué)腐蝕的方法成功制備出減反射膜，但是直到1930年擴(kuò)散泵的面世，PVD的發(fā)展和成熟，光學(xué)薄膜器件的制備質(zhì)量才有了一個(gè)極大的飛躍。

     自此，光學(xué)薄膜器件開始在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都展示其獨(dú)特的價(jià)值，薄膜光學(xué)進(jìn)入了一個(gè)“大發(fā)展、大繁榮”的時(shí)期。 

      傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜器件，按照功能分可以簡單分為減反射膜、高反射膜、分束鏡、薄膜顏色濾光片等。

     減反射膜是指減少表面反射的薄膜，這是較早被研究和商用的光學(xué)薄膜產(chǎn)品，其商用的范圍和產(chǎn)量也是在所有光學(xué)薄膜產(chǎn)品中居首的。


     根據(jù)膜系的復(fù)雜程度分，減反射膜包括單層減反射膜、雙層減反射膜、多層減反射膜；根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景分，減反射膜包括超寬帶減反射膜、可見光區(qū)和近紅外雙波段減反射膜、高折射率基片的減反射膜和塑料基底的減反射膜。

    高反射膜是指具有極高反射率的薄膜，常見的高反射膜結(jié)構(gòu)包括金屬反射膜、多層介質(zhì)周期高反射膜、多層介質(zhì)非周期高反射膜。

     分束鏡是指在器件表面鍍上的薄膜將入射光分成具有一定光強(qiáng)比的反射光和透射光，包括金屬分束鏡和介質(zhì)分束鏡。

     薄膜顏色濾光片是指通過多層光學(xué)介質(zhì)的干涉效應(yīng)對(duì)反射光或者透射光進(jìn)行選取的薄膜器件。

     從透反射的角度分，濾光片包括反射式濾光片和透射式濾光片；從濾光的光譜行為分，濾光片可分為干涉介質(zhì)濾光片和帶通濾光片。 

     薄膜光學(xué)是一門具有活力的學(xué)科。雖然其理論基礎(chǔ)早在20世紀(jì)中葉的時(shí)候就已經(jīng)得到完善，但是光學(xué)薄膜器件的研究和發(fā)展卻一致保持著強(qiáng)勁的勢(shì)頭。

     光學(xué)薄膜器件近些年的研究集中在提升制備技術(shù)、拓展應(yīng)用場(chǎng)景和維度提升三個(gè)方向。

     (1) 提升制備技術(shù)。由于光學(xué)薄膜器件的單層厚度很薄(納米量級(jí))，且整體器件的光學(xué)特性(反射率、透射率或者吸收率)對(duì)多層光學(xué)薄膜器件的每一層厚度都很敏感，并且在結(jié)構(gòu)層數(shù)過多、整體厚度過厚時(shí)，還需要考慮薄膜應(yīng)力的影響，因此光學(xué)薄膜器件的制備過程往往比其設(shè)計(jì)過程更為重要，也更加費(fèi)時(shí)。



     目前主要的薄膜制備工藝包括PVD、化學(xué)氣相沉積方法(Chemical Vapor Deposition, CVD)、溶膠-凝膠方法(sol-gol)和液相沉積方法(Liquid Phase Deposition, LPD)。 

     (2) 拓展應(yīng)用場(chǎng)景。薄膜光學(xué)能夠永葆活力持續(xù)發(fā)展的主要原因是緊跟時(shí)代發(fā)展，不斷拓展應(yīng)用場(chǎng)景。

     美國科學(xué)院為了探測(cè)引力波而搭建的LIGO系統(tǒng)中，關(guān)鍵的一環(huán)就是低損耗薄膜的設(shè)計(jì)；大功率激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，抗激光損傷薄膜的使用能夠減少能量的損失，提高激光器的性能；相比于傳統(tǒng)的硅太陽能電池，薄膜太陽能電池的制備工藝簡單，效率高，帶隙可調(diào)，可制備在柔性基板上，拓展了太陽能電池的應(yīng)用場(chǎng)合；在能源危機(jī)、溫室效應(yīng)日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，利用光學(xué)薄膜器件能夠制備出低成本、高效的輻射制冷器，減少人們因制冷而消耗的能源等；光學(xué)薄膜器件已經(jīng)普遍地滲透到社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，并創(chuàng)造了巨大的價(jià)值。

     (3) 維度提升。傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜器件又被稱為一維光子晶體器件，是指材料種類以及厚度的變化只在縱向的一維方向上有變化。

     由于微納結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波更加精細(xì)地調(diào)控，基于光學(xué)薄膜器件進(jìn)行二維和三維拓展的器件在輻射制冷、太陽能電池、寬帶吸收等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。 
【返回列表】