光学薄膜(卷名：物理学)
optical thin films
一类重要的光学元件。这一领域主要有以下几方面的内容:① 薄膜的光学性质、力学性质以及其他有关性质的研究;② 薄膜的生长、薄膜的结构以及它们对薄膜性质的影响；③光学薄膜元件的设计、制备及其性能的测试等。
主要的光学薄膜器件包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等。它们在国民经济和国防建设中得到了广泛的应用，获得了科学技术工作者的日益重视。例如采用减反射膜后可使复杂的光学镜头的光通量损失成十倍地减小；采用高反射比的反射镜可使激光器的输出功率成倍提高；利用光学薄膜可提高硅光电池的效率和稳定性。
最简单的光学薄膜模型是表面光滑、各向同性的均匀介质薄层。在这种情况下，可以用光的干涉理论来研究光学薄膜的光学性质。当一束单色平面波入射到光学薄膜上时，在它的两个表面上发生多次反射和折射，反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律给出，反射光和折射光的振幅大小则由菲涅耳公式确定（见光在分界面上的折射和反射）。相邻两反射或折射光束的位相差为
(1)式中λ为入射光波长，n为薄膜的折射率，d为光学薄膜的几何厚度，θ为光在薄膜内部的折射角。多光束干涉的结果得到光学薄膜的反射系数为
(2)光学薄膜的反射位相变化为
(3)光学薄膜的反射率为
(4)式中r1、r2分别为第一、第二界面的反射系数，在入射角确定的情况下，界面的反射系数仅由薄膜的光学常数确定，而薄膜的位相差仅由薄膜的光学厚度nd决定，这样光学薄膜的性质也就由光学薄膜的光学常数和厚度来确定。由式(4)可以看出，当δ为π的整数倍时R出现极值。实际的光学薄膜一般由几层、几十层组成，除了最简单的情况外，对光学薄膜的计算要用电子计算机来完成。
光学薄膜的简单模型可以用来研究其反射、透射、位相变化和偏振等一般性质。如果要研究光学薄膜的损耗、损伤以及稳定性等特殊性质，简单模型便无能为力了，这时必须考虑薄膜的结晶构造、体内结构和表面状态，薄膜的各向异性和不均匀性，薄膜的化学成分、表面污染和界面扩散等等。考虑到这些因素后，那就不仅要考虑它的光学性质，还要研究它的物理性质、化学性质、力学性质和表面性质，以及各种性质之间的渗透和影响。因此光学薄膜的研究就跃出光学范畴而成为物理、化学、固体和表面物理的边缘学科。
虽然薄膜的光学现象早在17世纪就为人们所注意，但是把光学薄膜作为一个课题进行专门研究却开始于20世纪30年代以后，这主要因为真空技术的发展给各种光学薄膜的制备提供了先决条件。时至今日，光学薄膜已得到很大发展，光学薄膜的生产已逐步走向系列化、程序化和专业化，但是，在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决，光学薄膜现有的水平在不少工作中还不能满足要求，需要提高。在理论上，不但薄膜的生长机理需要搞清，而且薄膜的光学理论，特别是应用于极短波段的光学理论也有待进一步完善和改进。在工艺上，人们还缺乏有效的手段实现对薄膜淀积参量的精确控制，这样，薄膜的生长就具有一定程度的随机性，薄膜的光学常数、薄膜的厚度以及薄膜的性能也就具有一定程度的不稳定性和盲目性，这一切都限制了光学薄膜质量的提高。就光学薄膜本身来说，除了光学性能需要提高，吸收、散射等光损耗需要减少之外，它的机械强度、化学稳定性和物理性质都需要进一步改进。在激光系统中，光学薄膜的抗激光强度较低，这是光学薄膜研究中最重要的问题之一。下面介绍几种常用的光学薄膜元件。
减反射膜 又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。
最简单的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低的薄膜。当薄膜的折射率低于基体材料的折射率时，两个界面的反射系数r1和r2具有 相同的位相变化。如果膜层的光学厚度是某一波长的四分之一，相邻两束光的光程差恰好为π，即振动方向相反，叠加的结果使光学表面对该波长的反射光减少。适当选择膜层的折射率，使得r1和r2相等，这时光学表面的反射光可以完全消除。
一般情况下，采用单层增透膜很难达到理想的增透效果，为了在单波长实现零反射，或在较宽的光谱区达到好的增透效果，往往采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。图1的a、b、c分别绘出Kg玻璃表面的单层、双层和三层增透膜的剩余反射曲线。
减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜，因此，它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点是寻找新材料，设计新膜系，改进淀积工艺，使之用最少的层数，最简单、最稳定的工艺，获得尽可能高的成品率，达到最理想的效果。对激光薄膜来说，减反射膜是激光损伤的薄弱环节，如何提高它的破坏强度，也是人们最关心的问题之一。
反射膜 它的功能是增加光学表面的反射率。反射膜一般可分为两大类，一类是金属反射膜，一类是全电介质反射膜。此外，还有把两者结合起来的金属电介质反射膜。
一般金属都具有较大的消光系数，当光束由空气入射到金属表面时，进入金属内部的光振幅迅速衰减，使得进入金属内部的光能相应减少，而反射光能增加。消光系数越大，光振幅衰减越迅速，进入金属内部的光能越少，反射率越高。人们总是选择消光系数较大，光学性质较稳定的那些金属作为金属膜材料。在紫外区常用的金属薄膜材料是铝，在可见光区常用铝和银，在红外区常用金、银和铜，此外，铬和铂也常用作一些特种薄膜的膜料。由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能，所以必须用电介质膜加以保护。常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等。金属反射膜的优点是制备工艺简单，工作的波长范围宽；缺点是光损耗大，反射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高，可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层，组成金属电介质反射膜。需要指出的是，金属电介质反射膜增加了某一波长（或者某一波区）的反射率，却破坏了金属膜中性反射的特点。
全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反，在光学表面上镀一层折射率高于基体材料的薄膜，就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射膜是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的，每层膜的光学厚度为某一波长的四分之一。在这种条件下，参加叠加的各界面上的反射光矢量，振动方向相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。图2给出这种反射膜的反射率随着层数而变化的情形。
原则上说，全电介质反射膜的反射率可以无限接近于1，但是薄膜的散射、吸收损耗，限制了薄膜反射率的提高。目前，优质激光反射膜的反射率虽然已超过99.9％，但有一些工作还要求它的反射率继续提高。应用于强激光系统的反射膜，则更强调它的抗激光强度，围绕提高这类薄膜的抗激光强度所开展的工作，使这类薄膜的研究更加深入。
干涉滤光片 是种类最多、结构复杂的一类光学薄膜。它的主要功能是分割光谱带。最常见的干涉滤光片是截止滤光片和带通滤光片。截止滤光片可以把所考虑的光谱区分成两部分，一部分不允许光通过（称为截止区），另一部分要求光充分通过（称为带通区）。按照通带在光谱区的位置又可分为长波通和短波通二种，它们最简单的结构分别为：
，这里H、L分别表示
厚的高、低折射率层，m为周期数。具有以上结构的膜系称为对称周期膜系。如果所考虑的光谱区很宽或通带透过率的波纹要求很高，膜系结构会更加复杂。带通滤光片只允许光谱带中的一段通过，而其他部分全部被滤掉，按照它们结构的不同可分为法布里-珀罗型滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片。法布里－珀罗型滤光片的结构与法－珀标准具（见法布里－珀罗干涉仪）相同，因为由它获得的透过光谱带都比较窄，所以又叫窄带干涉滤光片。这种滤光片的透过率对薄膜的损耗非常敏感，所以制备透过率很高、半宽度又很窄的滤光片是很困难的。多腔滤光片又叫矩形滤光片，它可以做窄带带通滤光片，又可以做宽带带通滤光片，制备波区较宽，透过率高，波纹小的多腔滤光片同样是困难的。
诱增透滤光片是在金属膜两边匹配以适当的电介质膜系，以增加势透过率，减少反射，使通带透过率增加的一类滤光片。虽然它的通带性能不如全电介质法－珀滤光片，却有着很宽的截止特性，所以还是有很大的应用价值。特别在紫外区，一般电介质材料吸收都比较大的情况下，它的优越性就更明显了。图3的a、b、c分别给出法布里-珀罗型滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片的典型曲线。
分光膜 根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜。分光膜主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜等几类。
波长分光膜又叫双色分光膜，顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片，所不同的是，波长分光膜不仅要考虑透过光而且要考虑反射光，二者都要求有一定形状的光谱曲线。波长分光膜通常在一定入射角下使用，在这种情况下，由于偏振的影响，光谱曲线会发生畸变，为了克服这种影响，必须考虑薄膜的消偏振问题。
光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜，这种薄膜有时仅考虑某一波长，叫做单色分光膜；有时需要考虑一个光谱区域叫做宽带分光膜；用于可见光的宽带分光膜，又叫做中性分光膜。这种膜也常在斜入射下应用，由于偏振的影响，二束光的偏振状态可以相差很多，在有些工作中，可以不考虑这种差别，但在另一些工作中（例如某些干涉仪），则要求两束光都是消偏振的，这就需要设计和制备消偏振膜。
偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的。偏振分光膜可以分成棱镜型和平板型两种。棱镜型偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应（见光在分界面上的折射和反射）。当光束总是以布儒斯特角入射到两种材料界面时，则不论薄膜层数有多少，其水平方向振动的反射光总为零，而垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加，只要层数足够多，就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光，而反射光束基本上是垂直方向振动的光，从而达到偏振分光的目的，由于由空气入射不可能达到两种薄膜材料界面上的布儒斯特角，所以薄膜必须镀在棱镜上，这时入射介质不是空气而是玻璃。平板型偏振膜主要是利用在斜入射时由电介质反射膜两个偏振分量的反射带带宽的不同而制成的。一般高反射膜，随着入射角的增大，垂直分量的反射带宽逐渐增大，而平行分量的带宽逐渐减少。选择垂直分量的高反射区、平行分量的高透过区为工作区则可构成透过平行分量反射垂直分量的偏振膜，这种偏振膜的入射角一般选择在基体的布儒斯特角附近。棱镜型偏振膜工作的波长范围比较宽，偏振度也可以做得比较高，但它制备较麻烦，不易做得大，抗激光强度也比较低。平板型偏振片工作的波长区域比较窄，但它可以做得很大，抗激光强度也比较高，所以经常用在强激光系统中。
图4和图5分别给出中性光强分光膜和平板型偏振分光膜的反射光谱曲线。
参考书目
H.A.Macleod，Thin Film Optical Filters， Hilger， London， 1969.
T. J. Coutts， Active and passive Thin Film Devices， Academic Press， London， New York， 1978.