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光学薄膜的发展

发布时间:2021-09-13浏览次数:载入中...

     

     薄膜光学作为物理光学的重要分支,其理论基础是电磁场理论和麦克斯韦方程。


     光学薄膜器件,又被称为一维光子晶体,是由厚度在纳米量级的多层介质层所构成,通过介质层材料种类的有机组合和厚度变化,使得通过其结构的光产生干涉增强或者相消的现象,从而实现对入射光的反射、透射以及吸收的精准调控,因此,光学薄膜器件三个重要的光学设计指标为反射率、透射率和吸收率。 

     薄膜光学是一门古老的学科。18世纪,科学家们首次观察到“牛顿环”现象,光的干涉现象的发现拉开了薄膜光学的研究“大幕”。

     1873年,英国物理学家麦克斯韦发表著作《论电与磁》,奠定了薄膜光学的理论基础,促进了薄膜光学的理论研究。相比于理论研究,薄膜器件的制备工艺的发展就延后了许多。

     虽然早在19世纪初期,夫琅禾费就通过化学腐蚀的方法成功制备出减反射膜,但是直到1930年扩散泵的面世,物理气相沉积方法(PVD)的发展和成熟,光学薄膜器件的制备质量才有了一个极大的飞跃。

     自此,光学薄膜器件开始在社会生产的各个领域都展示其独特的价值,薄膜光学进入了一个“大发展、大繁荣”的时期。 

      传统的光学薄膜器件,按照功能分可以简单分为减反射膜、高反射膜、分束镜、薄膜颜色滤光片等。

     减反射膜是指减少表面反射的薄膜,这是最早被研究和商用的光学薄膜产品,其商用的范围和产量也是在所有光学薄膜产品中居首位的。


     根据膜系的复杂程度分,减反射膜包括单层减反射膜、双层减反射膜、多层减反射膜;根据应用场景分,减反射膜包括超宽带减反射膜、可见光区和近红外双波段减反射膜、高折射率基片的减反射膜和塑料基底的减反射膜。

    高反射膜是指具有极高反射率的薄膜,常见的高反射膜结构包括金属反射膜、多层介质周期高反射膜、多层介质非周期高反射膜。

     分束镜是指在器件表面镀上的薄膜将入射光分成具有一定光强比的反射光和透射光,包括金属分束镜和介质分束镜。

     薄膜颜色滤光片是指通过多层光学介质的干涉效应对反射光或者透射光进行选取的薄膜器件。

     从透反射的角度分,滤光片包括反射式滤光片和透射式滤光片;从滤光的光谱行为分,滤光片可分为干涉介质滤光片和带通滤光片。 

     薄膜光学是一门具有活力的学科。虽然其理论基础早在20世纪中叶的时候就已经得到完善,但是光学薄膜器件的研究和发展却一致保持着强劲的势头。

     光学薄膜器件近些年的研究集中在提升制备技术、拓展应用场景和维度提升三个方向。

     (1) 提升制备技术。由于光学薄膜器件的单层厚度很薄(纳米量级),且整体器件的光学特性(反射率、透射率或者吸收率)对多层光学薄膜器件的每一层厚度都很敏感,并且在结构层数过多、整体厚度过厚时,还需要考虑薄膜应力的影响,因此光学薄膜器件的制备过程往往比其设计过程更为重要,也更加费时。



     目前主要的薄膜制备工艺包括物理气相沉积方法(Physical Vapor Deposition, PVD)、化学气相沉积方法(Chemical Vapor Deposition, CVD)、溶胶-凝胶方法(sol-gol)和液相沉积方法(Liquid Phase Deposition, LPD)。 

     (2) 拓展应用场景。薄膜光学能够永葆活力持续发展的主要原因是紧跟时代发展,不断拓展应用场景。

     美国科学院为了探测引力波而搭建的LIGO系统中,最关键的一环就是低损耗薄膜的设计;大功率激光系统的设计中,抗激光损伤薄膜的使用能够大大减少能量的损失,提高激光器的性能;相比于传统的硅太阳能电池,薄膜太阳能电池的制备工艺简单,效率高,带隙可调,可制备在柔性基板上,大大拓展了太阳能电池的应用场合;在能源危机、温室效应日益严峻的形势下,利用光学薄膜器件能够制备出低成本、高效的辐射制冷器,减少人们因制冷而消耗的能源等;光学薄膜器件已经广泛地渗透到社会生产生活的各个领域,并创造了巨大的价值。

     (3) 维度提升。传统的光学薄膜器件又被称为一维光子晶体器件,是指材料种类以及厚度的变化只在纵向的一维方向上有变化。

     由于微纳结构能够实现对电磁波更加精细地调控,基于光学薄膜器件进行二维和三维拓展的器件在辐射制冷、太阳能电池、宽带吸收等领域有着重要的应用前景。 
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