光學(xué)薄膜的發(fā)展

     

     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的多層介質(zhì)層所構(gòu)成，通過介質(zhì)層材料種類的有機組合和厚度變化，使得通過其結(jié)構(gòu)的光產(chǎn)生干涉增強或者相消的現(xiàn)象，從而實現(xiàn)對入射光的反射、透射以及吸收的精確調(diào)控，因此，光學(xué)薄膜器件三個重要的光學(xué)設(shè)計指標(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)量才有了一個極大的飛躍。

     自此，光學(xué)薄膜器件開始在社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都展示其獨特的價值，薄膜光學(xué)進入了一個“大發(fā)展、大繁榮”的時期。 

      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)對反射光或者透射光進行選取的薄膜器件。

     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)展卻一致保持著強勁的勢頭。

     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)用場景和維度提升三個方向。

     (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)，且整體器件的光學(xué)特性(反射率、透射率或者吸收率)對多層光學(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，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)計過程更為重要，也更加費時。



     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代發(fā)展，不斷拓展應(yīng)用場景。

     美國科學(xué)院為了探測引力波而搭建的LIGO系統(tǒng)中，關(guān)鍵的一環(huán)就是低損耗薄膜的設(shè)計；大功率激光系統(tǒng)的設(shè)計中，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)用場合；在能源危機、溫室效應(yīng)日益嚴(yán)峻的形勢下，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)普遍地滲透到社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，并創(chuàng)造了巨大的價值。

     (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)對電磁波更加精細地調(diào)控，基于光學(xué)薄膜器件進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。 
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