光學鍍膜是指在光學零件表面上鍍上一層(或多層)金屬(或介質)薄膜的工藝過程.在光學零件表面鍍膜的目的是為了達到減少或增加光的反射、分束、分色、濾光、偏振等要求.常用的鍍膜法有真空鍍膜和化學鍍膜.

光學鍍膜原理:

①真空鍍膜:真空鍍膜主要是指需要在更高真空下進行的塗料,包括真空離子蒸發,磁控濺射,MBE分子束外延,PLD激光濺射沉積等多種塗料,所以,蒸發和濺射有兩種主要類型.将被鍍材料制成基材,将電鍍材料用作靶材或藥材.襯底處于與靶相同的真空中.

蒸發塗層通常是加熱目标,以使表面組分以自由基或離子的形式蒸發,并通過成膜方法(散射島結構 - 梯形結構 - 層狀生長)沉積在基材的表面上,薄膜.

②對于濺射狀塗層,很容易理解目标材料是用電子或高能激光器轟擊的,表面組分以自由基或離子的形式濺射,最後沉積在基底表面上最終形成一個薄膜.

光學薄膜的特點是:表面光滑,膜層之間的界面呈幾何分割,膜層的折射率在界面上可以發生躍變,但在膜層内是連續的,可以是透明介質,也可以是光學薄膜

吸收介質:可以是法向均勻的,也可以是法向不均勻的,實際應用的薄膜要比理想薄膜複雜得多,這是因為,制備時,薄膜的光學性質和物理性質偏離大塊材料,其表面和界面是粗糙的,從而導緻光束的漫散射,膜層之間的相互滲透形成擴散界面,由于膜層的生長、結構、應力等原因,形成了薄膜的各向異性,膜層具有複雜的時間效應.

常見的光學鍍膜材料有以下幾類:

1、 金屬(合金)類:鍺、鉻、鋁、銀、金等.

①鍺

稀有金屬,無毒無放射性,主要用于半導體工業塑料工業,紅外光學器件,航天工業,光纖通訊等.透光範圍2000NM--- 14000NM,n=4甚至更大.

②鉻

有時用在分光鏡上并且通常用作"膠質層"來增強附着力,膠質層可能在550NM的範圍内,但在鋁鏡膜導下面,30NM是增強附着力的有效值.

③鋁

在紫外域中它是普通金屬中反射性能最好的一種,其膜的有效厚度為50NM以上.

④銀

如果蒸發速度足夠快并且基闆溫度不很高時,銀和鋁一樣具有良好的反射性,這是在高速低溫下大量集結的結果,這一集結同時導緻更大的吸收.

⑤金

在紅外線100nm波長以上是已知材料中具有最高反射性的材料.

2、氧化物類 :三氧化二钇、二氧化铈、氧化鎂、二氧化钛、二氧化矽、一氧化矽、二氧化锆、三氧化二鋁、氧化铪等.

①三氧化二钇

使用電子槍蒸鍍,該材料性能随膜厚而變化,在500nm時折射率約為1.8.用作鋁保護膜其極受歡迎,特别相對于800-12000nm區域高入射角而言,可用作眼鏡保護膜,且24小時暴露于濕氣中.

②二氧化铈

使用高密度的鎢舟皿蒸發,在200°C的基闆上蒸着二氧化铈,得到--個約為2.2的折射率,在大約3000nm有一吸收帶其折射率随基闆溫度的變化而發生顯着變化,用氧離子助鍍可取得n=2.35(500nm)的低吸收性薄膜.

③二氧化钛

折射率為2.21,500nm的透光範圍,由于它的高折射率和相對堅固性,人們喜歡把這種高折射率材料用于防反膜,分光膜,冷光膜,濾光片,高反膜,眼鏡膜,熱反射鏡等.

④二氧化矽

無色透明晶體,熔點高,硬度大,化學穩定性好.純度高,用其制備高質量Si02鍍膜,蒸發狀态好,不出現崩點.按使用要求分為紫外、紅外及可見光用.如果壓力過大,薄膜将有氣孔并且易碎,相反壓力過低薄膜将有吸收并且折射率變大.

⑤二氧化锆

白色重質結晶态,具有高的折射率和耐高溫性能,化學性質穩定,純度高,用其制備高質量氧化锆鍍膜,不出崩點,影響一面平面透鏡的透光度有許多成因.鏡面的粗糙度會造成入射光的漫射,降低鏡片的透光率.此外材質的吸旋光性,也會造成某些入射光源的其中部分頻率消散的特别嚴重.例如會吸收紅色光的材質看起來就呈現綠色.不過這些加工不良的因素都可以盡可能地去除.

⑥氧化铪

在150攝氏度的基闆上有用電子槍蒸着,折射率在2.0左右,用氧離子助鍍可能取和得2.05- -2.1 穩定的折射率,在8000- - 12000NM區HFO2用作鋁保護膜外層好過SiO2.

● 氟化物類 :氟化钍、氟化鎂、铈氟化物、氟化鈣、氟化鋇等.

其中氟化鎂材料特點:無色四方晶系粉末,純度高,用其制備光學鍍膜可提高透過率,不出崩點.

● 其他化合物類:硫化鋅、碲化鉛.

3、氟化物類

①氟化鎂

作為1/4波厚抗反射膜普遍使用來作玻璃光學薄膜,且有大約120NM真實紫外線到大約7000nm的中部紅外線區域裡透過性能良好.

②氟化鈣與氟化鋇

它們的局限性都是缺乏完全緻密性.透過性在高溫時移到更長的波長,所以目前它們隻能用在紅外膜.

③氟化鉛

在UV中可用作高折射率材料,在300nm時N=1.998,該材料與钼钽,鎢舟接觸時折射率将降低,因此需要用鉑或陶瓷皿.

4、其他化合物類

①硫化鋅

折射率為2.35,400-13000m的透光範圍,具有良好的應力和良好的環境耐久性.主要應用于分光膜,冷光膜,裝飾膜,濾光片,高反膜,紅外膜.

②碲化鉛

是一種具有高折射率的IR材料,作為薄膜材料在300--4000NM是透明的,在紅外區N=5.1-5.5,該材料升華,基闆闆溫度250攝氏度是有益的,健康預防是必要的,在高達40000NM時使用效果很好,别的材料常常用在超過普通的14000NM紅外線邊緣.

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