光學鍍膜技術是現(xiàn)代光學的基石，通過在基底表面沉積一層或多層薄膜，實現(xiàn)對光波的精確操控。從消除反射損失到創(chuàng)造特定光譜響應，鍍膜技術已廣泛應用于成像系統(tǒng)、激光工程、光電探測和量子光學等領域。下面我們將系統(tǒng)闡述鍍膜的基本原理、主要類型、材料體系及設計方法，并分析各類材料在不同波段的透過率特性。

一、鍍膜的基本原理

1.1光學薄膜的作用機制

光學薄膜對光的調控主要基于兩種物理機制：干涉效應和材料本征光學響應。

干涉型鍍膜利用多層介質膜中前、后界面反射光的相位差，實現(xiàn)特定波長的相長或相消干涉。其性能由以下參數決定：

光學厚度：nd=n×d(n為折射率，d為物理厚度)

相位條件：Δφ=4πndcosθ/λ

阻抗匹配條件

（蒸發(fā)鍍膜）

本征響應型鍍膜則依賴于材料自身的復折射率特性：

復折射率?=n+iκ

其中κ為消光系數，決定吸收強弱

金屬膜主要依賴此機制實現(xiàn)高反射

（濾光片參數）

1.2關鍵性能參數

透過率T：透射光強與入射光強之比

反射率R：反射光強與入射光強之比

吸收率A：A=1-T-R

光學密度OD：OD=-log??(T)

消光系數κ：表征材料吸收特性

損傷閾值：薄膜能承受的最大功率密度

二、介質鍍膜體系

介質鍍膜由絕緣材料構成，其核心優(yōu)勢在于極低的吸收損耗和靈活的折射率調控能力。

2.1常見介質膜材料及其特性

2.2介質膜的透過率特性

介質膜的透過率由其膜系設計決定，可實現(xiàn)多種功能：

增透膜(AR)

單層增透膜：在中心波長λ?處，nd=λ?/4，反射最小

理論最小反射率：R_min = [(n? - n_f2/n_s)/(n? + n_f2/n_s)]2

V型增透膜：在特定波長達到較低反射（通常<0.5%），帶寬較窄。

寬波段增透膜：覆蓋整個可見光譜（如400-700nm），平均反射率可降至約0.3-0.8%

示例：MgF?單層膜可使普通玻璃在550nm處反射從約4%降至1.2-1.8%

（1550雙面增透窗口片）

高反射膜(HR)

基于λ/4膜堆：HLHL...或(LH)^m，其中H、L分別代表高、低折射率層

反射帶寬：Δλ/λ=(4/π)arcsin[(n_H-n_L)/(n_H+n_L)]

反射率隨層數增加，15-25層介質膜在中心波長處的反射率通?？蛇_99.5%以上：

示例：TiO?/SiO? 15層膜堆在632.8nm處反射率一般>99.5%

（650反射鏡）

帶通濾光片

法布里-珀羅結構：Sub|HLHL H 2L H LHLH|Air

帶寬由間隔層光學厚度和反射膜反射率決定

（法布里-珀羅諧振腔）

窄帶濾光片半寬通常為1-10nm量級

短波通和長波通濾光片基于截止效應設計，過渡區(qū)陡度與層數相關

（510分光鏡）

分光鏡

中性分光鏡：在寬光譜范圍內保持相對恒定的透射反射比

二向色分光鏡：特定波段高透射，互補波段高反射

偏振分光鏡：利用薄膜的偏振特性分離s光和p光

三、金屬鍍膜體系

金屬鍍膜依靠材料內部的自由電子氣與光相互作用，提供寬譜高反射性能。

3.1主要金屬膜材料

3.2金屬膜的透過率特性

金屬膜的透過率通常極低，遵循Drude自由電子模型：

復介電函數：ε(ω)=ε∞-ω_p2/(ω2+iγω)

其中ω_p為等離子體頻率，γ為阻尼系數

反射率：R=|(?-1)/(?+1)|2

趨膚深度：δ=c/√(2ωμσ)≈λ/4πκ

典型金屬膜的反射/透射特性：

鋁膜

200-300nm：反射率80-88%（重要的紫外反射材料）

400-700nm：反射率86-92%（隨波長增加而增加）

1μm：反射率>92%

厚度>80nm時，可見光透過率通常<0.5%

保護層：通常鍍SiO?或Al?O?保護層防止氧化，厚度約50-100nm

（鋁反射鏡）

銀膜

400-500nm：反射率94-96%

500-700nm：反射率96-98%

10μm：反射率>98%

最薄的連續(xù)銀膜(約15nm)透過率一般<10%

保護設計：通常采用介質-金屬-介質三明治結構，如Glass|TiO?|Ag|TiO?

（銀反射鏡）

金膜

<500nm：強吸收，反射率<50%

600nm：反射率約88-92%

700nm：反射率>96%

10μm：反射率>98%

20-30nm金膜在紅外區(qū)有一定透過(約1-10%)，用于輻射熱測量計

（鍍金反射鏡）

金屬-介質復合膜

為提高金屬膜耐久性和性能，常采用復合結構：

保護層：在金屬膜上加Al?O?、SiO?保護層防氧化（如：玻璃|Al?O?|Al|Al?O?）

增強反射：在金屬膜上加λ/4介質層可增強特定波長反射率約2-5%

半透半反膜：通過控制金屬膜厚度（通常10-30nm）實現(xiàn)特定的透射/反射比（如T:R = 30:70）

（藍膜反射鏡）

四、特殊功能鍍膜

4.1半導體鍍膜

半導體材料在特定波段表現(xiàn)出獨特的可調光學性質：

鍺(Ge)膜

折射率：~4.0@10μm

透明窗口：2-14μm（中遠紅外）

截止特性：<1.8μm強烈吸收（本征吸收邊）

應用：紅外增透膜、熱成像鏡頭、紅外分光鏡

透過率特性：在3-5μm和8-12μm窗口，2mm厚基底無鍍膜時透過率約45-50%；鍍制增透膜后可達95%以上

沉積方法：通常采用電子束蒸發(fā)，需控制晶粒尺寸和應力

硅(Si)膜

折射率：~3.5@10μm

透明窗口：1.2-8μm

應用：紅外光學、太赫茲器件、太陽能電池

摻雜可調控其電學和光學性質

碲化鉛(PbTe)膜

折射率：~5.5@4μm

透明窗口：3.5-5μm

用于3-5μm中波紅外探測器窗口及膜系

沉積需控制化學計量比

硫化鉛(PbS)膜

折射率：~4.0@3μm

用于近紅外探測器

可制備為多晶薄膜

4.2透明導電氧化物(TCO)膜

兼具導電性和一定透明度的特殊薄膜：

氧化銦錫(ITO)

透明波段：0.35-1.5μm

可見光平均透過率：通常>80%

方塊電阻：10-100 Ω/□

載流子濃度：102?-1021 cm?3

應用：觸摸屏、顯示器電極、透明加熱元件、電磁屏蔽

摻鋁氧化鋅(AZO)

可見光平均透過率：通常>80%

方塊電阻：50-200 Ω/□

成本較低，性能接近ITO，環(huán)保性更好

摻氟氧化錫(FTO)

可見光平均透過率：>75%

化學穩(wěn)定性極佳

主要用于太陽能電池和建筑玻璃

4.3金剛石和類金剛石(DLC)膜

硬度：HV 2000-5000（取決于sp3/sp2比例）

透明波段：0.2-20μm，具體取決于成分和結構

折射率：2.0-2.4（可見光區(qū)）

導熱系數：高，優(yōu)于大多數光學材料

激光損傷閾值：較高，適用于高功率應用

應用：保護窗口、刀具涂層、軸承表面、生物相容性涂層

4.4 光學超構表面

新興的亞波長結構鍍膜技術：

基本原理：通過設計亞波長尺度（通常<λ/2）的結構陣列，調控光波的相位、振幅和偏振

典型結構：納米柱、納米孔、V形天線等

材料：Si、GaN、TiO?、α-Si等高折射率材料

結構高度：通常100-500nm，與工作波長相關

工作波段：從紫外到太赫茲均有應用

典型效率：通常在60-90%之間，取決于設計和制備精度

功能：異常折射/反射、偏振轉換、聚焦、全息成像等

制備方法：電子束光刻、納米壓印、自組裝等

4.5 光學非線性薄膜

χ2非線性膜：用于頻率轉換（倍頻、和頻）

材料：LiNbO?、KTP、BBO等單晶薄膜

制備：晶圓鍵合、離子切片等

χ3非線性膜：用于光開關、限幅器

材料：半導體摻雜玻璃、有機聚合物、石墨烯等

應用：集成光子學、量子光源

五、鍍膜材料的光譜透過率綜合分析

5.1紫外波段(100-400nm)

高透過材料：

MgF?：從約120nm起透，190nm處透過率通常>85%，是深紫外最常用材料

LiF：從約105nm起透，是截止波長最短的光學材料，但極易潮解

CaF?：從約130nm起透，透過率較高，機械性能優(yōu)于LiF

BaF?：從約135nm起透，耐輻射性能好

SiO?：從約180nm起透，185nm處透過率約50%

Al?O?：從約150nm起透，硬度高，耐磨損

（紫外反射鏡）

紫外高反射材料：

Al：200-400nm反射率約80-90%，是此波段最佳金屬反射材料

MgF?/Al復合膜：可提升鋁膜耐久性和反射率約2-5%

多層介質膜：基于LaF?/MgF?等材料組合，可實現(xiàn)>95%的窄帶高反射

增強型鋁膜：Al+MgF?保護層，在250nm處反射率可達約88%

（BP450+AR可見光增透濾光片）

5.2可見光波段(400-700nm)

標準增透膜材料組合：

單層MgF?膜：在中心波長處反射率可降至約1.2-1.8%，帶寬較窄

雙層增透膜（如ZrO?/MgF?）：平均反射率可降至約0.6-1.2%，帶寬增加

三層寬帶增透膜：在400-700nm范圍內平均反射率可達0.3-0.8%

寬帶增透膜典型結構：玻璃|TiO?|Al?O?|SiO?或類似組合

（透綠反藍二向色鏡）

彩色分光膜：

熱鏡（反射紅外透過可見）：可見光平均透過率通常>85%，紅外反射率>90%

冷鏡（反射可見透過紅外）：可見光反射率>90%，紅外平均透過率>80%

二向色鏡：在45°入射下，特定波長反射率>90%，互補波段透過率>85%

中性分光鏡：50/50分光比，在可見光區(qū)不均勻性通常<5%

減反射與防眩光膜：

通過設計表面微結構或梯度折射率層實現(xiàn)

可將反射率降至0.1%以下

同時改善成像對比度和透光率

5.3近紅外波段(0.7-2.5μm)

增透材料：

SiO?、Al?O?、MgF?仍保持高透明（透過率通常>95%）

Si、Ge開始透明（Si從~1.2μm，Ge從~1.8μm）

Y?O?、Sc?O?等稀土氧化物在此波段有良好透過性

（1.15μm紅外濾光片）

高反射材料：

Ag：此波段反射率通常>96%

Au：>1μm后反射率約97-99%

介質高反膜：TiO?/SiO?或Ta?O?/SiO?膜堆反射率通常>99%

寬帶高反膜：組合不同中心波長的膜堆，可覆蓋寬達數百納米的波段

近紅外濾光片：

短波通：截止波長通常在0.7-1.1μm，用于消除可見光

長波通：起始波長0.8-1.5μm，用于分離近紅外信號

帶通：中心波長780nm、850nm、940nm等，用于夜視、傳感

5.4中波紅外(3-5μm)

關鍵材料：

Ge：折射率~4.0，無鍍膜時透過率約45-50%，是此波段最重要材料

Si：折射率~3.4，無鍍膜時透過率約50-55%，導熱性好

ZnS：透過率通常>70%，機械性能好，耐磨損

ZnSe：透過率>65%，吸收低于ZnS

GaAs：透過率約50-55%，導熱性優(yōu)異

AMTIR-1（Ge??As??Se??）：透過率約60-65%，色散低

增透效果與膜系：

單層λ/4膜：鍍制后透過率可提升至約85-90%

雙層膜：YF?/ZnS或ThF?/ZnS組合，透過率可達90-95%

寬波段增透：三層膜系可在3-5μm范圍實現(xiàn)平均透過率>92%

典型膜料組合：Ge上鍍ZnS/Ge/ZnS或YF?/ZnS/YF?

（紅外硅片）

中波紅外濾光片：

帶通濾光片：中心波長通常為3.8μm、4.3μm、4.6μm等

窄帶濾光片：帶寬50-200nm，用于氣體檢測

長波通：截止波長2.5-3.5μm，用于熱成像系統(tǒng)

5.5長波紅外(8-12μm)

核心材料：

Ge：依然是最重要材料，n=4.0，吸收開始增加

ZnSe：透過率>65%，CO?激光(10.6μm)首選

GaAs：透過率>55%，高導熱

CdTe：透過率>60%，用于熱成像

AMTIR(Ge??As??Se??)：非晶態(tài)，低色散

（長波紅外濾光片）

增透設計挑戰(zhàn)與方案：

單層λ/4膜：可將透過率提升至約75-85%

雙層膜：如Ge上鍍ZnS/YF?組合，透過率可達90-95%

寬波段設計：三層膜系在8-12μm范圍平均透過率通常>92%

梯度折射率膜：通過成分漸變實現(xiàn)更寬波段增透

5.6遠紅外/太赫茲(>20μm)

特殊材料需求：

聚合物薄膜：聚乙烯、聚丙烯

晶體：金剛石、Si、Ge

金屬網柵：替代連續(xù)金屬膜，提高透過率

超構表面：實現(xiàn)傳統(tǒng)材料無法達到的性能

長波紅外濾光片：

大氣窗口濾光片：8-12μm寬帶，用于熱成像

窄帶濾光片：中心波長9.6μm（臭氧吸收）、10.6μm（CO?激光）等

雙色濾光片：同時透過3-5μm和8-12μm，用于雙波段探測

六、鍍膜設計與制備技術

6.1 設計方法

解析法：適用于簡單λ/4膜系設計，如單層、雙層增透膜

等效層理論：將多層膜等效為單一膜層，簡化設計過程

數值優(yōu)化法：用于復雜膜系，常用方法包括：

漸變優(yōu)化法（Needle法）：在膜系中插入薄層逐步優(yōu)化

遺傳算法：模擬自然選擇過程優(yōu)化膜系

模擬退火算法：基于統(tǒng)計力學原理的全局優(yōu)化方法

這些方法可將膜系性能優(yōu)化至理論極限的95%以上

商用設計軟件：如FilmStar、TFCalc、Essential Macleod、OptiLayer等，提供完整的設計、分析和優(yōu)化環(huán)境

（蒸發(fā)鍍膜）

6.2制備工藝

物理氣相沉積(PVD)：

熱蒸發(fā)：膜層密度較低，折射率可能略低于塊材，但工藝簡單，成本低

電子束蒸發(fā)：膜層較致密，可蒸發(fā)高熔點材料，折射率接近塊材

離子束輔助沉積(IAD)：顯著提高膜層密度和穩(wěn)定性，減少水汽吸收

磁控濺射：膜層最致密，附著力強，但可能引入較大應力

離子鍍：結合蒸發(fā)和等離子體離化，膜層質量高，附著力好

（電子束蒸發(fā)鍍膜）

化學氣相沉積(CVD)：

等離子體增強CVD(PECVD)：可在較低溫度（200-400°C）沉積，適合溫度敏感基底

原子層沉積(ALD)：膜層最均勻，厚度控制最精確（單原子層精度），但沉積速率較慢

溶膠-凝膠法：成本低，適合大面積和復雜形狀，但膜層密度較低

（化學氣相沉積CVD）

沉積工藝對膜層性能的影響：

折射率：通常為塊材值的95-99%

吸收：優(yōu)質工藝可使吸收降至10??量級

散射：與膜層粗糙度和結晶狀態(tài)相關

應力：壓縮應力或拉伸應力，影響膜層耐久性

6.3 膜層表征與典型指標

光譜性能：透過率/反射率測量，通常在理論設計值的95-99%范圍內

厚度均勻性：良好工藝下可達±1-3%，精密光學要求±0.5%以內

折射率與消光系數：通過橢偏儀或光譜法測量

表面粗糙度：原子力顯微鏡（AFM）測量，優(yōu)質膜層RMS粗糙度<1nm

附著力：通過標準膠帶測試（ASTM D3359）

硬度與耐磨性：鉛筆硬度測試、摩擦測試等

環(huán)境耐久性：通過溫度循環(huán)（如-40°C至+80°C，循環(huán)多次）、濕度測試（如95%RH，48小時）、鹽霧測試等

激光損傷閾值：對于激光薄膜是關鍵指標，與材料、設計和工藝密切相關

七、發(fā)展趨勢與前沿應用

7.1 智能與動態(tài)鍍膜

電致變色膜：透過率可在約20-80%范圍內調節(jié)，響應時間秒至分鐘量級

材料：WO?（陰極著色）、NiO（陽極著色）

應用：智能窗、防眩光后視鏡、顯示器件

熱致變色膜：VO?薄膜在相變溫度（約68°C）附近紅外反射率顯著變化

應用：智能節(jié)能窗、熱控涂層

光致變色膜：透過率隨光照強度變化，變化幅度通常為30-60%

材料：AgCl、螺吡喃、二芳基乙烯等

應用：自調光眼鏡、光存儲、光開關

液晶調光膜：通過電場控制液晶排列改變透過率

響應時間：毫秒量級

應用：隱私玻璃、投影屏幕

7.2 超低損耗鍍膜

離子束濺射制備的SiO?/Ta?O?膜堆：散射損耗可達10-50 ppm量級

超低吸收膜：吸收損耗<5 ppm，用于高精密干涉儀

應用領域：

引力波探測（如LIGO的鏡面涂層）

光學頻率梳

高精細度法布里-珀羅腔

量子光學實驗

7.3 多功能集成鍍膜

自清潔+增透：TiO?基薄膜，可見光透過率>85%，同時具光催化活性，分解有機污染物

防霧+增透：親水/疏水納米結構表面，防止水汽凝結

抗反射+抗靜電：透明導電層與增透膜結合

電磁屏蔽+透明：金屬網柵與介質復合，可見光透過率>75%，屏蔽效能>20dB

耐磨+增透：類金剛石膜與增透膜結合，提高表面硬度

7.4 極端環(huán)境鍍膜

空間光學鍍膜：需耐受真空、紫外輻照、原子氧侵蝕、溫度交變等

材料選擇：通常采用氧化物而非氟化物（耐輻照更好）

設計考慮：考慮零重力環(huán)境下的應力釋放

高功率激光鍍膜：損傷閾值可達10-50 J/cm2（納秒脈沖，1064nm）

關鍵因素：膜料純度、缺陷控制、界面設計

測試標準：ISO 21254激光損傷閾值測試

高溫保護膜：可在800°C以上長期穩(wěn)定工作

材料：Al?O?、Y?O?、HfO?等難熔氧化物

應用：航空發(fā)動機熱障涂層、高溫傳感器窗口

耐腐蝕鍍膜：用于海洋環(huán)境、化工環(huán)境

材料：Cr、Ni基合金、貴金屬膜

結構設計：多層密封結構防止腐蝕介質滲透

7.5 仿生與微納結構鍍膜

蛾眼結構：亞波長抗反射結構，寬波段低反射

結構：錐形納米陣列，高度200-500nm

性能：在400-1000nm波段反射率<1%

結構色：通過微納結構產生顏色，無需染料

原理：光干涉、衍射或等離子體共振

應用：防偽標簽、裝飾涂層、傳感器

超疏水表面：模仿荷葉表面的微納結構

接觸角>150°，滾動角<10°

應用：自清潔表面、防冰涂層、微流體器件

7.6 可穿戴與柔性光學鍍膜

柔性基底鍍膜：在PET、PI等聚合物基底上沉積光學膜

挑戰(zhàn)：基底熱穩(wěn)定性差、表面能低

解決方案：低溫沉積工藝、預處理改善附著力

可拉伸光學膜：用于可穿戴設備、柔性顯示器

材料：彈性體基底上的納米復合材料

功能：可承受一定程度的拉伸和彎曲

光學鍍膜技術通過精確控制材料在納米尺度的堆積，實現(xiàn)了對光波前所未有的調控能力。從經典介質膜到功能復合材料，從可見光到太赫茲波段，鍍膜技術持續(xù)推動著光學系統(tǒng)的性能邊界。實際應用中，膜系的性能通常在理論極限的90-98%之間，具體取決于材料選擇、制備工藝和設計優(yōu)化。理解各類鍍膜材料的典型透過特性及其設計原理，是開發(fā)高性能光學器件的基礎，也是光學工程領域持續(xù)創(chuàng)新的關鍵所在。

未來發(fā)展趨勢表明，光學鍍膜正朝著以下方向發(fā)展：

更高性能：超低損耗、超高損傷閾值、更寬工作波段

更多功能：多功能集成、智能化響應、動態(tài)調控

更廣應用：從傳統(tǒng)光學擴展到能源、生物、信息等領域

更精制造：原子級精度控制、大面積均勻沉積、三維結構制備

更綠環(huán)保：無有害材料、低能耗工藝、可回收設計

隨著新材料發(fā)現(xiàn)、制備技術進步和設計方法創(chuàng)新，鍍膜技術必將在未來光學系統(tǒng)和光電設備中發(fā)揮更加重要的作用，為人類認識世界和改造世界提供更強大的工具。