超寬帶減反射膜的設(shè)計(jì)與制備研究

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專(zhuān)業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國(guó)科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

摘要：本文聚焦于超寬帶減反射膜的設(shè)計(jì)與制備。首先闡述了超寬帶減反射膜在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用及研究背景，接著詳細(xì)分析了其設(shè)計(jì)原理，包括基于多層膜干涉理論的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以及引入梯度折射率概念的**設(shè)計(jì)思路。在制備技術(shù)方面，探討了電子束蒸發(fā)、原子層沉積、傾斜沉積等多種技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，成功制備出具有特定性能的超寬帶減反射膜，并對(duì)其性能進(jìn)行了**表征。研究結(jié)果為超寬帶減反射膜在高功率激光系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了重要參考。

一、引言

在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，如高功率激光裝置、高性能光學(xué)成像設(shè)備、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)等，對(duì)光學(xué)元件的透過(guò)率要求極高。表面反射會(huì)導(dǎo)致光能損失，降低系統(tǒng)效率，同時(shí)反射光還可能引發(fā)雜散光干擾，影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量或工作穩(wěn)定性。超寬帶減反射膜能夠在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有效降低光學(xué)元件表面的反射率，顯著提高系統(tǒng)的光學(xué)性能，因此成為光學(xué)薄膜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

二、超寬帶減反射膜的設(shè)計(jì)原理

2.1 多層膜干涉理論

傳統(tǒng)的寬帶減反射膜常基于多層膜干涉原理設(shè)計(jì)，通過(guò)高低折射率材料交替疊加形成膜系。根據(jù)菲涅爾公式，當(dāng)光在不同折射率介質(zhì)界面?zhèn)鬏敃r(shí)，反射光和折射光的振幅和相位會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)**控制各膜層的厚度和折射率，使各層反射光在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)相互干涉相消，從而實(shí)現(xiàn)減反射效果。然而，這種方法能實(shí)現(xiàn)的減反射帶寬受限于材料折射率和膜系結(jié)構(gòu)，難以滿足超寬帶（如從可見(jiàn)光到近紅外甚至更長(zhǎng)波段）的減反射需求。

2.2 梯度折射率設(shè)計(jì)

為突破傳統(tǒng)多層膜的局限，引入梯度折射率概念。通過(guò)制備具有連續(xù)變化折射率的膜層，使光在膜層中傳播時(shí)，折射率逐漸過(guò)渡，減少因折射率突變引起的反射。理想情況下，當(dāng)膜層折射率從空氣折射率連續(xù)漸變到基底材料折射率時(shí)，理論上可實(shí)現(xiàn)全波段的零反射。實(shí)際中，可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)梯度折射率，如傾斜沉積過(guò)程中**調(diào)控孔隙率，使膜層從高孔隙率（低折射率）到低孔隙率（接近材料本征折射率）漸變；或采用特定工藝在材料中引入納米級(jí)孔隙，人為降低材料的有效折射率并實(shí)現(xiàn)梯度分布。

三、超寬帶減反射膜的制備技術(shù)

3.1 電子束蒸發(fā)技術(shù)

3.2 原子層沉積技術(shù)

原子層沉積（ALD）技術(shù)具有厚度**控制、膜層質(zhì)量高、可在復(fù)雜形狀表面實(shí)現(xiàn)共形生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在超寬帶減反射膜制備中，ALD 可**控制膜層厚度和成分，尤其適用于制備納米疊層結(jié)構(gòu)的膜層。通過(guò)控制 ALD 循環(huán)次數(shù)，可**調(diào)控納米疊層子層厚度。然而，納米疊層的超薄子層厚度和多界面問(wèn)題使得基于納米疊層的高光學(xué)性能薄膜研制**挑戰(zhàn)，對(duì)于寬帶減反射薄膜這種對(duì)膜層厚度和折射率敏感的膜系更是如此 。

3.3 傾斜沉積技術(shù)

傾斜沉積過(guò)程中，由于自遮蔽效應(yīng)，沉積粒子在基底表面的沉積角度不同，導(dǎo)致膜層具有孔隙率梯度，從而可實(shí)現(xiàn)折射率在空氣和近材料本征折射率范圍內(nèi)的任意調(diào)控，為超寬帶減反射薄膜的研制提供了很大靈活性。但傾斜沉積存在明顯的膜厚不均勻性問(wèn)題，嚴(yán)重降低了薄膜的實(shí)用性。為解決這一問(wèn)題，有課題組設(shè)計(jì)了基于 SiO?膜折射率調(diào)控范圍的非連續(xù)梯度旋轉(zhuǎn)方案，結(jié)合電子束傾斜沉積技術(shù)，成功研制出厚度均勻的高性能 SiO?梯度折射率寬帶減反射膜 。

四、實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

選用熔融石英作為基底材料，因其具有良好的光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。蒸發(fā)源材料包括 SiO?（低折射率材料）和 TiO?（高折射率材料）等。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有高真空電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)、原子層沉積系統(tǒng)、光譜儀、掃描電子顯微鏡（SEM）等。

4.2 膜系設(shè)計(jì)與制備

根據(jù)梯度折射率設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一種由底部多層干涉疊層和頂部具有梯度低折射率分布的納米結(jié)構(gòu)層組成的超寬帶減反射膜系。首先采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在熔融石英基底上交替沉積 SiO?和 TiO?多層干涉疊層，**控制各層厚度以滿足干涉相消條件。然后，利用傾斜沉積技術(shù)在多層干涉疊層頂部制備具有梯度孔隙率的 SiO?納米結(jié)構(gòu)層，通過(guò)控制沉積角度和時(shí)間來(lái)調(diào)控孔隙率梯度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)折射率梯度分布。

關(guān)于我們

上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專(zhuān)業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國(guó)科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

  卷柔減反射(AR)玻璃的特點(diǎn):高透,膜層無(wú)色,膜硬度高,抗老化性強(qiáng)(耐候性強(qiáng)于玻璃),玻璃長(zhǎng)期使用存放不發(fā)霉,且有一定的自潔效果.AR增透減反膜玻璃產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于**文博展示、低反射幕墻、廣告機(jī)玻璃、節(jié)能燈具蓋板玻璃、液晶顯示器保護(hù)玻璃等多行業(yè)。
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    上海卷柔科技以現(xiàn)代鍍膜技術(shù)為核心驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)鍍膜設(shè)備、鍍膜加工、光學(xué)鍍膜產(chǎn)品服務(wù)于客戶，努力為客戶創(chuàng)造新的利潤(rùn)空間和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為中國(guó)的民族制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。