淺談增透膜的原理與制備
淺談增透膜的原理與制備
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
關于增透膜
光學鍍膜用于增強光學組件的透射、反射或偏振特性。光學薄膜根據不同性質及用途，分類的方式也不同，如圖1所示。增透膜又稱減反射膜，用于降低光學器件表面的反射率，從而提高器件的透射率，作為發展歷史*久、應用*廣的光學薄膜，對生產實踐具有重要意義。在復雜光學系統中，鏡片數目眾多，若在與空氣相鄰的表面未鍍制增透膜，導致光能量的損失，降低成像亮度。另外鏡片表面因反射形成的雜散光到達像面，影響了成像質量。
圖1：光學薄膜用途【1】
隨著應用需求的不斷提升，增透膜的要求隨之越來越高，例如在大功率激光系統中，為避免高能量激光破壞光學元件，要求表面的反射率極低。在寬波段探測系統中，為達到提高像平衡、成像質量、探測距離的要求，更寬波段的增透膜需求廣泛。寬帶增透膜(Broadband Anti-Reflection Coating)廣泛應用于光學元件，如透鏡、濾光器、激光器和太陽能電池板等。
增透膜原理
增透膜指根據薄膜干涉原理制成的使反射光減弱的透明薄膜。當光射到媒質的分界面上時,在一般情況下，反射光和折射光同時存在。理論研究指出，在垂直人射的情況下,單層膜的反射率為:
其中n1為膜的折射率，n0和ns分別為膜兩側媒質折射率，d為膜的厚度。
當膜的光學厚度為λ0/4的奇數倍時，帶入公式計算。此時光垂直入射于膜上，膜上表面和下表面反射的兩束光強度相等，相位相反產生相消干涉，使反射光消失，透射光增強[2]。
增透膜類型
目前應用較為簡單的增透膜一般為單層膜，而較廣泛的則是雙層或者多層膜。單層增透膜只能使某一波長附近的反射率降低，而多層增透膜則可以使某一波段具有很低的反射率。但這并不意味著減反射膜層越多鏡片的透光率就越高，因為多層減反射膜層是一個系統，簡單增加膜層的數量無益于減反射效果的提高，它還與膜層厚度的設計、膜層材料的選擇等因素有密切的聯系，同時相消干涉原理主要以幾個不同界面反射回來光波相互重疊，*終使反射波的相位和振幅相互抵消。
單層增透膜
單層增透膜的結構比較簡單，主要在玻璃的空氣面加鍍單一的膜層。理想的單層增透膜的條件是:膜層的光學厚度為λ0/4，其折射率為人射媒質的折射率與基片折射率兩者乘積的平方根。在可見光的基片材料，例如未鍍膜的鈉鈣硅酸鹽玻璃折射率為 1.52。在不鍍膜的情況下，每一面的反射率都超過 6%。根據理論計算，單層增透膜要完全增透，要求該膜的折射率為1.23.目前，廣泛使用的低折射率鍍膜材料是氟化鎂，它在550nm處的折射率為1.38，對鈉鈣硅酸鹽玻璃是不能夠完全消失反射的。
當膜層厚λ0/4時,以空氣折射率n=1，玻璃折射率n=1.52，膜折射率n=1.38。可以看出，此時的剩余反射率R=1.3%。與多層膜相比，單層增透膜的優點是可以用同樣的膜層材料鍍在不同折射率的玻璃上。雖然單層薄膜增透效果不很理想，但由于制備工藝簡單，故得到廣泛的使用。例如太陽能光伏玻璃在400-1100nm的平均透過率近92%，利用單層增透膜 MgF2采用高真空高溫條件在太陽能光伏玻璃上表面沉積后，在400~1100nm平均透過率大于94%，透過率提高2%以上。
圖2：單層增透膜
雙層增透膜
單層增透膜的剩余反射一般較高，不能滿足復雜的光學系統要求。此時需采用雙層增透膜或多層增透膜。*簡單的雙層增透膜是“λ0/4-λ0/4”膜系，在基片上先鍍上一層折射率n2高于基片的λ0/4膜層，然后再鍍上λ0/4厚的低折射率n1膜層。當薄膜折射率 n2滿足下式時:
其中，n1為**層膜層折射率；ng為基片折射率；ns為媒介折射率。此時膜系中心波長反射率為零。雙層增透膜一般可應用于視覺光學儀器、激光或其他單色光源系統。
多層介質膜
對于較寬光譜內的低反射要求，一般采用3層或更多層增透膜。常用的3層增透膜是“λ0/4-λ0/2-λ0/4”膜系。較為典型的增透膜膜系為：glass-SiO2/TiO2- TiO2- SiO2。多層膜系在一定的范圍內，反射率可控制在0.6%以下。
增透膜制備
多層增透膜設計及鍍膜工藝比較復雜，制備過程中需要**控制膜層厚度和材料的成分、形貌等，以確保薄膜具有較高的光學透過率和較低的反射率。同時，需要選擇合適的材料，如二氧化硅、氧化鋁等高折射率材料，以實現較高的光學透過率和較低的損耗。寬帶增透膜的低損耗在于可以減少光能的損失，從而提高光學器件的效率和穩定性，特別是對于一些高精度、高要求的光學器件來說，低損耗特性非常重要。圖3顯示了薄膜制備技術的分類。
圖3：薄膜制備技術[1]
對于化學氣相沉積法：2023年，Li Zhaoyi等采用低壓化學氣相沉積法制備氮化硅波導具有更低的損耗和更好的工藝重復性。使用類似于銅互連CMOS工藝的霧狀花紋方法在8英寸硅片上成功制備了400 nm厚的氮化硅波導，并證明了在1550 nm處的傳播損耗僅為0.157 dB/cm，在1580 nm處的傳播損耗僅為0.06 dB/cm[3]。
圖4： (a) 已完成的8英寸晶圓，(b) 氮化硅芯片，(c) 半自動測試平臺，(d) 用于測試的螺旋和彎曲波導的布局設計[3]。
對于溶膠凝膠法：2023年，沈斌等[4]采用溶膠凝膠法制備得到以正丙醇鋯和正硅酸乙酯為前驅體的ZrO2和SiO2溶膠，通過TFCalc光學薄膜軟件模擬了ZrO2/SiO2三層“寬M型”基頻二倍頻減反膜并使用提拉法制備得到了該均勻膜層。三層減反膜在527 nm和1053 nm處的透過率約為99.5%，且透過率大于99%的波長范圍均超過150 nm。經熱處理后的膜層表面均方根粗糙度為1.34 nm，表面平整性良好；并運用1-on-1激光損傷閾值測試方法測得該減反膜的零幾率激光損傷閾值達到36.8 J?cm?2 (1064 nm,10.7 ns)。
圖5：基底三層減反膜的SEM 圖。（a）ZrO2表面；（b）SiO2-MR 表面；（c）SiO2-AR 表面；（d）截面圖[4]
對于物**相沉積法：2022年，Addie Ali J等[5]利用磁控濺射技術合成一種非晶氮化碳CNx薄膜，作為用于c-Si太陽能電池的新型雙功能增透膜(ARC)。通過測量反射率、光電轉換效率和外部量子效率，研究了CNx薄膜的性能。在550 nm波長處的*小反射率為0.3%，在寬波長范圍內實現的外部量子效率超過90%
圖6：不同襯底溫度和沉積時間下沉積的 CNx 薄膜的光學特性。(a) 在不同襯底溫度下沉積在玻璃襯底上的薄膜的光學透射光譜，插圖顯示了薄膜的可見光透明度。(b) 不同襯底溫度下沉積的 CNx 薄膜的 Tauc 曲線。插圖表示光學帶隙隨襯底溫度的變化。(c) 不同襯底溫度下沉積的 CNx 薄膜的折射率隨波長的變化。(d) 在 200 °C 下不同沉積時間（層厚度）沉積的薄膜的反射光譜，同時給出了裸硅片的參考反射光譜[5]
制備薄膜是一項重要的技術，化學氣相沉積、溶膠–凝膠法和物**相沉積法是三種常見的增透膜制備技術。雖然它們都可以制備高質量的薄膜，但它們之間存在差異，包括制備成本、生產效率和薄膜質量等方面。因此，在選擇合適的薄膜制備技術時，需要仔細考慮這些因素。圖7對這三種技術進行詳細對比分析。
圖7：三種薄膜制備技術對比[1]
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
采用德國薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴格工藝標準的閉環式流程技術制備體系，能夠制備各種超高性能光學薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating,激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜，應用領域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫用激光器、光學科研，紅外制導、面部識別、VR/AR應用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫框，工業燈具照明，廣告機，點餐機，電子白板，安防監控等。卷柔新技術擁有自主知識產權的全自動生產線【sol-gel溶膠凝膠法鍍膜線】，這條生產線能夠生產全球先進的減反射玻璃。鍍膜版面可達到2440*3660mm，玻璃厚度從0.3mm到12mm都可以,另外針對PC,PMMA方面的增透膜也具有量產生產能力。ARcoating減反膜基本接近無色,色彩還原性好，并且可以避免了磁控濺射的缺點，鍍完增透膜后玻璃可以做熱彎處理和鋼化處理以及DIP打印處理。這個難度和具有很好的應用性，新意突出，實用性突出，濕法鍍膜在價格方面也均優于真空磁控的干法。
卷柔減反射(AR)玻璃的特點:高透,膜層無色,膜硬度高,抗老化性強(耐候性強于玻璃),玻璃長期使用存放不發霉,且有一定的自潔效果.AR增透減反膜玻璃產品廣泛應用于**文博展示、低反射幕墻、廣告機玻璃、節能燈具蓋板玻璃、液晶顯示器保護玻璃等多行業。
我們的愿景：卷柔讓光學更具價值！
我們的使命：有光的地方就有卷柔新技術！
我們的目標：以高質量的產品，優惠的價格,貼心的服務，為客戶提供優良的解決方案。
上海卷柔科技以現代鍍膜技術為核心驅動力，通過鍍膜設備、鍍膜加工、光學鍍膜產品服務于客戶，努力為客戶創造新的利潤空間和競爭優勢，為中國的民族制造業的發展貢獻力量。
