超寬帶減反射膜的設計與制備研究

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學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灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務。

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

一、引言

在現(xiàn)代光學系統(tǒng)中，如高功率激光裝置、高性能光學成像設備、太陽能光伏系統(tǒng)等，對光學元件的透過率要求極高。表面反射會導致光能損失，降低系統(tǒng)效率，同時反射光還可能引發(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范圍內(nèi)有效降低光學元件表面的反射率，顯著提高系統(tǒng)的光學性能，因此成為光學薄膜領域的研究熱點。

二、超寬帶減反射膜的設計原理

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計，通過高低折射率材料交替疊加形成膜系。根據(jù)菲涅爾公式，當光在不同折射率介質(zhì)界面?zhèn)鬏敃r，反射光和折射光的振幅和相位會發(fā)生變化。通過**控制各膜層的厚度和折射率，使各層反射光在特定波長范圍內(nèi)相互干涉相消，從而實現(xiàn)減反射效果。然而，這種方法能實現(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（如從可見光到近紅外甚至更長波段）的減反射需求。

2.2 梯度折射率設計

為突破傳統(tǒng)多層膜的局限，引入梯度折射率概念。通過制備具有連續(xù)變化折射率的膜層，使光在膜層中傳播時，折射率逐漸過渡，減少因折射率突變引起的反射。理想情況下，當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，理論上可實現(xiàn)全波段的零反射。實際中，可通過多種方式實現(xiàn)梯度折射率，如傾斜沉積過程中**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孔隙，人為降低材料的有效折射率并實現(xiàn)梯度分布。

三、超寬帶減反射膜的制備技術

3.1 電子束蒸發(fā)技術

3.2 原子層沉積技術

原子層沉積（ALD）技術具有厚度**控制、膜層質(zhì)量高、可在復雜形狀表面實現(xiàn)共形生長等優(yōu)點。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題使得基于納米疊層的高光學性能薄膜研制**挑戰(zhàn)，對于寬帶減反射薄膜這種對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

傾斜沉積過程中，由于自遮蔽效應，沉積粒子在基底表面的沉積角度不同，導致膜層具有孔隙率梯度，從而可實現(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題，嚴重降低了薄膜的實用性。為解決這一問題，有課題組設計了基于 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，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、實驗研究

4.1 實驗材料與設備

選用熔融石英作為基底材料，因其具有良好的光學性能和化學穩(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。實驗設備主要有高真空電子束蒸發(fā)鍍膜機、原子層沉積系統(tǒng)、光譜儀、掃描電子顯微鏡（SEM）等。

4.2 膜系設計與制備

根據(jù)梯度折射率設計思路，設計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，通過控制沉積角度和時間來調(diào)控孔隙率梯度，進而實現(xiàn)折射率梯度分布。

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