1   光学薄膜原理

     本篇中，我们将介绍光学薄膜的原理、常用设计软件和镀膜技术方面的内容。

     光学薄膜，之所以能实现增透、高反或者分光等独特的功能，其基本原理就是光的薄膜干涉。薄膜通常由一组或多组高折射率材料层和低折射率材料层交替叠加而成，这些膜层材料一般是氧化物、金属或氟化物，通过设定薄膜的层数、厚度和不同膜层之间的折射率差异，可以调控光束在膜层间的干涉情况，从而获得需要的功能。

     我们以常见的增透膜为例，来说明这一现象，为了最大程度地提高或降低干涉，膜层的光学厚度通常为所使用的光的波长的1/4 (QWOT) 或 1/2 (HWOT)。在下图中，入射介质的折射率为n0，基片的折射率为ns，因此，可以计算获得能够产生干涉相抵f条件的薄膜材料折射率为nf=(nons)^0.5，经膜层上表面反射的光束为R1，经膜层下表面反射的光束为R2，当膜层的光学厚度为1/4波长时，R1与R2的光程差就为1/2波长，且满足干涉条件，从而产生了干涉相消的现象。

     这样一来，反射光束的强度变的非常小，从而实现了增透的目的。

2   光学薄膜设计软件

      为了p于技术人员设计出满足各种特定功能的膜系，人们开发了薄膜设计软件，设计软件集成了常用的镀膜材料及其参数、膜层仿真与优化算法和分析功能，便于技术人员开发和分析各类膜系。常用的膜系设计软件如下：

A、TFCalc

     TFCalc是一个光学薄膜设计和分析的通用工具，可用于设计各种类型的减反、高反、带通、分光、相位等膜系。TFCalc能设计基底双面膜系，单面膜层最多可达5000层，支持膜堆公式输入，并可以模拟各种类型的光照：如锥形光束，随机辐射光束等。其次，软件具有一定的优化功能，可用极值、变分法等方法优化膜系的反射率、透过率、吸收率、相位、椭偏参数等目标。软件集成了各种分还δ埽如反射率、透过率、吸收率、椭偏参数分析，电场强度分布曲线、膜系反射和透过颜色分析，晶控曲线计算，膜层公差与敏感度分析，良率分析等。

     通过输入参数和边界条件，并进行优化，就可以得到满足需求的膜系，操作相对简便，易上手。

B、Essential Macleod

     Essential Macleod 是一套完备的光学薄膜分析与设计的软件包，具有真正的多文档操作界面，它能满足光学镀膜设计中的各种要求，从简单的单层膜到严格的分光膜都可以搞定，也能对波分复用（WDM）和密集波分复用（DWDM）滤波片进行测评，可以从头开始设计也可以优化已有的设计，可以勘测在设计中的误差，功能丰富且强大。

C、OptiLayer

      OptiLayer软件支持光学薄膜的全过程：参数-设计-生产-反演分析，它包括OptiLayer,  OptiChar,

    OptiRE三部分，另有OptiReOpt动态链接库（DLL）可以增强软件的功能。

OptiLayer考察由设计到目标的评价函数，通过优化达到设计目标，并进行预生产误差分析。OptiChar考察在各种薄膜理论中的重要因素下的层材料光谱特性和其实测光谱特性的差异函数，得出较好的切合实际的层材料模型并得出各因素对当前设计的影响，指出用该层材料设计时考察需哪些因素。OptiRE考察设计模型光谱特性和生产后实验测得模型光谱特性，通过こ谭囱莸贸錾产中产生的一些误差，将其反馈到生产过程中去以指导生产。通过动态链接库功能可将以上几个模块联系起来，从而实现薄膜设计到生产等一系列过程中的设计、修改和实时监测等功能。

3   镀膜技术

     按照镀制方式不同，可分为化学镀膜技术和物理镀膜技术两大类。化学镀膜技术主要分为浸镀法和喷n法，该技术污染较大，且膜层性能不佳，逐渐被新一代的物理镀膜技术所取代。物理镀膜是以真空蒸镀、离子镀等方式进行的，真空镀膜是在真空中，把金属、化合物等膜料进行蒸发（或溅射），使它们沉积在待镀膜的基底上的方法。在真空环境下，镀膜设备有更少的杂质，可以防止材料n面的氧化，有利于保证薄膜的光谱均匀性和厚度一致性，因此应用广泛。

    正常情况下，1个大气压约为10的5次方Pa，而真空镀膜所需要的气压一般在10的-3次方Pa及以上，属于高真空镀膜。在真空镀膜中，光学元件表面需要保证很洁净，所以对于加工时的真空腔中也需要很高的洁净度，当前，获得洁净真空环境的方式一般是采用抽真空的方法，常用油扩散泵、分子泵或者冷凝泵来抽取真空，获得高真空环境。油扩散泵需要冷却水和前级泵，体积大，能耗希会给镀膜过程产生污染，分子泵通常需要前级泵来辅助工作，价格昂贵，相比之下，冷凝泵不会产生污染，不需要前级泵，效率高，可靠性好，因此最适合做光学真空镀膜。

     在真空镀膜中，膜料需要被加热到气态的状态，然后沉积到基底表面，形成膜层。根据镀制方式的不同，可以分为热蒸发加热、溅射法加热和离子镀三种类型。

    热蒸发加热通常采用电阻丝或者高频感应的方法来加热坩埚，使坩埚中的膜料受热气化蒸发出来，形成镀膜。

    溅射法加热又分为离子束溅射加热和磁控溅射加热两类方式，离子束溅射加热是通过离子枪发射离子束，离子束以一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子，后者沉积到基底表面即形成薄膜。离子束溅射的主要缺点是轰击到靶面的面积太小，沉积速率一般较低。磁控溅射加热指电子在电场的作用下加速飞向基片，在这个过程中电子与氩嘣子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，靶材中呈中性的靶原子沉积在基片上成膜。磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。

     离子镀是指利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，将蒸发物质沉积在基片上的方法。离子镀是真空蒸发与溅射技术的结合，综合了蒸发与溅射工艺的优点，可为复杂膜系的工件=镀膜。

4   结语

      在本文=，我们首先对光学薄膜的基本原理做了介绍，通过设定薄膜的层数、厚度和不同膜层之间的折射率差异，可以实现光束在膜层间的干涉，从而获得需要的膜层功能。本文接着介绍了常用的膜系设计软件，以使大家对膜系设计有初步的了解。文章的第三部分，我们对镀膜技术做了详细的介绍=重点阐述了实际中应用较多的真空镀膜技术。