一種減反射率降透過(guò)率鍍膜方法

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(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

本論文提出一種減反射率降透過(guò)率的鍍膜方法，旨在滿足特殊光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)光線調(diào)控的需求。通過(guò)設(shè)計(jì)特定的膜系結(jié)構(gòu)，選用合適的鍍膜材料，結(jié)合優(yōu)化的鍍膜工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)光線反射和透射的**控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該鍍膜方法制備的膜層，在目標(biāo)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，反射率可降低至 2% 以下，透過(guò)率可調(diào)控至 30%-50%，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)光線的選擇性吸收與反射，為光學(xué)儀器防護(hù)、光信號(hào)調(diào)控等領(lǐng)域提供了新的技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：減反射率；低透過(guò)率；鍍膜方法；膜系設(shè)計(jì)；光學(xué)調(diào)控

一、引言

在光學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的鍍膜技術(shù)多致力于降低反射率以提高光線透過(guò)率，從而提升光學(xué)設(shè)備的成像質(zhì)量和光能利用率。然而，在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景下，如激光防護(hù)設(shè)備、光信號(hào)衰減器、隱私保護(hù)玻璃等，需要在降低反射率的同時(shí)，有效降低光線的透過(guò)率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的特殊調(diào)控。目前，針對(duì)此類需求的鍍膜技術(shù)研究相對(duì)較少，且現(xiàn)有方法在膜層性能穩(wěn)定性、光譜調(diào)控精度等方面存在一定不足。因此，研發(fā)一種高效、穩(wěn)定的減反射率降透過(guò)率鍍膜方法，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

二、鍍膜原理

2.1 光學(xué)干涉與吸收原理

減反射率降透過(guò)率鍍膜主要基于光學(xué)干涉和材料吸收原理。光學(xué)干涉方面，通過(guò)在基底表面鍍制多層不同折射率和厚度的薄膜，使各膜層反射光之間產(chǎn)生特定的光程差，當(dāng)光程差滿足半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，反射光相互干涉抵消，從而降低反射率。材料吸收原理則是利用具有特定光學(xué)吸收特性的材料，對(duì)特定波長(zhǎng)的光線進(jìn)行吸收，減少光線的透射。通過(guò)合理設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)和選擇鍍膜材料，將光學(xué)干涉和材料吸收特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)反射率降低和透過(guò)率調(diào)控的雙重目標(biāo)。

2.2 膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)減反射率降透過(guò)率的效果，采用多層膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。膜系通常包含高折射率層和低折射率層交替排列，同時(shí)引入具有吸收特性的功能層。高折射率材料如 TiO?、Ta?O?，低折射率材料如 SiO? ，通過(guò)調(diào)整各層的厚度和折射率，優(yōu)化膜系的光學(xué)性能。功能層選用金屬氧化物（如 Fe?O?、CuO）或摻雜半導(dǎo)體材料，這些材料能夠?qū)μ囟úㄩL(zhǎng)的光線產(chǎn)生吸收作用，從而降低透過(guò)率。利用光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)理論計(jì)算和模擬，確定各膜層的參數(shù)，使膜系在目標(biāo)波長(zhǎng)范圍內(nèi)達(dá)到*佳的反射和透射性能。

三、鍍膜材料選擇

3.1 高折射率材料

選用二氧化鈦（TiO?）和五氧化二鉭（Ta?O?）作為高折射率材料。TiO?在可見(jiàn)光和近紅外波段具有較高的折射率（n≈2.3 - 2.5），且化學(xué)穩(wěn)定性良好，成本相對(duì)較低，易于制備成膜。Ta?O?折射率較高（n≈2.1 - 2.2），具有優(yōu)異的硬度和耐磨性，能夠提高膜層的機(jī)械性能，增強(qiáng)膜層的耐用性。

3.2 低折射率材料

二氧化硅（SiO?）是常用的低折射率材料，其折射率約為 1.45，在寬光譜范圍內(nèi)具有良好的透光性和化學(xué)穩(wěn)定性。SiO?與高折射率材料的兼容性強(qiáng)，能夠形成穩(wěn)定的多層膜結(jié)構(gòu)，有助于實(shí)現(xiàn)膜系的光學(xué)性能優(yōu)化。

3.3 吸收功能材料

選擇三氧化二鐵（Fe?O?）和氧化銅（CuO）作為吸收功能材料。Fe?O?在可見(jiàn)光波段具有一定的吸收特性，可通過(guò)調(diào)整其膜層厚度，**控制光線的吸收量。CuO 在近紅外波段表現(xiàn)出良好的吸收性能，適用于需要調(diào)控近紅外光線透過(guò)率的場(chǎng)景。此外，還可采用摻雜半導(dǎo)體材料，如摻雜鎢的氧化釩（VO?:W），通過(guò)摻雜改性，調(diào)節(jié)材料的吸收光譜和吸收強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)光線的高效吸收。

四、鍍膜方法與工藝步驟

4.1 鍍膜方法選擇

采用磁控濺射鍍膜技術(shù)和電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)相結(jié)合的方式。磁控濺射鍍膜技術(shù)能夠**控制膜層的成分和厚度，制備的膜層均勻性好、致密性高，適用于沉積高折射率材料和功能吸收材料。電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)則具有蒸發(fā)速率快、成膜純度高的優(yōu)點(diǎn)，適合用于沉積低折射率材料。兩種技術(shù)結(jié)合，能夠充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量膜層的制備。

4.2 工藝步驟

4.2.1 基底預(yù)處理

選取光學(xué)玻璃、藍(lán)寶石或塑料等合適的基底材料。首先使用去離子水和中性清洗劑對(duì)基底進(jìn)行超聲波清洗，去除表面的油污、灰塵等雜質(zhì)；然后用高純度乙醇進(jìn)行擦拭，進(jìn)一步清潔表面；*后將基底放入真空室中，通過(guò)等離子體清洗處理，提高基底表面活性，增強(qiáng)膜層與基底的附著力。

4.2.2 鍍膜過(guò)程

將預(yù)處理后的基底固定在鍍膜設(shè)備的樣品架上，抽真空至 10?3 Pa 以下。先采用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)沉積低折射率的 SiO?層，控制蒸發(fā)速率和沉積時(shí)間，**控制膜層厚度。接著切換至磁控濺射鍍膜技術(shù)，依次沉積高折射率材料（TiO?、Ta?O?）和吸收功能材料（Fe?O?、CuO 或摻雜半導(dǎo)體材料）。在濺射過(guò)程中，**控制濺射功率、氣體流量、基底溫度等參數(shù)，確保膜層的均勻性和質(zhì)量。根據(jù)膜系設(shè)計(jì)要求，重復(fù)交替沉積各層薄膜，直至完成整個(gè)膜系的制備。

4.2.3 后處理

鍍膜完成后，對(duì)樣品進(jìn)行熱處理。將樣品放入高溫退火爐中，以 5℃/min 的升溫速率加熱至 300 - 400℃，保溫 1 - 2 小時(shí)后隨爐冷卻。熱處理能夠消除膜層內(nèi)應(yīng)力，改善膜層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高膜層的光學(xué)性能和機(jī)械性能。此外，還可對(duì)膜層進(jìn)行化學(xué)鈍化處理，在膜層表面形成一層鈍化膜，增強(qiáng)膜層的化學(xué)穩(wěn)定性和抗腐蝕能力。

五、性能測(cè)試與分析

5.1 反射率測(cè)試

使用分光光度計(jì)在 200 - 2000nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)鍍膜樣品進(jìn)行反射率測(cè)試。結(jié)果顯示，在目標(biāo)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，未鍍膜基底的平均反射率約為 8%，而采用本方法鍍膜后的樣品，平均反射率可降低至 2% 以下，有效減少了光線的反射損失，實(shí)現(xiàn)了低反射率的目標(biāo)。

5.2 透過(guò)率測(cè)試

同樣利用分光光度計(jì)測(cè)試樣品的透過(guò)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整膜系中吸收功能材料的種類和厚度，可將樣品的透過(guò)率在 30% - 50% 范圍內(nèi)**調(diào)控，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)光線透過(guò)率的特殊要求。

5.3 膜層結(jié)構(gòu)與成分分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）和 X 射線能譜儀（EDS）對(duì)膜層的微觀結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析。SEM 圖像顯示，膜層結(jié)構(gòu)致密，各層之間界面清晰，無(wú)明顯缺陷。EDS 分析結(jié)果表明，膜層成分與設(shè)計(jì)配方一致，各元素分布均勻，保證了膜層光學(xué)性能的穩(wěn)定性。

5.4 機(jī)械性能測(cè)試

通過(guò)鉛筆硬度測(cè)試和百格測(cè)試評(píng)估膜層的機(jī)械性能。鉛筆硬度測(cè)試結(jié)果顯示，膜層硬度達(dá)到 4H 以上，具有良好的耐磨性。百格測(cè)試中，使用 3M 膠帶粘貼并撕下后，膜層無(wú)脫落現(xiàn)象，表明膜層與基底之間具有優(yōu)異的附著力，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中的使用要求。

六、結(jié)論

本論文成功研發(fā)了一種減反射率降透過(guò)率的鍍膜方法，通過(guò)合理的膜系設(shè)計(jì)、材料選擇和工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光線反射和透射的有效調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該鍍膜方法制備的膜層具有低反射率、可控透過(guò)率以及良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于激光防護(hù)、光信號(hào)調(diào)控、隱私保護(hù)等領(lǐng)域，為特殊光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景提供了可靠的技術(shù)支持。未來(lái)，可進(jìn)一步優(yōu)化膜系結(jié)構(gòu)和鍍膜工藝，拓展該技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高其在不同領(lǐng)域的適用性和性能表現(xiàn)。

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