在光学系统中，几乎所有的光学零件都需要使用光学薄膜改变其透射或反射特性。尽管光学薄膜无处不在，但许多光学系统的设计者并不熟悉在薄膜设计或使用中的一些权衡，或者不了解各种薄膜沉积技术的特点，因此，在实际设计过程中经常对光学薄膜提出过高的要求。

本文综述一些比较重要的薄膜设计及相关的薄膜沉积的因素，希望能给大家一些帮助。

光学薄膜是由高折射率和低折射率的材料层交替组成的，其工作原理是利用光的干涉来增强一个或多个波长的透射，或者优先反射，或者传输一个偏振，完成这些任务的涂层有时会包含几十层，甚至上百层，并且是由许多不同折射率的材料组成的。然而，可供薄膜设计者使用的材料并不是无限的，这就意味着实际的涂层必须使用有限的折射率来构建。此外，镀膜的沉积工艺不能完全精确地控制每层的厚度与折射率。因此，对于光学设计工程师来说，了解在各种光学薄膜的性能是必要的，譬如薄膜的性价比、透过率对系统的影响、环境适应性、抗激光损伤能力等等。下面分别对增透膜、高反射膜、分光膜及偏振膜进行简要分析。

增透膜（AR）

增透膜（AR）的性能通常由单个波长或某个波段范围的平均透过率来指定，当然也可以通过设计者所允许的最大剩余反射来衡量。对于特定的光学材料来讲，材料的吸收系数是固定的，对于一些特殊场合，可能采用所允许的最大剩余反射来衡量更合理一些。对单波长，单入射角的AR薄膜，其可以获得非常高的性能，譬如，在光学玻璃表面，在可见光波段，每个表面的剩余反射低于0.1%的情况是很普遍的。

上图为单层AR膜与多层AR膜的比较，可以看到，随着膜层层数的增加，表面的剩余反射减小（透过率增大），但光谱宽度范围也在减小。随着光谱带宽或者入射角的增加，AR膜的高性能越来越难维持。所以，作为光学设计者必须清楚，在整个光谱范围或者入射角度范围，指定的性能是峰值的透过率（剩余反射率）还是平均的透过率（剩余反射率），否则可能出现失之毫厘，谬以千里的情况。

 
对于非零度角，特别是30°以上的AR膜来说，入射光的偏振状态对涂层的设计与性能有明显的影响，确定入射光的偏振状态至关重要。在所有非零入射角的情况下，S极化比P极化在介质表面的反射率高，因此，如果系统中存在倾斜组件并要求透过率比较高时，光学设计师应采用相应的光学结构，使该光学组件遇到P偏振光。 随着入射角的增大，AR膜的性能向更短的波长移动，如，一种设计在正常入射时产生最小反射率的AR涂层，在入射角45°时在更短波长上提供最小的反射率。在一个半径较小的透镜上，中心的入射角为0°，而边缘的入射角可能为70°，光学系统即使使用单一波长，AR膜也必须在宽光谱范围中具有高的性能，即使随着入射角的增加，膜层响应发生偏移的情况下，其仍能在标称波长上表现良好。实际上，对于半径较小的光学表面可能需要特殊的手段或工具来保持性能的一致性。因此，在薄膜的复杂性、成本及性能之间需要一些权衡。 多波段AR膜在军用光学系统中非常的常见的。与实现整个宽波段的高透过率而言，实现几个特定波长高透过率就变得相对容易，成本也会降低。另外，设计中可以分析系统对每个波段的具体要求，指定一个波长的相对高性能，放松其他波段的要求，也能起到事半功倍的效果。

由于能够同时在可见光与红外传输的材料数量有限，设计与镀制同时在可见与红外波段同时工作的AR膜极具挑战性。

高反膜

高反膜可以通过三种途径实现，金属膜、金属/介质膜、介质膜。金属膜的优点是在很宽的光谱范围内均具有良好的性能，如，铝反射膜在400nm到10μm范围内的反射率均大于85%，金反射膜在2μm到远红外的反射率均大于99%。所有的介质膜几乎不可能达到这样的水平。此外，金属反射膜在S极化与P极化之间的反射率差异通常比介质膜小得多。

然而，金属反射膜的峰值反射率要小于介质膜的峰值反射率，即使在红外波段具有99.5%反射率的金反射膜，也无法与介质膜相比，介质膜可以在单一波长上提供99.99%甚至更高的反射率。金属薄膜的少量吸收限制了其峰值反射率，这造成了金属膜的一个重要使用限制，激光损伤能力不及介质膜。

典型的窄带高反膜（中心波长1000nm）

金属膜的物理耐久性（耐磨性、湿热、盐暴露性）也不如介质膜。如银反射率，为了防止其氧化，必须再其表面覆盖另一种材料，这也会降低其反射率。

对于所有介质膜的高反射元件，当指定极高（>99.995%）反射率是，元件的表面质量必须考虑，因为表面散射成为限制性能的主要因素，光学表面的粗糙度必须指定，超光滑表面也需要使用专门的抛光与测试技术，相应的成本也会上升。

分光膜

分光膜的性能在很大程度上依赖分光元件的结构，分光元件的结构一般有两种，立方体型或者平板型。对于非偏振光来说，立方体的结构是优选的，这种结构在本质上比平板型岁输入偏振不敏感。

相反地，偏振光分光器可以利用S偏振和P偏振在反射的内在差异来实现非常高的性能。平板偏振器总是配置为通过P偏正而反射S偏振，通常在布鲁斯特角（P偏振反射系数降至为0）时工作的最好，对于可见光波长和光学玻璃基片，这个角度大于为56°。

立方体偏振光分束器的传输透过率极化涂层最大限度地增加了反射率的差异，S和P极化实现高的消光比

对于平板型或者立方体型的偏振光分束器，透射光束中消除S偏振光要比使P偏振光远离反射光束容易的多，也就是说，对于可见光而言，传输消光比10000:1是可以实现的，而大于100:1的反射消光比是很困难的，在系统设计过程中应牢记这些性能特征。

在光束分光器中，有几个因素会导致膜层的复杂性。例如，随着入射角的增加，S偏振和P偏振反射率的差异越来越大，这就使得提供对这两种偏振态都具有相同性能的反射镜变得很困难。所以，在这种情况下只处理单一极化是有利的。如果非偏振光不可避免，则最好设计一个分束器在较小的入射角工作的光学系统，尽量减少分束的影响。光谱范围（光谱带宽）也是一个重要因素，最左偏振不敏感的膜层，其光谱范围超过中心波长的±10%（例如550nm±50nm）是个巨大的挑战。 同样重要的是分束器的公差是如何指定的。譬如，必须在45°±5°入射范围内保持其标称性能的分束器与必须在相同的范围内达到标称性能的分束器，这两者之间是有很大区别的。在第一种情况下，分束器性能必须满足所有角度超过40°到50°的入射角范围；第二种情况下，分束器性能只在40°到50°的范围内满足，用户将分束器组件放入他们的系统并对其进行倾斜调整，已达到所需的性能。第一种情况下的分束器的要求要比第二种情况下的苛刻的多。

立方体分束器是棱镜通过粘接胶合而成的，这可能会引入波前误差，从而影响性能，另外，在胶粘剂中的吸收会导致散射，显著降低激光损伤的阈值。（目前一些厂家利用激活共价键技术(ACB)来避免胶粘剂的影响）

军用膜层的需求

军用需求所需的特定功能经常对膜层提出严峻的挑战。如，某些光电系统通常都工作在多光谱波段，这些波段涵盖可见光（400nm～600nm）、人眼安全激光（1.54μm）以及中波红外（3μm～5μm）等等，这些膜层也经常指定在较大入射角度范围内发挥作用，并且具有偏振不敏感性。

为了使系统的尺寸和重量最小化，特别是在便携式和机载系统中，光学工程师可能会压缩光学组件的直径，从而导致激光束功率密度的增加，因此，激光损伤阈值也是需要关注的问题之一。

为了实现先进的功能，光学薄膜或许需要引入更多的层，这也会导致相对厚的薄膜，可能会表现出较高的机械应力。为了减轻重量，系统中可能存在厚径比比较小的零件，膜层应力会使这些零件变形，从而增加整个系统的波前畸变。

军用系统必须要承受温度、温度的大波动，以及盐雾、烟雾及空气中其他污染物的侵蚀。有些膜层会吸水，再加上温度的变化，膜层的性能可能会发生改变。由此可见，膜层的性能稳定性和耐用性也是需要考虑的因素。

光学薄膜沉积方案

镀制光学薄膜的沉积技术很很多种，不同的镀制工艺会对膜层的稳定性、耐久性、激光损伤阈值、内应力等方面的影响也不同。光学工程师应对这些沉积技术的特点、优点和局限性有个基本的了解。下表比较了最常用的镀膜方法，即热蒸发、离子辅助沉积（IAD）和离子束溅射（IBS）。

*精确控制沉积层的能力，可以可靠地满足膜层的性能指标

热蒸发法（利用电阻加热或电子束加热）是迄今为止应用最广泛的方法，其优势为该法工作范围广（从紫外到远红外），成本低。该法的最大缺点是产生多孔膜层，容易吸收水分，从而改变膜层的有效折射率，使其在暴露于环境温度和湿度变化时难以保持所需的膜层性能。此外，多孔膜层容易含有导致表面质量下降的缺陷，热蒸发膜层在所有沉积技术中的机械耐久性最差。

离子辅助沉积（IAD）是热蒸发沉积的一种升级，它使用带电离子在压缩每一层的沉积，IAD提供了更致密的光学薄膜。IAD沉积技术实现了耐久性与性能之间的最佳平衡，尤其在3μm～5μm中波红外波段范围内。

在离子溅射沉积（IBS）中，一束高能离子对准一个目标（一般由金属或氧化物组成），目标的原子或分子高能溅射，这些粒子随后从源流出，然后沉积在基底上。IBS产生完全致密的光学薄膜，避免了薄膜的吸水，在环境变化时也非常的稳定；IBS沉积的材料具有可再生的折射率特性，加上精确控制膜层的厚度，膜层精度非常高，能够始终如一地将实际的膜层与设计的期望完美匹配，这在生产多光谱膜层以及满足宽角度范围和特定偏振特性的膜层方面意义重大。

与蒸发沉积相比，IBS使用的材料范围有限，在可见光与近红外波段不是什么问题。由于ZnS和氟化物材料不能与IBS兼容，在3μm～5μm范围内就成了问题。

所有致密的光学薄膜都存在一个潜在的问题，它们可能包含对波前畸变产生负面影响的应力。目前，一些薄膜提供厂家已经开发了一些方法来控制这样的潜在问题。譬如，采用膜层后退火工艺降低内应力；预先计算，有目的地制造一个表面误差，然后有膜层引起的应力进行修正。

小结

了解光学薄膜的设计与膜层沉积技术的基础知识可以帮助光学工程师更好地、更经济地对光学膜层提出合理的要求，以满足系统的性能指标。