3分钟了解光学薄膜

简单350 · 发表于 2023-3-25 16:37:52

文/王占山，同济大学先进技术研究院院长，同济大学高等研究院执行副院长，教育部先进微结构材料重点实验室主任，物理科学与工程学院教授、博士生导师。
光学薄膜的应用
光学薄膜在日常的光学系统、工业产品和消费电子产品中随处可见，如图1。如今，工业生产迎来了激光时代，光学薄膜也有着广泛的应用前景，未来20年光电子产业也即将迎来一个大发展时代。尽管光学薄膜是一个小零件，一种光学元器件上的附属品，但是其发挥的价值巨大，能够化不可能为可能，以下为3个具体例子：

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图1 光学薄膜的典型应用
（1）激光惯性约束聚变——美国NIF装置
自国际禁止核试验后，以美国为首的许多国家都在寻求建设自己的核武器物理研究实验室，美国建设了一台由192部激光器组成的大型点火装置（如图2），耗资约40亿美元。然而，装置建成后，研究人员才发现其光学元器件极易损伤，便又耗时几年才将光学薄膜的易损伤问题解决。由此可见，提高光学薄膜的抗激光损伤性能至关重要，关系到一台几十亿美元的超级装置能否正常运行。

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图2 高损伤阈值激光薄膜的典型应用
（2）引力波探测LIGO装置
2017年诺贝尔物理学奖授予了美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩,以表彰他们为发现引力波作出的贡献，如图3。科学家通过调控光学薄膜的材料和结构，大幅度降低噪音，提升整个系统的信噪比，可探测的最低应变灵敏度从10-20 Hz-1/2降低至10-21 Hz-1/2，将探测微弱引力波的能力提高了10倍，能够探测到以地球为中心、4.2亿光年为半径范围内的引力波。因此，光学薄膜在这项LIGO装置中有着非常重要的作用，如果没有光学薄膜将探测器损耗大幅度下降，提高探测信噪比，那么LIGO将无法实现其价值。

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图3 超低损耗光学薄膜的典型应用
（3）极紫外光刻机
如今芯片是一个炙手可热的话题，而最好最先进的芯片制造设备为极紫外光刻设备（如图4），在13.5纳米处，光学薄膜可以做到70%的反射率，与其他的相近短波段相比，已经达到反射率相对最高。这便是荷兰阿斯麦公司对光刻机制作的一个整体性能要求，假如没有光学薄膜带来的这70%，哪怕降低至60%，光刻机性能优势便不复存在。

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图4 极紫外光刻系统构成
综上所述，尽管光学薄膜看上去很小，但是其价值巨大，能够化不可能为可能，能够推动整个行业的发展，也能带来重大的产业性变革。
光学薄膜的性能演化
光学薄膜一般可分为反射膜、增透膜/减反射膜、偏光片/偏光膜、分束膜等。如今，随着光学薄膜不断的发展，可以将光学薄膜按照其性能——调控光强度、调控光谱分布、调控偏振特性、调控色散特性等进行归纳分类。如此便可跳出原有思维模式，不是按照薄膜常规分类去选择所需薄膜类型，而是从其所需应用的角度去选择不同性能的光学薄膜，以一个全新的视角重新认识光学薄膜，重新认识光学薄膜带来的应用问题。
除了具有光学性能外，如今光学薄膜越来越能够集合多种功能需求，如图5。超低损耗薄膜为薄膜领域的一个极限挑战，需要深入认识散射、吸收、透射机制及其控制技术，使薄膜的光学损耗<10 ppm。另外，还需要考虑薄膜热噪声的控制问题，其中涉及薄膜材料体系以及热噪声物理机制和模拟等一系列相关问题。

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图5 超低损耗光学薄膜的制作要求
未来，光学薄膜的性能演化应朝着多元化不断发展，包括光学性能、热学性能、电学性能、磁学性能和力学性能等。例如，手机面板上的薄膜就是光学、电学和力学的有机结合。
同时，还需考虑机械性能的控制，机械性能的满足是薄膜在实际中获得应用的前提，在薄膜制备中也需考虑多方面因素：高低温冲击和实验环境、薄膜的硬度、薄膜与基板的吸附力、薄膜的应力、薄膜的耐摩擦特性等。因此，光学薄膜的未来将与热、电、磁、力、机相融合，呈现多元化发展的趋势。
光学薄膜的制备
光学薄膜制作的基本过程，实际上是涵盖了优化设计、制备工艺和检测方法，再经过多次迭代，最终评价其性能的过程，如图6。光学薄膜优化设计前的基板加工阶段往往会被忽略，但是光学薄膜作为整个系统的中间链条，要使其性能得到最充分的展现，必须要注重整个制作链的控制。

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图6 光学薄膜制作过程
（1）计算方法-正问题
光学薄膜的性能计算较为简单，是由光学薄膜的结构计算其性能指标。光在两种材料交界面上的反射与折射为单界面问题；在单层薄膜上的反射与折射为双界面问题；在多层膜上的反射与折射为多界面问题。
（2）设计方法-逆问题
逆问题是由所需光学薄膜的性能指标来反向设计其结构，其中较重要的几个问题为：如何选择逆问题的评价函数、如何设置初始的条件、如何优化算法的选择。虽然随着科技和光电产业的不断发展，已经有很多优化设计的软件供我们选择设计，但是努力寻求新方法，重塑光学薄膜的设计问题仍是我们需要不断坚持追求的。
（3）制作方法
光学薄膜的制作方法有热蒸发、激光脉冲沉积、磁控溅射、离子注入、离子束溅射等，应根据不同方法得到的沉积粒子能量、沉积速率等性能参数去选择合适的光学薄膜制备方法。例如，不同的沉积速率代表了不同的生产速率，而以上几种方法中，热蒸发的沉积速率最为快速，如图7。

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图7 各种物理方法的薄膜沉积速率
如果用电子束蒸发的方式制备光学薄膜，制备出的光学薄膜带孔洞且不致密，而用离子束辅助制备后则会相对致密，但这并非表示光学薄膜越致密越优质，而是需从多个角度考虑，选择不同的光学薄膜制备方法，而非片面地选择单一制备方法。
（4）测试方法
光学薄膜的测试方法有分光光度计、X射线衍射、薄膜弱吸收、散射测量、表面形貌测量等。其中最为基本的测试方法为通过分光光度计法测量其反射率和透过率；当需要更深入了解薄膜性能、对其制作进行研究时，可以采用X射线衍射检测薄膜微观结构；当用到低损耗薄膜或者是激光薄膜时，则需要对其薄膜弱吸收、激光损伤性能进行测量；当需要检测薄膜的平整度和表面轮廓时，则需要对其进行表面形貌测量。
在整个光学薄膜的制作过程中，还需注意以下3点问题：
（1）虽然上述皆为物理沉积方法，但是光学薄膜最早的镀膜方法其实是化学方法，如图8。例如近年来发展较为迅速的原子层沉积方法，其在半导体工业中有着较多的应用，比较传统的还有化学气相沉积方法、自组织生长方法等。因此，虽然大家目前制作光学薄膜普遍使用的是物理方法，也不能忽视了化学方法的可取之处，在解决制作难题时，不可一味采用现有技术和手段，要用更广阔的思维视角去看待问题，处理问题，不断创新解决问题的方法。

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图8 典型薄膜的化学制作方法
（2）光学薄膜一般在基板上制备，因此基板在光学薄膜制备中起到十分重要的作用，并且基板和镀膜无法分离，应该将这两方面结合起来研制光学薄膜。
（3）在光学薄膜研制过程中，清洗问题往往容易被忽视，绝大多数企业为了节省成本采用手擦的清洗方式，这在常规的应用中无可厚非，而在低损耗、高损伤性能激光薄膜的特殊应用中，手擦的方法则会造成许多薄膜缺陷、导致薄膜的光学损耗和损伤。因此，应该将基板的清洗、设计、镀膜、性能表征和性能测试这整套操作系统建立起来，而非每个环节只顾好自身，按部就班。
光学薄膜产业的发展前景
（1）需求驱动的影响
追溯光学薄膜产业发展历程可以发现，一直以来，光学薄膜都是需求推动发展的。未来，我们可以从光学发展的角度出发，创造需求，设计应用，重新塑造新的光学薄膜产品，从而对光电子行业产生一些有价值的影响，不断追寻光学薄膜自身发展的原动力。
此外，如今光学薄膜的性能越来越复杂，技术难度也越来越高，导致光学薄膜工艺越来越复杂，价格越来越昂贵。因此，我们可以尝试建立新的方法，用更简单的工序做出更复杂更优质的光学薄膜，即光学薄膜最后能否立足于市场，不在于一味复杂化其性能，而在于提升其性价比。只有优质的性能却价格昂贵，就难以受市场青睐，只有立足市场需求，光学薄膜才能有未来。
（2）人工智能发展的影响
人工智能发展至今，已经上升到了国家战略，我们迎来了人工智能的大数据时代，那么人工智能对光学薄膜到底会产生哪些影响呢？
20世纪80年代，镀膜的过程基本上都是手动操作，从手工镀膜发展到机械镀膜，从机械化到自动化，再从自动化到信息化，而如今从信息化变成智能化。21世纪初是光学薄膜制作设备发展的最好时代，也是光通讯发展的黄金时代，而如今我们面临的是人工智能，是智能化的大数据时代，让人不禁思考未来光学薄膜将会如何发展，何去何从。
光学薄膜的制作相对复杂，未来我们还应考虑如何将其制作过程与人工智能高度融合。如今薄膜的优化设计、逆向拟合、虚拟制备一直在优化，但还未到达智能阶段，那么人工智能该如何落实到光学薄膜的制作工艺中去，或者说人工智能还将如何影响光学薄膜的方方面面，这是值得我们思考的一个问题。
无论光学薄膜如何发展，只有其朝着性能更优化、制作更简易、价格更低廉不断发展，光学薄膜才能更好地和人工智能相结合促进。
（3）追求卓越的影响
如今的科技发展日新月异，很多过去不可触及的梦想而今已成为现实，研究和发展光学薄膜，应该树立更长远的目标，追求更卓越的影响。首先，我们应该追求更极致化的光学薄膜性能指标，例如FWHM＜0.1 mm，R＞99.9999%等，如图9。其次，我们要注重光学薄膜的微型化、平板化、集成化发展，如图10。不能局限于按部就班地制作光学薄膜，而应从其发展趋势、市场潜在需求等去考虑、去创新。

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图9 未来光学薄膜的发展目标

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图10 未来光学薄膜的发展方向
本文改编自王占山教授在首届福州光电产业论坛中的报告：《精密光学薄膜技术及其产业发展展望》
封面图片来源：https://pixabay.com/photos/camera-lens-lens-camera-equipment-240966/

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