论可见光波段宽带增透光学膜的研究
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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平���显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。
本文提出一种基于不同实验条件下的镀膜研究方法，设计了可见光波段宽带增透膜。选择TiO2和MgF2为镀膜材料，通过TFCalc软件设计了380 nm~780 nm波段宽带增透膜(AR膜)，并通过模拟仿真实验分析得到单层TiO2、MgF2薄膜各波段的折射率，以及不同中心波长、单层材料折射率误差和厚度误差、入射角变化对可见光波段宽带AR膜平均透过率(AT)的影响。 结果表明：中心波长为610 nm，入射角小于50˚，TiO2 折射率偏差在−0.2~0，厚度偏差在−10~0 nm，MgF2折射率偏差在−0.1~0.1，厚度在−5 nm~5 nm之间变化时，可实现全波段平均透过率超过96%，为光学薄膜的研究提供了一种可参考的研究途径。
当我们在实验室镀膜时，常发现镀制的薄膜实际测试得的性能与理论设计的增透效果差很多，这是因为薄膜的实际结构与理论设计模型已产生较大偏差，主要体现在折射率与厚度两方面。我们进行理论设计时，每个膜层的折射率与厚度都是均匀分布的，而且折射率多选择块体理论值进行计算。但在实际制备薄膜时，由于薄膜的密度有限，折射率偏低，导致工艺参数的浮动和界面状态的变化，实际制备的薄膜折射率与厚度均不可避免存在非均匀性，这种非均匀性对传统分层介质薄膜的光学性能不利，需要尽量降低；因此有必要研究不同工艺条件下薄膜折射率和厚度的非均匀性变化，对其实现灵活调控，有利于制备光学性能优异的增透膜体系。
图1:优化前后可见光波段AR膜光谱曲线
模拟过程单层TiO2、MgF2薄膜折射率研究由于在不同的实验环境和设备下，同样的材料制备出的膜层的折射率可能不同，在确定了实验环境后，首先应研究在该实验条件下材料的折射率，设计单层TiO2和MgF2薄膜，膜系为G|8H|Air，其中，G为K9玻璃，H分别为TiO2和MgF2，在此之前，我们应先讨论折射率随镀膜工艺参数如沉积速率、基片温度、不同的氧分压对单层薄膜折射率的影响，采用控制变量法，通过控制单一变量，镀制单层薄膜，研究以上关键工艺参数对单层TiO2或MgF2单层薄膜折射率的影响。确定镀膜工艺参数对单层TiO2或MgF2单层薄膜随各项工艺参数的变化趋势，以G|8H|Air为膜系，选定中心波长为380 nm，镀制薄膜，用光谱仪测得该中心波长对应得实际得光谱线，利用通过光学透过率公式计算极值点折射率，当对应薄膜的光学厚度为 λ/2时，
.当对应薄膜的光学厚度为 λ/4
奇数倍时,
入射介质的折射率为 n0，玻璃的折射率为 n2，薄膜的折射率为 n1。
计算380 nm处以及光谱出现的极值点的折射率。再改变单层膜系的中心波长，得到多个极值点，由于两种材料的短波折射率变化幅度较大，故分别取中心波长为380 nm、400 nm、420 nm、440 nm、460 nm，分别得到TiO2、MgF2的5个光谱图，当中心波长为380 nm时，TiO2单层膜可得到380 nm、484 nm、564 nm、694 nm处4个极值点，当中心波长为400 nm时，可得到400 nm、447 nm、510 nm、594 nm、737 nm处5个极值点，同理，选取420 nm、440 nm、460 nm为中心波长，可分别得到覆盖380 nm~780 nm多个极值点。同理也可得到MgF2的多个极值点对应的折射率，再分别绘制出TiO2和MgF2的实验实际的色散曲线。图2、图3分别为模拟实验的TiO2和MgF2的单层薄膜对应不同中心波长的光谱图，利用以上方法求得TiO2和MgF2折各个极值点折射。
图2. TiO2单层薄膜不同中心波长光谱图
图3. MgF2单层薄膜不同中心波长光谱图
中心波长选择中心波长选取应让可见光区的透过率尽可能大，由于改变中心波长不会对光谱图造成很大影响，因此可以通过改变中心波长，找到AT值*大时对应的中心波长。由图4可以看出当中心波长在550 nm~630 nm之间变化时，光谱曲线出现红移现象，随着光谱曲线红移，450 nm附近透过率有一定的上升趋势，当设定中心波长为630 nm时，385 nm处光透过率波长急速下降，因此，选择中心波长610 nm为宽波段AR膜的中心波长。
图4. 可见光波段宽带AR膜随着中心波长变化
折射率变化对宽波段AR膜影响TiO2具有多种晶型结构，且容易发生热分解，在镀膜过程中，由于工艺参数的浮动和界面状态的变化，其折射率容易发生变化。而单个膜层的折射率变化只会导致透射光谱中透射极值点的增加或减少，曲线的红移或蓝移现象不明显，曲线不失规律，不影响膜系整体的减反射效果，因此可通过调制各膜层折射率来提高膜系性能，观察图5、图7可知，当TiO2的折射率在−0.2~+0.2之间变化时，随着折射率升高，透射光谱在440 nm~780 nm的波峰和波谷都逐渐下降，AT值大幅降低，而380 nm~440 nm波段的光谱曲线几乎不受影响，TiO2折射率变化宽波段AR薄膜的透射率影响较大，为了增加宽波段AR薄膜的透射率尽量应降低TiO2薄膜的折射率。由图6、图7可知，当MgF2折射率在−0.2~+0.2之间变化时，透射光谱在450 nm附近的波谷迅速降低，550 nm附近的波峰逐渐升高，在670 nm左右的波谷先升高后减小，全波段平均透过率先升高后降低，MgF2折射率变化对全波段AT值的影响较大，因此MgF2折射率误差尽量控制在−0.1~+0.1之间。综上叙述，为了增加全波段AT值，镀膜时应降低TiO2折射率，保持MgF2折射率不变。
图5. TiO2单层膜折射率变化对可见光波段宽带AR性能的影响
图6. MgF2单层膜折射率变化对可见光波段宽带AR性能的影响
图7. TiO2和MgF2折射率变化对可见光波段宽带AR膜AT值的影响
厚度误差对AR膜影响光学薄膜厚度直接决定和影响薄膜的光谱特性，研究薄膜随厚度变化规律对制备光学薄膜由为关键。由于实际镀膜时**把控薄膜厚度十分困难，因此我们通过改变薄膜厚度，得到薄膜厚度影响较小的可接受的误差区间。观察图8、图10可知，当TiO2膜层厚度误差从0 nm~−10 nm之间变化时，450 nm~800 nm波段的透过率均上移，透过率增加约1%，当TiO2膜层厚度误差从0 nm~+10 nm之间变化时，450 nm~800 nm波段的透过率均下移，随着透射光谱曲线发生了红移，400 nm附近的透过率下降到72%左右，为了增加全波段的平均透过率，应适当的降低TiO2薄膜的厚度，TiO2薄膜的厚度偏差应在−10 nm~0 nm之间。
图8. TiO2单层膜厚度变化对可见光波段宽带AR膜性能的影响及分析
图9. MgF2单层膜厚度变化对可见光波段宽带AR膜性能的影响及分析
由图9可知，MgF2膜层厚度误差从−10 nm~0 nm之间变化时，450 nm附近的透过率大幅度上升，增加了6%左右，其他波段的透过率基本不变，MgF2膜层厚度误差从0 nm~+10 nm之间变化时，450 nm附近的透过率增加，但同时透射光谱曲线发生了红移，使400 nm附近的波长急剧下降，故全波段的透过率反而在下降，由图10可知，全波段AR膜的平均透过率先升高后降低，故MgF2膜层厚度误差尽量在−5 nm~+5 nm之间。曲线波形的变化对膜系性能影响较大，因此，应尽量控制各膜层厚度，减小厚度偏差。
图10. TiO2和MgF2厚度变化对可见光波段宽带AR膜平均透过率的影响
太阳入射角变化对AR膜性能的影响宽波段AR膜在一些应用场景下需要考虑入射角的影响，例如镀在太阳电池表面的宽波段AR膜在使用过程中，太阳光不能一直保持垂直照射，所以研究太阳入射角对膜系增透性能的影响是有必要的。观察图11透射谱可知，随着太阳入射角的增加，膜系的AT值逐渐降低；在380nm~780nm光波段上，当入射角小于30˚时，透射曲线发生了轻微的蓝移；超过30˚时，透过率逐渐增加；超过60˚时，曲线波形发生了较大变化，透射大幅降低，由图12可知，全波段透过率在入射角小于20˚时基本保持不变，只有0.1%的波动；在入射角在30˚~50˚之间时，变化幅度较小，大约有1.25％的波动；达到50˚以后，大幅度增加，膜系减反射性能降低。
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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。
采用德国薄膜制备工艺，形成了一套具有严格工艺标准的闭环式流程技术制备体系，能够制备各种超高性能光学薄膜，包括红外薄膜、增透膜，ARcoating,激光薄膜、特种薄膜、紫外薄膜、x射线薄膜，应用领域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、医用激光器、光学科研，红外制导、面部识别、VR/AR应用,博物馆，低反射橱窗玻璃，画框，工业灯具照明，广告机，点餐机，电子白板，安防监控等。
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卷柔减反射(AR)玻璃的特点:高透,膜层无色,膜硬度高,抗老化性强(耐候性强于玻璃),玻璃长期使用存放不发霉,且有一定的自洁效果.AR增透减反膜玻璃产品广泛应用于**文博展示、低反射幕墙、广告机玻璃、节能灯具盖板玻璃、液晶显示器保护玻璃等多行业。
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