一种减反射率降透过率镀膜方法

一种减反射率降透过率镀膜方法

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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。

摘要

本论文提出一种减反射率降透过率的镀膜方法，旨在满足特殊光学应用场景对光线调控的需求。通过设计特定的膜系结构，选用合适的镀膜材料，结合优化的镀膜工艺，实现对光线反射和透射的**控制。实验结果表明，采用该镀膜方法制备的膜层，在目标波长范围内，反射率可降低至 2% 以下，透过率可调控至 30%-50%，有效实现了对光线的选择性吸收与反射，为光学仪器防护、光信号调控等领域提供了新的技术解决方案。

关键词：减反射率；低透过率；镀膜方法；膜系设计；光学调控

一、引言

在光学领域，传统的镀膜技术多致力于降低反射率以提高光线透过率，从而提升光学设备的成像质量和光能利用率。然而，在某些特殊应用场景下，如激光防护设备、光信号衰减器、隐私保护玻璃等，需要在降低反射率的同时，有效降低光线的透过率，以实现对光线的特殊调控。目前，针对此类需求的镀膜技术研究相对较少，且现有方法在膜层性能稳定性、光谱调控精度等方面存在一定不足。因此，研发一种高效、稳定的减反射率降透过率镀膜方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、镀膜原理

2.1 光学干涉与吸收原理

减反射率降透过率镀膜主要基于光学干涉和材料吸收原理。光学干涉方面，通过在基底表面镀制多层不同折射率和厚度的薄膜，使各膜层反射光之间产生特定的光程差，当光程差满足半波长的奇数倍时，反射光相互干涉抵消，从而降低反射率。材料吸收原理则是利用具有特定光学吸收特性的材料，对特定波长的光线进行吸收，减少光线的透射。通过合理设计膜系结构和选择镀膜材料，将光学干涉和材料吸收特性相结合，实现反射率降低和透过率调控的双重目标。

2.2 膜系结构设计

为实现减反射率降透过率的效果，采用多层膜系结构设计。膜系通常包含高折射率层和低折射率层交替排列，同时引入具有吸收特性的功能层。高折射率材料如 TiO₂、Ta₂O₅，低折射率材料如 SiO₂ ，通过调整各层的厚度和折射率，优化膜系的光学性能。功能层选用金属氧化物（如 Fe₂O₃、CuO）或掺杂半导体材料，这些材料能够对特定波长的光线产生吸收作用，从而降低透过率。利用光学薄膜设计软件，通过理论计算和模拟，确定各膜层的参数，使膜系在目标波长范围内达到*佳的反射和透射性能。

三、镀膜材料选择

3.1 高折射率材料

选用二氧化钛（TiO₂）和五氧化二钽（Ta₂O₅）作为高折射率材料。TiO₂在可见光和近红外波段具有较高的折射率（n≈2.3 - 2.5），且化学稳定性良好，成本相对较低，易于制备成膜。Ta₂O₅折射率较高（n≈2.1 - 2.2），具有优异的硬度和耐磨性，能够提高膜层的机械性能，增强膜层的耐用性。

3.2 低折射率材料

二氧化硅（SiO₂）是常用的低折射率材料，其折射率约为 1.45，在宽光谱范围内具有良好的透光性和化学稳定性。SiO₂与高折射率材料的兼容性强，能够形成稳定的多层膜结构，有助于实现膜系的光学性能优化。

3.3 吸收功能材料

选择三氧化二铁（Fe₂O₃）和氧化铜（CuO）作为吸收功能材料。Fe₂O₃在可见光波段具有一定的吸收特性，可通过调整其膜层厚度，**控制光线的吸收量。CuO 在近红外波段表现出良好的吸收性能，适用于需要调控近红外光线透过率的场景。此外，还可采用掺杂半导体材料，如掺杂钨的氧化钒（VO₂:W），通过掺杂改性，调节材料的吸收光谱和吸收强度，实现对特定波长光线的高效吸收。

四、镀膜方法与工艺步骤

4.1 镀膜方法选择

采用磁控溅射镀膜技术和电子束蒸发镀膜技术相结合的方式。磁控溅射镀膜技术能够**控制膜层的成分和厚度，制备的膜层均匀性好、致密性高，适用于沉积高折射率材料和功能吸收材料。电子束蒸发镀膜技术则具有蒸发速率快、成膜纯度高的优点，适合用于沉积低折射率材料。两种技术结合，能够充分发挥各自优势，实现高质量膜层的制备。

4.2 工艺步骤

4.2.1 基底预处理

选取光学玻璃、蓝宝石或塑料等合适的基底材料。首先使用去离子水和中性清洗剂对基底进行超声波清洗，去除表面的油污、灰尘等杂质；然后用高纯度乙醇进行擦拭，进一步清洁表面；*后将基底放入真空室中，通过等离子体清洗处理，提高基底表面活性，增强膜层与基底的附着力。

4.2.2 镀膜过程

将预处理后的基底固定在镀膜设备的样品架上，抽真空至 10⁻³ Pa 以下。先采用电子束蒸发镀膜技术沉积低折射率的 SiO₂层，控制蒸发速率和沉积时间，**控制膜层厚度。接着切换至磁控溅射镀膜技术，依次沉积高折射率材料（TiO₂、Ta₂O₅）和吸收功能材料（Fe₂O₃、CuO 或掺杂半导体材料）。在溅射过程中，**控制溅射功率、气体流量、基底温度等参数，确保膜层的均匀性和质量。根据膜系设计要求，重复交替沉积各层薄膜，直至完成整个膜系的制备。

4.2.3 后处理

镀膜完成后，对样品进行热处理。将样品放入高温退火炉中，以 5℃/min 的升温速率加热至 300 - 400℃，保温 1 - 2 小时后随炉冷却。热处理能够消除膜层内应力，改善膜层的结晶结构，提高膜层的光学性能和机械性能。此外，还可对膜层进行化学钝化处理，在膜层表面形成一层钝化膜，增强膜层的化学稳定性和抗腐蚀能力。

五、性能测试与分析

5.1 反射率测试

使用分光光度计在 200 - 2000nm 波长范围内对镀膜样品进行反射率测试。结果显示，在目标波长范围内，未镀膜基底的平均反射率约为 8%，而采用本方法镀膜后的样品，平均反射率可降低至 2% 以下，有效减少了光线的反射损失，实现了低反射率的目标。

5.2 透过率测试

同样利用分光光度计测试样品的透过率。实验结果表明，通过调整膜系中吸收功能材料的种类和厚度，可将样品的透过率在 30% - 50% 范围内**调控，满足不同应用场景对光线透过率的特殊要求。

5.3 膜层结构与成分分析

采用扫描电子显微镜（SEM）和 X 射线能谱仪（EDS）对膜层的微观结构和成分进行分析。SEM 图像显示，膜层结构致密，各层之间界面清晰，无明显缺陷。EDS 分析结果表明，膜层成分与设计配方一致，各元素分布均匀，保证了膜层光学性能的稳定性。

5.4 机械性能测试

通过铅笔硬度测试和百格测试评估膜层的机械性能。铅笔硬度测试结果显示，膜层硬度达到 4H 以上，具有良好的耐磨性。百格测试中，使用 3M 胶带粘贴并撕下后，膜层无脱落现象，表明膜层与基底之间具有优异的附着力，能够满足实际应用中的使用要求。

六、结论

本论文成功研发了一种减反射率降透过率的镀膜方法，通过合理的膜系设计、材料选择和工艺优化，实现了对光线反射和透射的有效调控。实验结果表明，该镀膜方法制备的膜层具有低反射率、可控透过率以及良好的机械性能和化学稳定性。该技术可广泛应用于激光防护、光信号调控、隐私保护等领域，为特殊光学应用场景提供了可靠的技术支持。未来，可进一步优化膜系结构和镀膜工艺，拓展该技术的应用范围，提高其在不同领域的适用性和性能表现。

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