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2013-04-01光學鍍膜與光電發展之關係 520 期

Author 作者 李正中/中央大學光電科學與工程學系講座教授

所謂的光學鍍膜,係在光學的元件表面上鍍上一層或多層薄膜,期使光波在元件上或元件中的傳遞達到科學與工程上的需要。其中包括反射率、透射率、偏振態、相位等光學性質的改變,例如分光、導光,以及使不同光波段有特定的變化(包括色彩分割與顯示)。涵蓋的波域,從波長很長的紅外光(IR)區到極短的X 射線。

光學鍍膜技術的發展,大多與光電科技的演進密切相關。大體而言,若無光學薄膜的配合,光電科技的發展無法有今天的成就,甚至許多光電儀器將無法運作。隨著光電發展的需要,薄膜的光學理論、設計原理與鍍膜技術不斷地向前推展。藉由幾種伴隨光電系統開發所衍生出的光學薄膜和元件,如高反射鏡、抗反射膜、熱鏡與冷(光)鏡、UV(紫外)-IR 截止濾光片與IR 截止濾光片、彩色濾光片、窄帶濾光片、偏光片及其他濾光片等,可一窺光學鍍膜技術的發展史。

15 世紀後半期, 威尼斯(Venice)穆拉諾島(Murano)已會將汞淋在玻璃上的錫薄片成為合金,製出呈現銀白色的反射鏡。它比青銅鏡光亮,旋即成為王公貴族的飾品,這是人類最早開發的高反射鏡。 但這種反射鏡大多僅適於家用,在科學上應用並不多。一直到1933 年,美國的斯特朗(John Strong)利用真空蒸鍍技術製作鋁反射鏡,作為天文望遠鏡之用,高反射鏡才逐漸被科學家所採用,此技術一直沿用至今。為了防止鋁膜變質,因此通常在鍍完鋁膜後又加鍍保護層,如氟化鎂或其他氧化鋁、氧化矽等介電質薄膜。由於一般氧化物材料之熔點高,致使鍍膜方法必須將電熱阻舟(由鉭、 鉬 、鎢、石墨片做成)改用電子鎗蒸鍍或磁控濺鍍。一般鋁鏡的反射率約有90%,可加鍍2或4層低、高折射率交疊的介電質膜,來提升反射率,稱為enhance mirror。然而, 此法會使高反射的波域變窄。同時,IR 區的出射率(emittance)會高到影響影像成像的清晰度,所以為銀膜所取代。銀膜雖比鋁膜好,但易受環境影響而退化。直到2004年,才成功製成高反射、低出射率的銀反射鏡,並應用到雙子星天文台(Gemini Observatory)的天文望遠鏡中。其係以濺鍍法先鍍一層6.5 奈米的NiCrNx,以增強銀膜在玻璃上的附著性。其次鍍上110奈米銀膜,再加鍍0.6奈米的NiCrNx與8.5 奈米的SiNx保護層。

1960 年代,為了因應雷射的應用,需要低損耗、高反射的鏡面,乃用全介電質多層膜堆來取代金屬膜,其由膜厚四分之一波長的高、低折射率介電質交互堆疊而成。例如,在某些應用中,雷射反射鏡的反射率需大於99.99%。對高功率雷射而言,鏡面薄膜必須承受高功率輻射,而不被雷射打壞。在雷射陀螺儀(RLG)及測量宇宙重力波的干涉儀(LIGO)中,均需要低散射、高反射的雷射鏡。這種雷射鏡所要求的散射與吸收非常低,必須採用離子濺鍍技術才能達成。當超快速雷射問世後,又開
發出消除啾啁(chirping)的消色散反射鏡,來改善雷射波半高寬的色散效應。……【更多內容請閱讀科學月刊第520期】