《薄膜光學(xué)》PPT課件.ppt

薄 膜 光 學(xué),高勁松,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,薄 膜 光 學(xué),薄 膜 光 學(xué),參考書(shū),光學(xué)薄膜技術(shù)，H.A.麥克勞德著，周九林、尹樹(shù)百譯，國(guó)防工業(yè)出版社1974 應(yīng)用光學(xué)薄膜，唐晉發(fā)、鄭權(quán)著，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984 玻璃鍍膜， H.K.普爾克爾著，仲永安等譯，科學(xué)出版社，1988 光學(xué)薄膜原理，林永昌、盧維強(qiáng)著，國(guó)防工業(yè)出版社1990 薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊(cè)，田民波、劉德令，機(jī)械工業(yè)出版社，1991 OPTICAL THIN FILMS USER HANDBOOK, JAMES D.RANCOUNT,薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論,你所知道的關(guān)于薄膜,鍍膜鏡片,濾光片、反射鏡,牛頓環(huán),類(lèi)金剛石膜,薄 膜 光 學(xué)前言,光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史,人類(lèi)最早發(fā)現(xiàn)的五光十色的肥皂泡，水面上彩色斑爛的油膜，兩玻璃片間的空氣層中常呈現(xiàn)出色彩鮮艷的光環(huán)，所有這些現(xiàn)象早在十七世紀(jì)就引起了許多自然科學(xué)家的注意，他們各自都提出了一些初步解釋?zhuān)涣钊藵M意 ，直到一百五十年以后，即1801年托馬斯.楊干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及菲涅耳對(duì)此進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大以后，上述現(xiàn)象才徹底為人們弄清，物理光學(xué)的基礎(chǔ)才從此建立起來(lái)今天我們可以說(shuō)，整部薄膜光學(xué)的物理依據(jù)就是光的干涉。,薄 膜 光 學(xué)前言,光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史,夫瑯和費(fèi)早在1827年制成了可以說(shuō)是第一批減反射膜，他將經(jīng)過(guò)精細(xì)地拋光的平面玻璃一半放在濃硫酸或濃硝酸中腐蝕。將玻璃上的酸液清洗干凈之后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)酸腐蝕的表面所反射的光強(qiáng)遠(yuǎn)低于另一半表面的反射光強(qiáng)，即酸經(jīng)過(guò)的那部分玻璃表面失掉了某種成分，形成薄薄一層折射率比玻璃基底折射率低的失澤層，不過(guò)玻璃還未遭刻蝕，“因?yàn)槠溥m時(shí)光仍和另一半表面一樣(實(shí)際上更高)，以致在透射光中仔細(xì)檢查也不能找出它們的分界線來(lái)，”經(jīng)過(guò)硫酸或硝酸的這種處理之后，有些牌號(hào)的玻璃表面呈現(xiàn)美麗鮮艷的色彩；使光沿各種不同的角度入射，則色彩婉如肥皂泡一樣變幻無(wú)窮。,薄 膜 光 學(xué)前言,光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史,1886年瑞利在英國(guó)皇家協(xié)會(huì)報(bào)告說(shuō)：“失澤”的冕玻璃平板，其反射比剛拋光更低原因是玻璃形成了薄薄的一層膜。1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章中寫(xiě)到，在使用幾年后的普通物鏡的火石玻璃透鏡上“失澤”現(xiàn)象是十分明顯的。我們很高興的是，能夠使這種火石玻璃的擁有者放心，通常用懷疑眼光看待的這層使玻璃“失澤”的薄膜，卻正是觀測(cè)者的“摯友”，因?yàn)樗黾恿宋镧R的透射率。,薄 膜 光 學(xué)前言,事實(shí)上，泰勒發(fā)展了一種用化學(xué)侵蝕產(chǎn)生“失澤”而制作化學(xué)減反膜的方法。 目前制備光學(xué)應(yīng)用的薄膜的主要方法是真空蒸發(fā)法和濺射法，后者在十九世紀(jì)中葉就發(fā)現(xiàn)了，而前者可追朔到二十世紀(jì)初。但在1930年以前，它們不能作為實(shí)用的鍍膜方法，因?yàn)闆](méi)有獲得高真空的真正適用的抽氣機(jī)，直到1930年出現(xiàn)了油擴(kuò)散泵機(jī)械泵抽氣系統(tǒng)以后，制造實(shí)用的真空鍍膜機(jī)才成為可能。,光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史,薄 膜 光 學(xué)前言,三十年代中期德國(guó)的鮑爾和美國(guó)的斯特朗先后用真空蒸發(fā)方法制備了單層減反射膜，這種簡(jiǎn)單的減反射膜至今在一般的光學(xué)裝置上還被大量地應(yīng)用。 折射率為152的玻璃敷有折射率為1.38的氟化鎂薄膜后，單面的反射損失可從4.2%減少到1.5%左右，例如7塊平板系統(tǒng)鍍膜后，在參考波長(zhǎng)上總的透射率可近似地估計(jì)為： T(0.97)780.7% 未鍍膜： T=(0.92)7=55.7% 這比沒(méi)有經(jīng)過(guò)鍍膜處理的系統(tǒng)提高了約25的透射能量,光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史,薄 膜 光 學(xué)前言,前言,人類(lèi)生活在周?chē)錆M著光的世界里，光是一種人們無(wú)時(shí)無(wú)刻不遇到的自然現(xiàn)象。更為重要的是：光是信息的重要載體，研究光的本性及其傳播規(guī)律的學(xué)科就是光學(xué)。 和光打交道，離不開(kāi)光學(xué)薄膜， 薄膜光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)，它是物理光學(xué)的一個(gè)重要分支。專(zhuān)項(xiàng)技術(shù) 另一方面，由于光學(xué)薄膜的制備過(guò)程與真空技術(shù)、表面物理、材料科學(xué)、等離子體技術(shù)等等密切相關(guān)，所以光學(xué)薄膜又可以稱(chēng)得上是一門(mén)綜合學(xué)科 近年來(lái)，薄膜光學(xué)技術(shù)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)給薄膜理論分析帶來(lái)巨大方便。,薄膜光學(xué)通過(guò)近幾十年的發(fā)展 在以下方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步： 膜系設(shè)計(jì) 薄膜材料 測(cè)量技術(shù) 薄膜制備，包括制備方法以及控制手段 相關(guān)產(chǎn)業(yè)等等 但是，仍存在許多困難 “我們這些在薄膜領(lǐng)域工作的人，在鍍膜工藝曾經(jīng)有過(guò) 較多的一時(shí)難以解釋的失敗和教訓(xùn)，這些失敗往往涉及已 經(jīng)充分研究過(guò)的、在一段時(shí)間內(nèi)行之有效的技術(shù)對(duì)于 諸如此類(lèi)的困難，除了抱怨天氣之外，往往以運(yùn)氣不佳為 理由，人們甚至能在鍍膜車(chē)間看到祈求好運(yùn)的符標(biāo)。” -麥克勞德,薄 膜 光 學(xué)前言,前言,光學(xué)薄膜這門(mén)學(xué)科已成為現(xiàn)代光學(xué)不可缺少的一個(gè)重要組成部分，沒(méi)有光學(xué)薄膜，許多現(xiàn)代光學(xué)裝置便無(wú)法發(fā)揮效能，失去作用，無(wú)論在提高或降低反射率、吸收率與透射率方面，在使光束分開(kāi)或合并方面，或者在分色方面，在使光束偏振或檢偏方面，以及在使某光譜帶通過(guò)或阻滯方面，在調(diào)整位相方面等等，光學(xué)薄膜均起著至關(guān)重要的作用。 總之，薄膜在許多場(chǎng)合都扮演關(guān)鍵角色。薄膜器件的輕巧靈便、穩(wěn)定給它帶來(lái)更廣闊的應(yīng)用 ：窄帶濾光片光柵單色儀,什么是光學(xué)薄膜,Optical coatings 一般來(lái)講薄膜敷于光學(xué)玻璃、塑料、晶體等基底上；,Optical thin films 通常意義的光學(xué)薄膜；,Optical layers 光學(xué)薄膜的一個(gè)特點(diǎn)是分層結(jié)構(gòu)；,可以用三個(gè)常用的英文來(lái)形象的解釋?zhuān)?薄 膜 光 學(xué)前言,薄膜可分成兩大部分，第一部分是光學(xué)薄膜，第二部分是光學(xué)波導(dǎo)及其相應(yīng)器件，前者的特點(diǎn)是光橫穿過(guò)薄膜而進(jìn)行傳播；后者的特征是光沿著平行薄膜界面的方向在膜內(nèi)傳播，對(duì)于光學(xué)薄膜，在一塊基片上淀積五、六十層膜并非罕見(jiàn)，涂鍍工藝是比較成熟的；而對(duì)光學(xué)波導(dǎo)，則膜層層數(shù)一般不多，通常僅用一層膜，其鍍制工藝仍處在發(fā)展初期。本課程講的是第一種情況。,什么是光學(xué)薄膜,薄 膜 光 學(xué)前言,薄膜光學(xué)課程目的,了解光學(xué)薄膜的基礎(chǔ)理論， 掌握簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì),了解薄膜制作方法及相關(guān)工藝， 了解常用薄膜的性能指標(biāo)及相關(guān)的檢測(cè)方法,薄 膜 光 學(xué)前言,薄膜光學(xué)課程目的,對(duì)于今后有志于從事薄膜領(lǐng)域工作的同學(xué)起到一個(gè)拋磚引玉的作用,對(duì)于從事其他學(xué)科研究、應(yīng)用的同學(xué)起到一個(gè)了解光學(xué)薄膜、了解如何用光學(xué)薄膜、如何用好薄膜的作用,薄 膜 光 學(xué)前言,前言光學(xué)薄膜的應(yīng)用,薄膜光學(xué)是物理光學(xué)的一個(gè)重要分支，它研究的對(duì)象是膜層對(duì)光的反射、透射、吸收以及位相特性、偏振效應(yīng)等，簡(jiǎn)而言之，它主要研究光在分層媒質(zhì)中的傳播規(guī)律性。,薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論,與鍍膜技術(shù)密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè),鍍膜眼鏡 幕墻玻璃 濾光片 ITO膜 車(chē)燈、冷光鏡、舞臺(tái)燈光濾光片 光通信領(lǐng)域：DWDM、光纖薄膜器件 紅外膜 投影顯示,薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論,光在通過(guò)分層媒質(zhì)時(shí)，來(lái)自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，人們正是利用這種干涉現(xiàn)象，通過(guò)改變材料及其厚度等特性來(lái)人為的控制光的干涉，根據(jù)需要來(lái)實(shí)現(xiàn)光能的重新分配。,前言光學(xué)薄膜的應(yīng)用,薄 膜 光 學(xué)前言,前言光學(xué)薄膜的應(yīng)用,光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用：,提高光學(xué)效率、減少雜光。如高效減反射膜、高反射膜。,實(shí)現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根據(jù)不同需要進(jìn)行能量再分配的光學(xué)元件。,通過(guò)波長(zhǎng)的選擇性透過(guò)提高系統(tǒng)信噪比。如窄帶及帶通濾光片、長(zhǎng)波通、短波通濾光片。,實(shí)現(xiàn)某些特定功能。如ITO透明導(dǎo)電膜、保護(hù)膜等,薄 膜 光 學(xué)前言,前言光學(xué)薄膜的應(yīng)用,目前光學(xué)薄膜兩個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域：,光通信：以DWDM(dense wavelengh division multiplexer)filter為代表的光無(wú)源器件,信息顯示技術(shù)：LCD、LCOS投影顯示技術(shù),薄 膜 光 學(xué)前言,光學(xué)薄膜在液晶投影顯示中的應(yīng)用,薄 膜 光 學(xué)前言,光學(xué)薄膜在液晶投影顯示中的應(yīng)用,高效率的減反射膜與高反射膜,冷光鏡及紅外、紫外截止濾光片,偏振光轉(zhuǎn)換用膜,分色與合色光學(xué)薄膜,液晶投影顯示系統(tǒng)中，幾乎所有的典型的光學(xué)薄膜都得到了應(yīng)用。-唐晉發(fā),薄 膜 光 學(xué)前言,光學(xué)薄膜在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用,以光通信中DWDM filter位代表的光學(xué)薄膜應(yīng)用是目前光學(xué)薄膜技術(shù)最高水平的代表。,光通信曾經(jīng)給光學(xué)薄膜技術(shù)帶來(lái)了前所未有的商機(jī),薄 膜 光 學(xué)前言,DWDM filter,當(dāng)前，光通信技術(shù)以超乎人們想象的速度在發(fā)展。在過(guò)去的10年中，光傳輸?shù)娜萘刻岣吡?00倍，預(yù)計(jì)在未來(lái)的10年里還將提高100倍左右。波分復(fù)用技術(shù)，（ wavelength division multiplexer簡(jiǎn)稱(chēng)WDM）的出現(xiàn)使光通信系統(tǒng)的容量幾十倍、成百倍地增長(zhǎng)，可以說(shuō)，沒(méi)有波分復(fù)用技術(shù)也就沒(méi)有現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的光通信事業(yè)。傳統(tǒng)的擴(kuò)容方法采用ETDM(電時(shí)分復(fù)用)方式，由于受到種種制約，人們?cè)絹?lái)越傾向于光復(fù)用，光復(fù)用有兩種技術(shù)，即光時(shí)分復(fù)用(OTDM)和光波分復(fù)用(OWDM)。由于電域沒(méi)有波分的提法，故OWDM一般簡(jiǎn)稱(chēng)為WDM。,薄 膜 光 學(xué)前言,DWDM filter,雖然，OTDM有許多的優(yōu)點(diǎn)，但由于其關(guān)鍵技術(shù)（高重復(fù)率超短光脈沖源、超短光脈沖傳輸技術(shù)、時(shí)鐘提取技術(shù)和時(shí)分解復(fù)用技術(shù)）比較復(fù)雜，更為重要的是實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的器件特別昂貴，而且制作和實(shí)現(xiàn)均很困難，所以這項(xiàng)技術(shù)遲遲沒(méi)有得到很大的發(fā)展和應(yīng)用。 WDM就是指從光域上用波長(zhǎng)復(fù)用方式來(lái)改進(jìn)傳輸效率，提高復(fù)用效率。其突出優(yōu)點(diǎn)為“能在一根光纖中同時(shí)傳輸不同波長(zhǎng)的幾個(gè)甚至成百上千個(gè)光載波信號(hào)，不僅能充分利用光纖的帶寬資源，增加系統(tǒng)的傳輸容量，而且還能提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。,薄 膜 光 學(xué)前言,以往WDM僅指1310/1550nm的簡(jiǎn)單復(fù)用，DWDM指1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的密集復(fù)用，目前由于傳輸距離的要求和光放大器（EDFA）的使用，由于EDFA增益譜寬的原因，使得1310/1550nm的簡(jiǎn)單復(fù)用逐步被淘汰。當(dāng)前，所謂的WDM已不再是以往意義上的簡(jiǎn)單復(fù)用，除非特別說(shuō)明，WDM僅指1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的密集復(fù)用。,DWDM filter,薄 膜 光 學(xué)前言,filter,薄 膜 光 學(xué)前言,多信道點(diǎn)對(duì)點(diǎn)WDM系統(tǒng),WDM filter 工作原理,薄 膜 光 學(xué)前言,JDS Uniphase等公司稱(chēng)之為Interleaver的示意圖,100GHz的頻率間隔通過(guò)兩個(gè)分別頻率間隔為目標(biāo)間隔兩倍的普通復(fù)用/解復(fù)用器的組合使用，一個(gè)專(zhuān)門(mén)配合偶數(shù)的頻道數(shù)，一個(gè)專(zhuān)門(mén)配合奇數(shù)頻道數(shù)。再配合一個(gè)可以將信號(hào)按奇偶分開(kāi)的Interleaver，就可以實(shí)現(xiàn)50GHz的頻率間隔。,薄 膜 光 學(xué)前言,DWDM filter 主要技術(shù)指標(biāo),中心波長(zhǎng)：1550nm;帶寬0.4nm(100GHz),溫漂：1pm/0C=0.1nm/ 1000C,插入損耗：0.2dB 透過(guò)率約為95%,隔離度高,薄 膜 光 學(xué)前言,DWDM filter 制作部分參數(shù),層數(shù)大于100（Corning 3腔108層，100GHz),鍍膜機(jī)口徑1.1m,有用面積小于100mm APS1104/DWDM;光控：OM3000,工件旋轉(zhuǎn)速度3000轉(zhuǎn)/分,薄 膜 光 學(xué)前言,DWDM filter 制作關(guān)鍵技術(shù)的解決,例如：解決無(wú)溫漂、基板測(cè)溫、低損耗,基底材料、鍍膜材料（k-4,T67%或1.87dB;k-5,T95%或0.2dB) 溫度監(jiān)控：熱像儀、激光測(cè)溫 工藝手段 德國(guó)Leybold ：APS源、電子槍 日本Optorun：電子槍+離子輔助 美國(guó)Ion-tech：離子束濺射,薄 膜 光 學(xué)前言,本學(xué)期課程安排,光學(xué)薄膜的基礎(chǔ)理論 分析光學(xué)薄膜的幾種有效方法 幾種典型膜系介紹 成膜機(jī)理及工藝簡(jiǎn)介 常用的薄膜材料特性,薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論,光學(xué)薄膜基礎(chǔ)理論,幾個(gè)條件： 工作波段：光學(xué) 薄膜厚度與考慮的波長(zhǎng)在一個(gè)數(shù)量級(jí) 薄膜的面積與波長(zhǎng)相比可認(rèn)為無(wú)限大 薄膜材料各向均勻、同性 薄膜材料為非鐵磁性材料 光穿過(guò)膜層而非沿著膜層在膜層內(nèi)傳播,薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論,Dr. Angus Macleod has over 200 publications in the field of optics including the book Thin Film Optical Filters. He is Professor Emeritus of Optical Sciences at the University of Arizona and President of Thin Film Center Inc. For his work in education and research he was awarded the 1997 Esther Hoffman Beller medal of the Optical Society of America for outstanding contributions to the teaching of optics and the Gol