薄膜光學(xué)與鍍膜技術(shù)ppt課件

1、Thin Film Optics and Coating TechnologyThin Film Optics and Coating Technology薄膜光學(xué)原理應(yīng)用制作光是一種光是一種電磁波電磁波可見光波長范圍可見光波長范圍760400nm760400nm紅外光波長范圍紅外光波長范圍0.761000um0.761000um紫外光波長范圍紫外光波長范圍10400nm10400nm一、什么是光？一、什么是光？光學(xué)薄膜原理光學(xué)薄膜原理光波遇到有界面時會受到影響引起光波遇到有界面時會受到影響引起反射反射和和透射透射現(xiàn)象現(xiàn)象右圖為折射率為右圖為折射率為n的光學(xué)薄膜的光學(xué)薄膜1、2、3為反射光為反

2、射光(R)1、2、3、為透射光、為透射光(T)二、光的現(xiàn)象二、光的現(xiàn)象光學(xué)薄膜原理光學(xué)薄膜原理當(dāng)光在膜層中的干涉現(xiàn)象可被偵測到時，我們認(rèn)為這層膜是薄的當(dāng)光在膜層中的干涉現(xiàn)象可被偵測到時，我們認(rèn)為這層膜是薄的光學(xué)薄膜就是在光學(xué)元件上或獨立基板上鍍上特定的膜光學(xué)薄膜就是在光學(xué)元件上或獨立基板上鍍上特定的膜質(zhì)來質(zhì)來改變光波傳遞的特性改變光波傳遞的特性。Q Q：薄膜有什么特點？：薄膜有什么特點？光學(xué)薄膜由光的干涉作用達(dá)到效果光學(xué)薄膜由光的干涉作用達(dá)到效果Q Q：那么要薄到什么程度呢？：那么要薄到什么程度呢？三、什么是光學(xué)薄膜？三、什么是光學(xué)薄膜？光學(xué)薄膜原理光學(xué)薄膜原理生活中的光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜原理光學(xué)

3、薄膜原理光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用 高反射鏡高反射鏡 減反射鏡減反射鏡提高光學(xué)效率提高光學(xué)效率 減少雜光減少雜光 分光鏡分光鏡 分色鏡分色鏡實現(xiàn)光束的調(diào)實現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配整或再分配 截止濾光片截止濾光片 帶通濾光片帶通濾光片通過波長的選通過波長的選擇性透過提高擇性透過提高系統(tǒng)信噪比系統(tǒng)信噪比 光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜應(yīng)用高反射鏡高反射鏡金屬膜反射鏡金屬膜反射鏡金屬有高的反射率，吸收值大常用銀金鋁反光鏡，梳妝鏡介電質(zhì)膜高反射鏡介電質(zhì)膜高反射鏡吸收值小，有極高的反射率高功率雷射鏡高銳度反射鏡光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜應(yīng)用只取反射光，盡量減少透射光減反射鏡減反射鏡減少光學(xué)元器件表

4、面的反射光，提高透射光光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜應(yīng)用減反膜的作用減反膜的作用增加光學(xué)系統(tǒng)透過率減少雜散光提高象質(zhì)減反膜的應(yīng)用減反膜的應(yīng)用日常生活中運(yùn)用最為廣泛如眼鏡顯示器屏幕等等雙色分光鏡原理圖偏振分光鏡原理圖SP中性分光鏡分光鏡分光鏡中性分光鏡雙色分光鏡 偏振光分光鏡光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜應(yīng)用在某波段不透光而相鄰的另一波段有很高的透射率的一種光學(xué)器件截止濾光片截止濾光片長波通濾光片短波通濾光片實際應(yīng)用：冷光鏡、彩色分光膜等光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜應(yīng)用 帶通濾光片帶通濾光片指某波段域內(nèi)透射率很高而其兩旁透射率甚低的濾光片典型結(jié)構(gòu)：典型結(jié)構(gòu)：FabryFabry-Perot-Perot型濾光片型濾光片Tra

5、nsmittance%實際應(yīng)用：光纖通訊行業(yè)，數(shù)碼，投影儀等光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜的類型與符號光學(xué)薄膜的類型與符號光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜在投影機(jī)上的各種應(yīng)用光學(xué)薄膜在投影機(jī)上的各種應(yīng)用光學(xué)薄膜應(yīng)用光學(xué)薄膜應(yīng)用減反膜，偏振分光膜高射反膜減反膜，分色膜，截止帶通濾光膜制鍍技術(shù)氣態(tài)成膜法化學(xué)氣相沉積（CVD）物理氣相沉積（PVD）液態(tài)成膜法化學(xué)或電化學(xué)作用光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作 熱電阻加熱、電子槍蒸鍍、熱電阻加熱、電子槍蒸鍍、雷射蒸鍍、弧光放電等雷射蒸鍍、弧光放電等熱蒸發(fā)蒸鍍法熱蒸發(fā)蒸鍍法 平面二極濺鍍、射頻濺鍍、平面二極濺鍍、射頻濺鍍、磁控濺鍍等磁控濺鍍等電漿濺鍍法電漿濺鍍法

6、 蒸鍍和濺鍍的結(jié)合，有離蒸鍍和濺鍍的結(jié)合，有離子束濺鍍、離子束助鍍等子束濺鍍、離子束助鍍等離子束濺鍍法離子束濺鍍法物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作熱電阻加熱熱電阻加熱特點特點： 結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作方便； 電阻片加熱溫度有限，高熔點的 氧化物大多無法蒸鍍 蒸發(fā)速率低；合金或化合物加熱會導(dǎo)致分解。 膜質(zhì)不硬，密度不高光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作蒸發(fā)源材料蒸發(fā)源材料：鎢（W,TM=3380） 鉬（Mo,TM=2980）鉭（Ta,TM=2630）等電子槍蒸鍍法電子槍蒸鍍法特點特點： 比起熱電阻污染少，膜品質(zhì)較高； 蒸發(fā)范圍廣，可蒸鍍?nèi)埸c較高之 氧化膜熱效率高、熱傳導(dǎo)和熱輻

7、射損失小 可以鍍多層膜鍍膜過程中使用不同材料需要不時調(diào)換光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作磁控濺鍍磁控濺鍍特點特點： 利用磁場作用，提高濺鍍速率提高薄膜的品質(zhì)磁場會把電子偏離基板，故可以在一些較不耐溫的基板上鍍膜 可以做成連續(xù)的濺鍍系統(tǒng)，連續(xù)工作光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作離子束濺鍍離子束濺鍍光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作特點特點： 制作的薄膜密度高，散射小膜折射率穩(wěn)定均勻，膜厚精準(zhǔn)可以配合其他制鍍方法，提高制鍍速率 增加了控制的自由度離子束助鍍離子束助鍍特點特點： 配以蒸鍍或濺鍍系統(tǒng)，提高鍍膜速率成膜純度高，膜變得更縝密 光譜特性穩(wěn)定提高了膜層折射率的均勻性光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作鍍膜厚度監(jiān)控的方法鍍膜厚度監(jiān)控

8、的方法光學(xué)監(jiān)控法通過整套光學(xué)系統(tǒng)檢測處理分析石英晶體監(jiān)控法通過石英晶體振蕩器檢測目視法通過人眼識別光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作石英晶體監(jiān)控法石英晶體監(jiān)控法特點特點： 石英晶體振蕩的頻率與晶體上薄石英晶體振蕩的頻率與晶體上薄膜的質(zhì)量成反比膜的質(zhì)量成反比是一種薄膜質(zhì)量測量方法，它也是一種薄膜質(zhì)量測量方法，它也被稱為質(zhì)量微天平被稱為質(zhì)量微天平厚度顯示不穩(wěn)定，做精密光學(xué)薄厚度顯示不穩(wěn)定，做精密光學(xué)薄膜數(shù)據(jù)只作參考，只作為鍍膜速率膜數(shù)據(jù)只作參考，只作為鍍膜速率的控制的控制光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)參數(shù)測

9、量光學(xué)參數(shù)測量由分光光度計量出薄膜的透射率及反射率進(jìn)而推算出n、k、d光度法：量測光穿透或反射自薄膜后的變化求得光度法：量測光穿透或反射自薄膜后的變化求得nkdnkd橢圓偏振法：以偏振光經(jīng)薄膜反射后量測其光振幅及相位變化求得橢圓偏振法：以偏振光經(jīng)薄膜反射后量測其光振幅及相位變化求得利用商品化的分光光度計和光譜分析儀量出穿透率和反射率等利用商品化的分光光度計和光譜分析儀量出穿透率和反射率等光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)特性測量光學(xué)特性測量雙光路分光光度計光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作非光學(xué)特性測量非光學(xué)特性測量附著力測試附著力測試 利用黏性較強(qiáng)的膠帶一端貼于薄膜上另一端撕拉。利用黏性較強(qiáng)的膠帶一端貼于薄

10、膜上另一端撕拉。應(yīng)力測試應(yīng)力測試 利用懸臂法作彎曲測試?yán)脩冶鄯ㄗ鲝澢鷾y試 利用干涉儀相位移法測量利用干涉儀相位移法測量組成成分測量組成成分測量 利用紅外光譜儀觀察其分子振蕩吸收光譜利用紅外光譜儀觀察其分子振蕩吸收光譜結(jié)構(gòu)測量結(jié)構(gòu)測量 利用穿透式電子顯微鏡觀測縱剖面利用穿透式電子顯微鏡觀測縱剖面 用掃描式電子顯微鏡做隔電隔磁屏障以提高解析用掃描式電子顯微鏡做隔電隔磁屏障以提高解析度直接掃描膜層縱剖面度直接掃描膜層縱剖面基板工藝基板工藝基片的種類：玻璃(冕牌玻璃，火石玻璃)晶體塑料陶瓷金屬基片的清洗：洗滌劑、化學(xué)藥品、超聲波清洗、離子轟擊、手工擦拭、紫外線和臭氧等光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜

11、材料光學(xué)薄膜材料常用光學(xué)薄膜的材料從化學(xué)組成上可分為：氧化物、氟化物和常用光學(xué)薄膜的材料從化學(xué)組成上可分為：氧化物、氟化物和金屬合金金屬合金氧化物材料：具有熔點高，比重大，高折射率和高機(jī)械度，氧化物材料：具有熔點高，比重大，高折射率和高機(jī)械度，膜質(zhì)硬的特點，如膜質(zhì)硬的特點，如二氧化鈦二氧化鈦，氧化硅等，氧化硅等氟化物材料：具有熔點低，小比重，低折射率和較差機(jī)械度，氟化物材料：具有熔點低，小比重，低折射率和較差機(jī)械度，膜軟，怕水的特點。如氟化鎂，膜軟，怕水的特點。如氟化鎂，冰晶石冰晶石等等金屬合金：一般金屬具有較強(qiáng)的反光性和吸光性，因此金屬金屬合金：一般金屬具有較強(qiáng)的反光性和吸光性，因此金屬（或

12、合金）材料一般作為反光薄膜材料或光調(diào)節(jié)材料。（或合金）材料一般作為反光薄膜材料或光調(diào)節(jié)材料。光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作金屬膜金屬膜應(yīng)用應(yīng)用介質(zhì)膜介質(zhì)膜應(yīng)用應(yīng)用K- 利用其反射率高,截至帶寬,偏振小,制備簡單,在反射鏡,誘導(dǎo)透射濾光片和消偏振薄膜等場合廣泛應(yīng)用K=0 利用其吸收小,選擇性反射,設(shè)計參數(shù)多,膜層強(qiáng)度高等特點,在低損耗,高反射膜,高透射帶通濾光片,截止濾光片以及各種復(fù)雜膜系方面廣泛應(yīng)用R隨著增加而增大T隨著增加而增大高的損耗低的損耗較厚膜無干涉效應(yīng)具有干涉效應(yīng)下表列出了金屬膜與介質(zhì)膜的理想性質(zhì)下表列出了金屬膜與介質(zhì)膜的理想性質(zhì). .實際的材料或多或少地會偏離這些理想材料,如介質(zhì)有一定的

13、消光系數(shù)k,而金屬也有一定的實數(shù)折射率n.金屬膜與介質(zhì)膜的比較金屬膜與介質(zhì)膜的比較光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜應(yīng)用實例：光學(xué)薄膜應(yīng)用實例：眼鏡鏡片：鏡片材料主要是氧化物如二氧化硅，氧化鎂，氧化鋅，氧化鋁，氧化鈉，氧化鉀等等。UV光學(xué)白片添加少量的氧化鈦或氧化鈰等吸收紫外線，最普遍防紫外線優(yōu)質(zhì)白色鏡片光學(xué)玻璃成分中添加鹵化銀等化合物使鏡片在紫外線照射下分解成銀河鹵素原子，顏色由淺變深。有色玻璃鏡片主要是鍍了不同的氧化物產(chǎn)生顏色起到一定的作用，如添加氧化錳，氧化鐵，氧化鎳等著茶色作太陽鏡防眩光。光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜應(yīng)用實例：光學(xué)薄膜應(yīng)用實例：太陽能電池裸硅表面的反射率在30%以上 將電池表面腐蝕成絨面或者多孔狀(增加光與半導(dǎo)體表面作用的次數(shù),同時會使電池溫度升高)鍍上減反射膜(SiO2/SnO2/TiO2/SiNx/SiCx等)光學(xué)薄膜制作光學(xué)薄膜制作ITO鍍膜氧化銦錫（即Indium Tin Oxide, 簡稱ITO）材料是一種n型半導(dǎo)體材料，在I