光學(xué)薄膜的知識

一、薄膜特性的理論1、干涉矩陣法2、遞推法二、典型膜系1、增透膜；2、高反膜；3、分束膜；4、分色膜：(1)干涉截止濾光片和(2)帶通濾光片；三、制作工藝1d112N0N1N2稱為薄膜的特征矩陣。1、干涉矩陣法2d112N0N1N2稱為基片與薄膜組合的特征矩陣3單層膜的反射系數(shù)為：單層膜的反射率為：4多層膜：對于無吸收膜，薄膜的特征矩陣的行列式等于1。5多層膜：反射率透射率吸收率反射相移62、遞推法igdAi0i1BCDER1ER2ER3ER4E0n0n1ngET1ET2ET3ET4GF7和透射系數(shù)：

(2)

單層薄膜反射率：

(3)

單層薄膜反射系數(shù)：

(1)

單層薄膜透射率：

(4)

由(3)和(4)式得：R+T=1(5)上式是在薄膜無吸收的情況下的結(jié)果。

8多層膜d1d2dK-1dKrKnKnK-1r2r3n0n1n2r1ngrK+1(21)

(22)

(23)

(24)

將此計(jì)算過程一直重復(fù)到與空氣相鄰的第一層，最終求得整個(gè)膜系的反射系數(shù)和反射率。這種方法稱為魯阿德法(RouardMethod)。顯然，如果多層膜的層數(shù)較大時(shí)(目前有的多層膜的層數(shù)多達(dá)幾十層)，反射率的表示式將非常復(fù)雜，而具體的計(jì)算將由電子計(jì)算機(jī)來完成。

9三、光學(xué)薄膜(真空)制備工藝一、真空系統(tǒng)及測量二、蒸發(fā)技術(shù)三、控制系統(tǒng)四、輔助系統(tǒng)五、薄膜材料六、光學(xué)薄膜的依附體——基板七、薄膜的檢測內(nèi)容10成膜工藝化學(xué)氣相沉積電鍍電解陽極氧化等等化學(xué)方法物理方法真空蒸鍍離子鍍?yōu)R射分子束外延等等11高真空鍍膜機(jī)[1]、真空系統(tǒng)[2]、蒸發(fā)系統(tǒng)[3]、控制系統(tǒng)[4]、輔助系統(tǒng)1、機(jī)械泵；2、機(jī)械泵放氣閥；3、閾閥；4、低閥；5、熱偶真空規(guī)；6、高真空閥門；7、擴(kuò)散泵；8、電離真空規(guī)；9、充氣閥門；10、真空室；11、蒸發(fā)源；12、基片夾具12一、真空系統(tǒng)及測量現(xiàn)代的光學(xué)薄膜制備，無論是PVD還是CVD都是在真空下獲得的。所根據(jù)的原理是：P-壓強(qiáng)、V-體積、T-絕對溫度、M-分子量、m-質(zhì)量、R-氣體普適常數(shù)(=8.31x1023/mol)真空度的表示1Pa=1N/m21Torr=133.3Pa1(atm)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760Torr1mmHg=1.00000014Torr13初真空低真空高真空超高真空真空度Pa>103103~10-110-1~10-6<10-6平均自由程（cm)<10-410-4~55~105>105氣流特點(diǎn)1.以氣體分子間的碰撞為主2.粘滯流過渡區(qū)域1.以氣體分子與器壁的碰撞為主2.分子流平均吸附時(shí)間氣體分子以空間飛行為主以吸附停留為主14泵名原理工作范圍Torr

102110-210-410-610-810-1010-12

機(jī)械泵分子泵羅茨泵機(jī)械壓縮排除氣體擴(kuò)散泵靠蒸汽射流攜帶排除氣體濺射離子泵鈦升華泵靠濺射或升華形成吸氣、吸附排除氣體吸附泵冷凝泵利用低溫表面對氣體進(jìn)行物理吸附排氣真空泵抽氣原理及工作范圍15機(jī)械泵原理圖1617油擴(kuò)散泵18擴(kuò)散泵示意圖19注意事項(xiàng)：1、不能在泵內(nèi)氣壓高于1帕?xí)r加熱擴(kuò)散泵；已工作的擴(kuò)散泵停止加熱后，應(yīng)繼續(xù)用機(jī)械泵抽空，直至冷卻，否則泵油易氧化變質(zhì)。2、由于冷卻不可能絕對完善，總有一些油分子未被冷凝而升向泵頂，進(jìn)入待抽容器，這種現(xiàn)象叫“返油”。為減少其效果，在擴(kuò)散泵頂部一般都裝有水冷擋油板，它應(yīng)當(dāng)擋去盡量多的油蒸汽而對抽氣速率的影響盡量小。3、若泵油的溫度不夠高，則不僅抽速慢，而且因油蒸汽噴出的速度不夠快而會在到達(dá)泵壁前就因碰撞而升向泵頂，造成嚴(yán)重的返油現(xiàn)象。所以，擴(kuò)散泵的加熱時(shí)間不能太短，一般約需40分鐘左右。20真空測量氣體熱傳導(dǎo)與氣壓關(guān)系明顯。測量范圍為10~10-1Pa。離子流正比于氣壓。它的測量范圍為：10-2~10-6Pa21二、蒸發(fā)技術(shù)熱蒸發(fā)；濺射；離子鍍；離子輔助蒸發(fā)22鐘罩鍍膜機(jī)示意圖1、加熱器2、(基片)玻璃3、蒸發(fā)源4、鐘罩23熱蒸發(fā)加熱材料蒸發(fā)坩堝24絲狀舟狀坩堝25電子束蒸發(fā)屬于熱蒸發(fā)的一種形式光學(xué)膜制備的最常用手段常?？梢耘湟云渌o助蒸發(fā)2627濺射技術(shù)陰極濺射高頻濺射又稱射頻濺射——為濺射介質(zhì)材料而設(shè)計(jì)磁控濺射——提高離化率、濺射速率，降低基片溫度反應(yīng)濺射28離子鍍技術(shù)離子鍍技術(shù)是在熱蒸發(fā)技術(shù)和濺射技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新工藝，1963年首先應(yīng)用于人造衛(wèi)星的金屬滑膜。特點(diǎn)：膜層附著力強(qiáng)密度高均勻性好沉積速度快、應(yīng)用：高硬度刀具耐磨固體潤滑膜29近20年來圍繞電子束蒸發(fā)出現(xiàn)的三種先進(jìn)蒸發(fā)工藝離子輔助反應(yīng)離子鍍等離子體增強(qiáng)離子輔助30

離子輔助IADIAD技術(shù)是在電子束蒸發(fā)的同時(shí)用離子束轟擊，離子由離子源產(chǎn)生，離子束由柵極引出，電子槍和離子源各自獨(dú)立工作。膜層在離子的轟擊作用下獲得能量，使結(jié)構(gòu)得到改善。31反應(yīng)離子鍍(RIP)RIP是個(gè)混合蒸發(fā)的過程：在電子槍蒸發(fā)的同時(shí)，等離子體發(fā)生源燈絲與電子槍蒸發(fā)材料的坩堝之間產(chǎn)生放電，被引入的反應(yīng)氣體與蒸發(fā)材料都被部分電離為等離子體，并在電場中被加速，在氣體放電中離子與離子、離子與電子發(fā)生碰撞并反應(yīng)，在荷能粒子的轟擊下薄膜凝結(jié)基底表面。32三、控制系統(tǒng)1、時(shí)間2、顏色3、光學(xué)控制4、石英晶體震蕩控制33光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)34石英晶體法監(jiān)控膜厚主要是利用了石英晶體的兩個(gè)效應(yīng)，即壓電效應(yīng)和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸、切割類型，而且還取決于晶片的厚度。當(dāng)晶片上鍍了某種膜層，使晶片的厚度增大，則晶片的固有頻率會相應(yīng)的衰減。石英晶體的這個(gè)效應(yīng)是質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過測量頻率或與頻率有關(guān)的量進(jìn)行膜厚測量的。35四、輔助系統(tǒng)加溫——————溫度測量與控制充氣——————真空度測量與壓強(qiáng)控制工件架——————公、自轉(zhuǎn)，均勻性調(diào)整離子轟擊——————直流與射頻比較片架——————透射、反射、內(nèi)反射36五、薄膜材料透明區(qū)折射率強(qiáng)度激光閾值蒸發(fā)方法1、金屬材料：鋁、鉻、銀、金等2、介質(zhì)和半導(dǎo)體材料冰晶石、氟化鎂、硫化鋅、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化硅；鍺、硅、硒化鋅；根據(jù)薄膜設(shè)計(jì)的結(jié)果，有些設(shè)計(jì)出來的折射率在現(xiàn)實(shí)中沒有對應(yīng)的材料，怎么辦？可利用現(xiàn)有的材料合成所需要的折射率。這種新折射率具有明顯的色散性。37六、光學(xué)上常用的基板一)、玻璃----在光學(xué)應(yīng)用上最重要二)、陶瓷三)、光學(xué)晶體四)、光學(xué)塑料(如PC、PMMA等)五)、金屬38一)、玻璃玻璃可以分為：1、無色光學(xué)玻璃2、有色光學(xué)玻璃3、普通玻璃4、特殊玻璃等1、無色光學(xué)玻璃的分類根據(jù)化學(xué)成分，無色光學(xué)玻璃可以分為兩類。(1)、冕牌玻璃----帶K的玻璃，折射率n較小，色散系數(shù)大，可分為氟冕(FK)、磷冕(PK)、輕冕(QK)、鋇冕(BaK)、重冕(ZK)、鑭冕(LaK)、特冕(TK)等；(2)、火石玻璃----帶F的玻璃，折射率n較大。色散系數(shù)大，可分為冕火石(KF)、輕火石(QF)、鋇火石(BaF)、重火石(ZF)、鑭火石(LaF)等。共有160多種之多。391、nd----指587.7nm(氦黃線)處的折射率；2、nD----指589.3nm(鈉黃線)處的折射率；3、相對色散(阿貝數(shù))vd

、vD

----由nf(486.1nm)和nc(656.3nm)確定：

vd=(nd-1)/(nf-nc)

vD=(nD-1)/(nf-nc)無色光學(xué)玻璃一些技術(shù)指標(biāo)40無色光學(xué)玻璃的分級玻璃按下列各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)分類和分級。a、折射率、色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值；b、同一比中，折射率及色散系數(shù)的一致性；c、光學(xué)均勻性；d、應(yīng)力雙折射；e、條紋度；f、氣泡度；g、光吸收系數(shù)；h、耐輻射性能(N系列玻璃)。41根據(jù)折射率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值，玻璃分為6類。類別折射率nd允許差值類別折射率nd允許差值00±2×10-42±7×10-40±3×10-43±10×10-41±5×10-44±20×10-442玻璃的光學(xué)均勻性以一塊玻璃中各部位間的折射率微差最大值Δ

nmax表示時(shí)，按下表分為4類。類別折射率最大微差，ΔnmaxH1±2×10-6H2±5×10-6H3±1×10-5H4±2×10-5

432、有色玻璃它主要是濾光作用，有時(shí)候替代鍍膜，有時(shí)候和薄膜組合。按照著色原理可以分為膠態(tài)著色和離子著色有色玻璃兩類。通過加入不同的吸收離子，我們可以得到各種各樣顏色的玻璃。我們在用的藍(lán)玻璃就是一種有色玻璃，HOYA叫CM5000，肖特叫BG38、BG39等，國際、國內(nèi)均有一些專業(yè)的有色玻璃生產(chǎn)商。44有色玻璃和鍍膜在曲線上的區(qū)別453、普通玻璃如青板玻璃，是由于加了0.08~0.12%的氧化鐵的緣故；二價(jià)、三價(jià)鐵分別在1100nm和380nm處構(gòu)成吸收帶，吸收了部分紅光和青光；它的折射率n=1.515。白板玻璃、超白玻璃等均要?dú)w入此列。464、特殊玻璃特殊玻璃可以包括A、耐輻射玻璃；B、石英玻璃；C、隔熱玻璃；D、微晶玻璃；E、耐熱玻璃；F、硬質(zhì)玻璃等。47二)、光學(xué)塑料

塑料是一種以合成樹脂或天然樹脂(一般為高分子聚合物)為基本成分，在加工過程中，可塑制成型，產(chǎn)品最終能保持形狀不變的材料。光學(xué)塑料乃是一種可以與玻璃競爭的透明塑料。它具有一定的光學(xué)特性、機(jī)械特性和化學(xué)特性，能滿足光學(xué)零件的要求，從而逐漸構(gòu)成光學(xué)三大基本材料之—(玻璃、光學(xué)晶體和光學(xué)塑料)。塑料是什么？481、光學(xué)塑料的應(yīng)用目前，光學(xué)塑料的應(yīng)用大致分為三大類。A、塑料透鏡(包括工業(yè)、儀器用透鏡、眼鏡、接觸眼鏡、非球面透鏡、棱鏡和菲涅耳透鏡等)；B、光盤及光學(xué)纖維；C、其它功能性光學(xué)塑料元件。其應(yīng)用范圍、越來越廣。492、常見的光學(xué)塑料

在世界范圍內(nèi)，光學(xué)塑料品種已有上百種，但真正用到工業(yè)開發(fā)，應(yīng)用面廣的品種并不多，據(jù)統(tǒng)計(jì)約十多種，如PMMA、PS、PC、SAN、CR一39、TPX等。各種文獻(xiàn)中報(bào)道的新品種非常多，日本就有了s—16、KT一153、TS一26等。最近日本開發(fā)出了一種聚烯烴樹脂，是用作光盤的新材料，它的相對密度小，僅1.01，耐熱性好(Tg為140℃)，透光率為90％。可見光學(xué)塑料的發(fā)展日新月異。503、光學(xué)塑料的類型據(jù)受熱后的性能變化，光學(xué)塑料可分為兩大類。①熱塑性光學(xué)塑料：熱塑性塑料是指可以多次反復(fù)加熱仍有可塑性的塑料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)均屬熱塑性塑料。②熱固性光學(xué)塑料：熱固性塑料是由加熱固化的合成樹胳制成的塑料，常見的如CR一39樹脂鏡片，環(huán)氧光學(xué)塑料。514、光學(xué)塑料的優(yōu)勢A、成型方便，成本低(約為玻璃的1/10~1/30)；B、耐沖擊強(qiáng)度高(光學(xué)塑料的沖擊強(qiáng)度可達(dá)25×103N·m/m2，比光學(xué)玻璃大10倍．經(jīng)得起撞擊和跌落，不易破損)；C、相對密度?。汗鈱W(xué)塑料的相對密度為0.83~1.46，而玻璃的相對密度為2.5~3.0，即塑料比玻璃輕一倍，這對軍用光學(xué)儀器有特殊意義。D、透光率好(可見區(qū)和玻璃一樣，在紫外和紅外區(qū)比玻璃好)525、光學(xué)塑料的缺點(diǎn)①折射率溫度梯度大：約為2×10-4/℃，對于光學(xué)系統(tǒng)來說是特別不利的；②熱膨脹系數(shù)比玻璃大10倍左右；③導(dǎo)熱性和耐熱性差，軟化溫度低，易變形，加熱時(shí)會變形和分解；⑦不耐有機(jī)溶劑；⑧耐磨性差；⑥吸濕性嚴(yán)重；⑦光學(xué)塑料的折射率和色散系數(shù)沒有玻璃寬，因此，選用的余地受限制。53三)、光學(xué)晶體晶族晶系特征軸單位軸角低族晶系三斜a0≠b0≠c0α0≠β0≠γ0≠

90°單軸a0≠b0≠c0α0=γ0=

90°，β0≠90°正交a0≠b0≠c0α0=β0=γ0=

90°中級晶系四方a0=b0≠c0α0=β0=γ0=

90°六方a0=b0≠c0α0=β0=90°，γ0=120°三方a0=b0=c0α0=β0=γ0≠

90°立方晶系立方a0=b0=c0α0=β0=γ0=

90°晶體對我們來說既熟悉又陌生，包括食鹽、糖以及一些藥物等均是；晶體具有規(guī)則的幾何多面體形狀，它是具有晶格構(gòu)造的固體。晶體包括三大晶族七大晶系，如下表。光學(xué)晶體常用中級晶族和高級晶族，石英就是六方晶系54晶體的基本性質(zhì)1、均一性：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)和排列方式一致；2、各向異性