光學(xué)薄膜知識(shí)

1、1一、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2d10E0E11E11E12E12E2E12N0N1N21102102111cossinsincosiEEHHi稱為薄膜的特征矩陣薄膜的特征矩陣。1、干涉矩陣法31102102111cossinsincosiEEHHid10E0E11E11E12E12E2E12N0N1N200YEH222EH111022111cossin11sincosiEEYi 1112111cossin1sincosiBCi 稱為基片與薄膜組合基片與薄膜組合的特征矩

2、陣的特征矩陣CYB21111211cossincos(/)sinii400YrY單層膜的反射系數(shù)為：?jiǎn)螌幽さ姆瓷湎禂?shù)為：0000YYRYY 單層膜的反射率為：?jiǎn)螌幽さ姆瓷渎蕿椋?210211102102111()cos(/)sin()cos(/)sinii 222202102111222202102111() cos(/) sin() cos(/) sin 5多層膜多層膜：00sinsinjjNN對(duì)于無吸收膜，薄膜的特征矩陣的行列式等于對(duì)于無吸收膜，薄膜的特征矩陣的行列式等于1。11cossin/1sincosnjjjjjjjKiBiC 2cosjjjjN dcos/cosjjjjjNsNp偏

3、振波偏振波6多層膜多層膜：11cossin/1sincosnjjjjjjjKiBiC 1 0004()()KTB CB C11(1)(1)Re()KARTRBC CBCBCBCBR0000反射率反射率透射率透射率吸收率吸收率020()iCBBCarctgBBCC 反射相移反射相移72、遞推法igdAi0i1BCDER1ER2ER3ER4E0n0n1ngET1ET2ET3ET4GF8和透射系數(shù)： (2) 01 10011exp()1exp()gTgt tiEtErri單層薄膜反射率： (3) 2201101 12220001 10112cos()|12cos()ggRRggrrr rIERIEr

4、 rrr單層薄膜反射系數(shù)： (1) 0110011exp()1exp()gRgrriErErri單層薄膜透射率： (4) 2201 1220001 1011220112201 1011coscos12cos()(1)(1)12cos()ggggggggnit tTnir rrrrrr rrr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。 9多層膜d1d2dK-1dKrKnKnK-1r2r3n0n1n2r1ngrK+1(21) )exp(1)exp(11KKKKKKKjrrjrrr(22) (23) )exp(1)exp(11111KKKKKKKjrrjrrr(24)

5、 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(Rouard Method)。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。 04cosKKKKn di111104cosKKKKndi10三、光學(xué)薄膜(真空)制備工藝一、真空系統(tǒng)及測(cè)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(cè)內(nèi)容內(nèi)容11成膜工藝化學(xué)氣相沉積電鍍電解陽(yáng)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12高真空鍍膜機(jī)1、真空系統(tǒng)2、蒸發(fā)系統(tǒng)3、控制

6、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13一、真空系統(tǒng)及測(cè)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：RTMmPV P-壓強(qiáng)、V-體積、T-絕對(duì)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=1.00000014Torr14初真空低真空高真空超高真空真空度Pa10310310-110-

7、110-610-6平均自由程（cm)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15泵名 原理工作范圍 Torr 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 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(duì) 氣體進(jìn)行物理吸附排氣真空泵抽氣原理及工作范圍16機(jī)械泵原理圖1718油擴(kuò)散泵19擴(kuò)散泵示意圖20注意事項(xiàng)：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；

8、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(duì)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(duì)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(huì)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。21真空測(cè)量真空測(cè)量氣體熱傳導(dǎo)與氣壓關(guān)系明顯。測(cè)量范圍為1010-1 Pa。離子流正比于氣壓。它的測(cè)量范圍為：10-210-6Pa22二、蒸發(fā)技術(shù)熱蒸發(fā)；

9、濺射；離子鍍；離子輔助蒸發(fā)23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24熱蒸發(fā)加熱材料蒸發(fā)坩堝25絲狀舟狀坩堝26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)2728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29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(rùn)滑膜30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

10、子輔助31 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。32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(chǎng)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。 33三、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34光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)35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)

11、，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(huì)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(cè)量頻率或與頻率有關(guān)的量進(jìn)行膜厚測(cè)量的。36四、輔助系統(tǒng)加溫溫度測(cè)量與控制充氣真空度測(cè)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37五、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)

12、果，有些設(shè)計(jì)出來的折射率在現(xiàn)實(shí)中沒有對(duì)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。38六、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39一)、玻璃玻璃可以分為：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 1、無色光學(xué)玻璃的分、無色光學(xué)玻璃的分類類根據(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

13、)等；(2)、火石玻璃火石玻璃-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。 401、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(duì)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)無色光學(xué)玻璃一些技術(shù)指標(biāo)41無色光學(xué)玻璃的分級(jí)無色光學(xué)玻璃的分級(jí)玻璃按下列各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)分類和分級(jí)。a、折射率、色散

14、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)。42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00210-42710-40310-431010-41510-442010-443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 nmax表示時(shí)，按下表分為4類。類別折射率最大微差，nmaxH1210-6H2510-6H3110-5H4210-5442、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

15、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?cè)谟玫乃{(lán)玻璃就是一種有色玻璃，HOYA叫CM5000，肖特叫BG38、BG39等，國(guó)際、國(guó)內(nèi)均有一些專業(yè)的有色玻璃生產(chǎn)商。45有色玻璃和鍍膜在曲線上的區(qū)別020406080100400 450500 550 600650 700750 800 850900 950 100010501100波長(zhǎng) nmT %463、普通玻璃如青板玻璃，是由于加了0.080.12%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

16、要?dú)w入此列。474、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。48二)、光學(xué)塑料 塑料是一種以合成樹脂或天然樹脂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(jìng)爭(zhēng)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？491、光學(xué)塑料的應(yīng)用、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

17、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。502、 常見的光學(xué)塑料常見的光學(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s16、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(duì)密度小，僅1.01，耐熱性好(Tg為140)，透光率為90?？梢姽鈱W(xué)塑料的發(fā)展日新月異。513、光學(xué)塑料的類型、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。熱塑性

18、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。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。524、光學(xué)塑料的優(yōu)勢(shì)、光學(xué)塑料的優(yōu)勢(shì)A、成型方便，成本低(約為玻璃的1/101/30)；B、耐沖擊強(qiáng)度高(光學(xué)塑料的沖擊強(qiáng)度可達(dá)25103Nm/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(duì)密度?。?光學(xué)塑料的相對(duì)密度為0.831.46，而玻璃的相對(duì)密度為2.53.0，即塑料比玻璃輕一倍，這對(duì)軍用光學(xué)儀器有特殊意義。D、透光率好(可見區(qū)和

19、玻璃一樣，在紫外和紅外區(qū)比玻璃好)535、光學(xué)塑料的缺點(diǎn)、光學(xué)塑料的缺點(diǎn)折射率溫度梯度大：約為210-4/，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)來說是特別不利的；熱膨脹系數(shù)比玻璃大10倍左右；導(dǎo)熱性和耐熱性差，軟化溫度低，易變形，加熱時(shí)會(huì)變形和分解；不耐有機(jī)溶劑；耐磨性差；吸濕性嚴(yán)重；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。54三)、光學(xué)晶體晶族晶系特征軸單位軸角低族晶系三斜a0b0 c0000 90單軸a0 b0 c00=0= 90，090正交a0 b0 c00=0=0= 90中級(jí)晶系四方a0=b0 c00=0=0= 90六方a0=b0 c00=0=90，0=120三方a0=b0=c00=0=0 90 立方晶系立方a0=b0=c00=0=0= 90晶體對(duì)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