光學(xué)薄膜基礎(chǔ)知識(shí)

光學(xué)薄膜基礎(chǔ)知識(shí)光是什么？光是一種電磁波，（在真空中的）可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍是700~400nm

；紅外光為約700

到107nm量級(jí);紫外光1-400nm；比紫外光短的還有X射線、γ射線（<0.001nm）等；而比紅外長(zhǎng)的就是我們熟悉的無(wú)線電波第二頁(yè)，共62頁(yè)。什么叫光的干涉？物理定義：

當(dāng)2個(gè)或多個(gè)光波（光束）在空間疊加時(shí)，在疊加區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的各點(diǎn)強(qiáng)度穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象。產(chǎn)生的條件：1、光波產(chǎn)生的相位差固定不變2、光波的振幅不能相互垂直3、光波的頻率要一致第三頁(yè)，共62頁(yè)。什么叫做光學(xué)薄膜？所謂光學(xué)薄膜，首先它應(yīng)該是薄的然后它應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一定光學(xué)效應(yīng)的那么要薄到什么程度呢？定性的講：它的厚度應(yīng)該和入射光波長(zhǎng)可以相 比擬的物理意義上講：能引起光的干涉現(xiàn)象的膜層第四頁(yè)，共62頁(yè)。與鍍膜技術(shù)密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè)眼鏡鍍膜----AR幕墻玻璃----AR濾光片液晶領(lǐng)域----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激光領(lǐng)域----激光反射腔高反射膜CD、DVD驅(qū)動(dòng)器投影顯示數(shù)碼領(lǐng)域第五頁(yè)，共62頁(yè)。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)膜等第六頁(yè)，共62頁(yè)。當(dāng)前最熱門(mén)的應(yīng)用領(lǐng)域1、數(shù)碼相機(jī)用的IR-CUT2、投影顯示光學(xué)系統(tǒng)----包括LCD、DLP、 LCOS3、光通訊：DWDM(densewavelenghdivisionmultiplexer)濾光片4、減反射膜----永遠(yuǎn)的熱門(mén)第七頁(yè)，共62頁(yè)。

一、光學(xué)薄膜的類(lèi)型第八頁(yè)，共62頁(yè)。我們根據(jù)其作用，可以簡(jiǎn)單的分為1、減反射膜或者叫增透膜2、分束膜3、反射膜4、濾光片5、其他特殊應(yīng)用的膜第九頁(yè)，共62頁(yè)。一、減反膜1、減反膜的作用增加光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率減少雜散光提高象質(zhì)增加作用距離第十頁(yè)，共62頁(yè)。一、減反膜2、減反膜按層數(shù)分類(lèi)單層減反膜第十一頁(yè)，共62頁(yè)。雙層減反膜一、減反膜第十二頁(yè)，共62頁(yè)。多層減反膜一、減反膜第十三頁(yè)，共62頁(yè)。一、減反膜3、另一種分類(lèi)單點(diǎn)減反寬波段減反（超寬波段）雙波段減反寬角度減反第十四頁(yè)，共62頁(yè)。減反膜幾個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)使用的波段使用的角度或者角度范圍剩余反射率要求使用環(huán)境在激光領(lǐng)域還有激光閾值要求第十五頁(yè)，共62頁(yè)。二、分束膜 一般來(lái)講，分束膜總是傾斜使用，常用的是45度。分束膜有兩種：中性分束膜（也就是一般講的消偏振NPBS）、偏振分束膜（也就是通常講的PBS）。 中性分束鏡有兩種結(jié)構(gòu)：平板型和棱鏡型。而PBS一般都用棱鏡。平板結(jié)構(gòu)由于不可避免的象散問(wèn)題所以只用于中低要求的光學(xué)裝置。第十六頁(yè)，共62頁(yè)。二、分束膜正確錯(cuò)誤NPBSPBS第十七頁(yè)，共62頁(yè)。二、分束膜 分束膜根據(jù)鍍膜材料還有金屬分束鏡和介質(zhì)分束鏡兩種。 兩種分束鏡各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)不同的使用要求和工藝水平采用不同的類(lèi)型。第十八頁(yè)，共62頁(yè)。二、分束膜金屬分束鏡的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：中性好，光譜范圍寬、偏振效 應(yīng)小、制作簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：吸收大、激光閾值低使用注意事項(xiàng)：光的入射方向第十九頁(yè)，共62頁(yè)。二、分束膜介質(zhì)分束鏡的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：吸收小，幾乎可以忽略缺點(diǎn)：光譜范圍窄、偏振分離明 顯、角度效應(yīng)明顯第二十頁(yè)，共62頁(yè)。二、分束膜兩類(lèi)分束鏡的曲線第二十一頁(yè)，共62頁(yè)。三、濾光片 一般我們把改變光束性質(zhì)或者顏色的膜叫做濾光膜。 常見(jiàn)的有： 1、干涉截止濾光片 2、帶通濾光片 3、金屬濾光片 4、負(fù)濾光片第二十二頁(yè)，共62頁(yè)。三、濾光片1、干涉截止濾光片 要求某一波長(zhǎng)范圍的光束高透，而偏離這一區(qū)域的光束驟然變?yōu)榻刂?-----我們把這中類(lèi)型的膜叫干涉截止濾光片。此類(lèi)膜有著廣泛的用途，例如照明上用的冷光碗上的冷光膜、舞廳里色彩變幻的旋轉(zhuǎn)燈以及我們?cè)谧龅腎R-CUT都屬于此類(lèi)。

第二十三頁(yè)，共62頁(yè)。1．透射曲線開(kāi)始上升(或下降)時(shí)的波長(zhǎng)以及此曲線上升(或下降)的許可斜率2．高透射帶的光譜寬度、平均透射率以及在此透射帶內(nèi)許可的最小透射率3．具有低透射率的反射帶(抑制帶)的光譜寬度以及在此范圍內(nèi)所許可的最大透射率。干涉截止濾光片的幾個(gè)重要指標(biāo)第二十四頁(yè)，共62頁(yè)。干涉截止濾光片的分類(lèi) 可以分為長(zhǎng)波通和短波通兩類(lèi)，見(jiàn)下圖第二十五頁(yè)，共62頁(yè)。四、帶通濾光片 從光學(xué)薄膜的角度來(lái)講，最有意義的進(jìn)展是1899年出現(xiàn)的法布里-珀珞干涉儀。它是干涉帶通濾光片的一種基本結(jié)構(gòu)。而自從1940年出現(xiàn)金屬-介質(zhì)濾光片以來(lái)，它已經(jīng)在光學(xué)、光譜學(xué)、激光、天文物理學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第二十六頁(yè)，共62頁(yè)。四、帶通濾光片法布里—珀珞的結(jié)構(gòu)第二十七頁(yè)，共62頁(yè)。四、帶通濾光片帶通的主要參數(shù)λ0——中心波長(zhǎng)，或峰值波長(zhǎng)Tmax——中心波長(zhǎng)透射率，或，峰值透射率2⊿λ——透過(guò)率為峰值透過(guò)率一半的波長(zhǎng)寬度，也稱(chēng)通帶半寬度，有時(shí)也用2⊿λ/λ0表示相對(duì)半寬度第二十八頁(yè)，共62頁(yè)。四、帶通濾光片根據(jù)膜層的不同，可分為金屬濾光片全介質(zhì)濾光片雙半波、三半波全介質(zhì)濾光片金屬誘導(dǎo)透射濾光片第二十九頁(yè)，共62頁(yè)。第三十頁(yè)，共62頁(yè)。第三十一頁(yè)，共62頁(yè)。介質(zhì)帶通濾光片的結(jié)構(gòu)為：介質(zhì)反射膜/間隔層/介質(zhì)反射膜/間隔層/介質(zhì)反射膜．但是濾光片也可以是混合結(jié)構(gòu)，例如用一層金屬膜如銀膜代替兩間隔之間的介質(zhì)反射膜形式如下：介質(zhì)反射膜/間隔層/金屬膜/間隔層/介質(zhì)反射膜這是金屬誘導(dǎo)透射濾光片的基本形式這種濾光片的最大好處：長(zhǎng)波無(wú)次峰、透射率較高金屬誘導(dǎo)透射濾光片第三十二頁(yè)，共62頁(yè)。第三十三頁(yè)，共62頁(yè)。五、反射膜在光學(xué)薄膜中，反射膜和增透膜幾乎同樣重要。對(duì)于光學(xué)儀器中的反射系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般單純金屬膜的特性大都已經(jīng)滿足常用要求。在某些應(yīng)用中，要求更高的反射率則可用金屬增強(qiáng)鏡。而全介質(zhì)多層反射膜，由于這種反射膜具有最大的反射率和最小的吸收率因而在激光應(yīng)用和一些高要求的系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。第三十四頁(yè)，共62頁(yè)。五、反射膜金屬膜材料的選擇原則先考慮使用波段要求反射率要求使用環(huán)境制作成本等常用有Al、Ag、Au、Pt第三十五頁(yè)，共62頁(yè)。五、反射膜鋁：最常用，紫外、可見(jiàn)、紅外銀：反射率最高，穩(wěn)定性差金：紅外常用、穩(wěn)定鉑、銠：穩(wěn)定、堅(jiān)固第三十六頁(yè)，共62頁(yè)。五、反射膜

理論上只要增加膜系的層數(shù)反射率可無(wú)限地接近于100%，實(shí)際上由于膜層中的吸收、散射損失，當(dāng)膜系達(dá)到一定層數(shù)時(shí)繼續(xù)加鍍兩層并不能提高其反率，有時(shí)甚至由于吸收、散射損失的增加而使反射率下降因此膜系中的吸收和散射損耗限制了介質(zhì)膜系的最大層數(shù)。全介質(zhì)反射鏡第三十七頁(yè)，共62頁(yè)。5\7\9\17層反射膜光譜由上圖可以看出最高反射率隨層數(shù)增加，而反射帶寬并不增加第三十八頁(yè)，共62頁(yè)。光學(xué)薄膜的類(lèi)型與符號(hào)1.減反膜2.濾光膜3保護(hù)膜4內(nèi)反射5外反射6高反膜7分束膜8分色膜9偏振膜10導(dǎo)電膜第三十九頁(yè)，共62頁(yè)。光學(xué)薄膜的依附體——基板第四十頁(yè)，共62頁(yè)。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、金屬第四十一頁(yè)，共62頁(yè)。一、玻璃玻璃可以分為：1、普通玻璃2、無(wú)色光學(xué)玻璃3、有色光學(xué)玻璃4、特殊玻璃等第四十二頁(yè)，共62頁(yè)。1、無(wú)色光學(xué)玻璃的分類(lèi)

根據(jù)化學(xué)成分，無(wú)色光學(xué)玻璃可以分為兩類(lèi)：1、冕牌玻璃----K帶頭的玻璃，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----F帶頭的玻璃，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H火石（LaF）等。共有160多種之多。第四十三頁(yè)，共62頁(yè)。1、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)）υd、

υD----由nf(486.1nm)和nc(656.3nm)確定：υd=(nd-1)/(nf-nc)υD=(nD-1)/(nf-nc)無(wú)色光學(xué)玻璃一些技術(shù)指標(biāo)第四十四頁(yè)，共62頁(yè)。玻璃按下列各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)分類(lèi)和分級(jí)：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）。無(wú)色光學(xué)玻璃的分級(jí)第四十五頁(yè)，共62頁(yè)。根據(jù)折射率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值，玻璃按表3分為6類(lèi)。類(lèi)別折射率nd允許差值類(lèi)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±20×10-4第四十六頁(yè)，共62頁(yè)。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(lèi)。類(lèi)別折射率最大微差，△nmaxH1±2×10-6H2±5×10-6H3±1×10-5H4±2×10-5

第四十七頁(yè)，共62頁(yè)。2、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(lèi)。通過(guò)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(zhuān)業(yè)的有色玻璃生產(chǎn)商。第四十八頁(yè)，共62頁(yè)。有色玻璃和鍍膜在曲線上的區(qū)別第四十九頁(yè)，共62頁(yè)。3、普通玻璃如青板玻璃由于加了0.08~0.12%的氧化鐵；二階、三階鐵分別在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。第五十頁(yè)，共62頁(yè)。4、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。第五十一頁(yè)，共62頁(yè)。二、光學(xué)塑料塑料是一種以合成樹(shù)脂或天然樹(shù)脂(一般為高分子聚合物)為基本成分，在加工過(guò)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？第五十二頁(yè)，共62頁(yè)。1、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(lèi)：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(pán)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(lái)越第五十三頁(yè)，共62頁(yè)。2、常見(jiàn)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(kāi)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(kāi)發(fā)出了一種聚烯經(jīng)樹(shù)脂，是用作光盤(pán)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％，可見(jiàn)光學(xué)塑料的發(fā)展日新月異。第五十四頁(yè)，共62頁(yè)。3、光學(xué)塑料的類(lèi)型

據(jù)受熱后的性能變化，光學(xué)塑料可分為兩大類(lèi)：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(PS)均屬熱塑性塑料。熱固性光學(xué)塑料：熱團(tuán)性塑料是由加熱固化的合成樹(shù)胳制成的塑料，常見(jiàn)的如CR一39樹(shù)脂鏡片，環(huán)氧光學(xué)塑料。第五十五頁(yè)，共62頁(yè)。4、光學(xué)塑料的優(yōu)勢(shì)A、成型方便，成本低（約為玻璃的1/10~1/30B、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(duì)密度?。汗鈱W(xué)塑料的相對(duì)密度為0.83—1．46，而玻璃的相對(duì)密度為2.5一3.0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(jiàn)區(qū)和玻璃一樣，在紫外和紅外區(qū)比玻璃好）第五十六頁(yè)，共62頁(yè)。5、光學(xué)塑料的缺點(diǎn)①拆射率溫度梯度大．約為2×10-4／℃，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(huì)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)塑料的折射率和色傲系數(shù)沒(méi)有玻璃寬，因此，選用的余地受限制。第五十七頁(yè)，共62頁(yè)。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(jí)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