光学薄膜制备绪论课

1、光学薄膜制备光学薄膜制备 H. A. Macleod（麦克劳德），Thin-Film Optical Filters, Bristol &Philadelphia,2001. 光学薄膜技术，作者：卢进军、刘卫国，西 北工业大学出版社。 现代光学薄膜技术，作者：唐晋发 、顾培 夫，浙江大学出版社 主要参考主要参考 教材：教材： 生活中的光学薄膜 光学薄膜的类型与符号光学薄膜的类型与符号 减反射镜减反射镜 减少光学元器件表面的反射光，提高透射光 减反膜的作用减反膜的作用 增加光学系 统透过率 减少杂散光 提高象质 减反膜的应用减反膜的应用 日常生活中 运用最为广 泛如眼镜显 示器屏幕等 等 0 1

2、 2 3 4 5 400450500550600650700 单层膜、/4-/4和/2-/2型双层增透膜理论曲线 % Reflectance Wavelength (nm) 高反射镜高反射镜 金属膜反射镜金属膜反射镜 金属有高的反射 率，吸收值大 常用银金铝 反光镜，梳妆镜 介电质膜高反射镜介电质膜高反射镜 吸收值小，有极 高的反射率 高功率雷射镜 高锐度反射镜 只取反射光，尽量减少透射光 金属反射膜 多层介质 反射膜 透 射 率 双色分光 镜原理图 偏振分光镜 原理图 S P 中性分 光镜 中性 分光镜 双色 分光镜 偏振光 分光镜 分光镜分光镜 25 S 分量分量 P分量分量 偏振偏振分光

3、分光鏡鏡:1.65/(HL)5 H/1.65 0=500nm, =45 在某波段不透光而相邻的另一波段有很高的透射率的一种光学器件 截止滤光片截止滤光片 长波通滤光片短波通滤光片 实际应用：冷光镜、彩色分光膜等 带通滤光片带通滤光片 指某波段域内透射率很高而其两旁透射率甚低的滤光片 典型结构：典型结构：FabryFabry-Perot-Perot型滤光片型滤光片 Transmittance% 实际应用：光纤通讯行业，数码，投影仪等 光学薄膜在投影机上的各种应用光学薄膜在投影机上的各种应用 减反膜，偏 振分光膜 高射反膜 减反膜，分色膜， 截止带通滤光膜 制镀技术 气态成膜法 化学气相 沉积（C

4、VD） 物理气相 沉积（PVD） 液态成膜法 化学或电 化学作用 光学薄膜制作光学薄膜制作 热电阻加热、电子枪蒸镀、热电阻加热、电子枪蒸镀、 雷射蒸镀、弧光放电等雷射蒸镀、弧光放电等 热蒸发蒸镀法热蒸发蒸镀法 平面二极溅镀、射频溅镀、平面二极溅镀、射频溅镀、 磁控溅镀等磁控溅镀等 电浆溅镀法电浆溅镀法 蒸镀和溅镀的结合，有离蒸镀和溅镀的结合，有离 子束溅镀、离子束助镀等子束溅镀、离子束助镀等 离子束溅镀法离子束溅镀法 物理气相沉积（物理气相沉积（PVD） 热电阻加热热电阻加热 特点：特点： 结构简单、成本低廉、操作方便； 电阻片加热温度有限，高熔点的 氧化物大多无法蒸镀 蒸发速率低； 合金或化

5、合物加热会导致分解。 膜质不硬，密度不高 蒸发源材料蒸发源材料： 钨（W,TM=3380） 钼（Mo,TM=2980） 钽（Ta,TM=2630）等 电子枪蒸镀法电子枪蒸镀法 特点：特点： 比起热电阻污染少，膜品质较高； 蒸发范围广，可蒸镀熔点较高之 氧化膜 热效率高、热传导和热辐射损失小 可以镀多层膜 镀膜过程中使用不同材料需要不时 调换 磁控溅镀磁控溅镀 特点：特点： 利用磁场作用，提高溅镀 速率 提高薄膜的品质 磁场会把电子偏离基板， 故可以在一些较不耐温的基 板上镀膜 可以做成连续的溅镀系统， 连续工作 离子束溅镀离子束溅镀 特点：特点： 制作的薄膜密度高，散射小 膜折射率稳定均匀，膜

6、厚精准 可以配合其他制镀方法，提高 制镀速率 增加了控制的自由度 离子束助镀离子束助镀 特点：特点： 配以蒸镀或溅镀系统，提高 镀膜速率 成膜纯度高，膜变得更缜密 光谱特性稳定 提高了膜层折射率的均匀性 镀膜厚度监控的方法镀膜厚度监控的方法 光学监控法 通过整套光学系统检测处理分析 石英晶体监控法 通过石英晶体振荡器检测 目视法 通过人眼识别 石英晶体监控法石英晶体监控法 特点特点： 石英晶体振荡的频率与晶体上薄石英晶体振荡的频率与晶体上薄 膜的质量成反比膜的质量成反比 是一种薄膜质量测量方法，它也是一种薄膜质量测量方法，它也 被称为质量微天平被称为质量微天平 厚度显示不稳定，做精密光学薄厚度

7、显示不稳定，做精密光学薄 膜数据只作参考，只作为镀膜速率膜数据只作参考，只作为镀膜速率 的控制的控制 光学膜厚监控系统光学膜厚监控系统 光学参数测量光学参数测量 由分光光度计量出薄膜的透射率及反射率进而推算出n、k、d 光度法光度法：量测光穿透或反射自薄膜后的变化求得：量测光穿透或反射自薄膜后的变化求得nkdnkd 椭圆偏振法椭圆偏振法：以偏振光经薄膜反射后量测其光振幅及相位变化求得：以偏振光经薄膜反射后量测其光振幅及相位变化求得 利用商品化的分光光度计和光谱分析仪量出穿透率和反射率等利用商品化的分光光度计和光谱分析仪量出穿透率和反射率等 光学特性测量光学特性测量 双光路分光光度计 非光学特性

8、测量非光学特性测量 附着力测试附着力测试 利用黏性较强的胶带一端贴于薄膜上另一端撕拉。利用黏性较强的胶带一端贴于薄膜上另一端撕拉。 应力测试应力测试 利用悬臂法作弯曲测试利用悬臂法作弯曲测试 利用干涉仪相位移法测量利用干涉仪相位移法测量 组成成分测量组成成分测量 利用红外光谱仪观察其分子振荡吸收光谱利用红外光谱仪观察其分子振荡吸收光谱 结构测量结构测量 利用穿透式电子显微镜观测纵剖面利用穿透式电子显微镜观测纵剖面 用扫描式电子显微镜做隔电隔磁屏障以提高解析用扫描式电子显微镜做隔电隔磁屏障以提高解析 度直接扫描膜层纵剖面度直接扫描膜层纵剖面 基板工艺基板工艺 基片的种类： 玻璃(冕牌玻璃，火石玻

9、璃) 晶体 塑料 陶瓷 金属 基片的清洗： 洗涤剂、 化学药品、 超声波清洗、 离子轰击、 手工擦拭、 紫外线和臭氧等 光学薄膜材料光学薄膜材料 常用光学薄膜的材料从化学组成上可分为：氧化物、常用光学薄膜的材料从化学组成上可分为：氧化物、 氟化物和金属合金氟化物和金属合金 氧化物材料：具有熔点高，比重大，高折射率和高机械度，氧化物材料：具有熔点高，比重大，高折射率和高机械度， 膜质硬的特点，如膜质硬的特点，如二氧化钛二氧化钛，氧化硅等，氧化硅等 氟化物材料：具有熔点低，小比重，低折射率和较差机械度，氟化物材料：具有熔点低，小比重，低折射率和较差机械度， 膜软，怕水的特点。如氟化镁，膜软，怕水的

10、特点。如氟化镁，冰晶石冰晶石等等 金属合金：一般金属具有较强的反光性和吸光性，因此金属金属合金：一般金属具有较强的反光性和吸光性，因此金属 （或合金）材料一般作为反光薄膜材料或光调节材料。（或合金）材料一般作为反光薄膜材料或光调节材料。 光学薄膜应用实例：光学薄膜应用实例： 眼镜镜片： 镜片材料主要是氧化物如二氧化 硅，氧化镁，氧化锌，氧化铝，氧 化钠，氧化钾等等。 UV光学白片添加少量的氧化钛或 氧化铈等吸收紫外线，最普遍防紫 外线优质白色镜片 光学玻璃成分中添加卤化银等化 合物使镜片在紫外线照射下分解成 银河卤素原子，颜色由浅变深。 有色玻璃镜片主要是镀了不同的 氧化物产生颜色起到一定的作用， 如添加氧化锰，氧化铁，氧化镍等 着茶色作太阳镜防眩光。 太阳能电池 裸硅表面的反射率在30%以上 将电池表面腐蚀成绒面或者多 孔状(增加光与半导体表面作 用的次数,同时会使电池温度 升高) 镀上减反射膜 (SiO2/SnO2/TiO2/SiNx/SiCx等) ITO镀膜 氧化铟锡（即Indium Tin Oxide, 简称ITO）材料是一种n 型半导体材料，在