光学薄膜的知识

一、薄膜特性的理论1、干涉矩阵法2、递推法二、典型膜系1、增透膜；2、高反膜；3、分束膜；4、分色膜：(1)干涉截止滤光片和(2)带通滤光片；三、制作工艺1d112N0N1N2称为薄膜的特征矩阵。1、干涉矩阵法2d112N0N1N2称为基片与薄膜组合的特征矩阵3单层膜的反射系数为：单层膜的反射率为：4多层膜：对于无吸收膜，薄膜的特征矩阵的行列式等于1。5多层膜：反射率透射率吸收率反射相移62、递推法igdAi0i1BCDER1ER2ER3ER4E0n0n1ngET1ET2ET3ET4GF7和透射系数：

(2)

单层薄膜反射率：

(3)

单层薄膜反射系数：

(1)

单层薄膜透射率：

(4)

由(3)和(4)式得：R+T=1(5)上式是在薄膜无吸收的情况下的结果。

8多层膜d1d2dK-1dKrKnKnK-1r2r3n0n1n2r1ngrK+1(21)

(22)

(23)

(24)

将此计算过程一直重复到与空气相邻的第一层，最终求得整个膜系的反射系数和反射率。这种方法称为鲁阿德法(RouardMethod)。显然，如果多层膜的层数较大时(目前有的多层膜的层数多达几十层)，反射率的表示式将非常复杂，而具体的计算将由电子计算机来完成。

9三、光学薄膜(真空)制备工艺一、真空系统及测量二、蒸发技术三、控制系统四、辅助系统五、薄膜材料六、光学薄膜的依附体——基板七、薄膜的检测内容10成膜工艺化学气相沉积电镀电解阳极氧化等等化学方法物理方法真空蒸镀离子镀溅射分子束外延等等11高真空镀膜机[1]、真空系统[2]、蒸发系统[3]、控制系统[4]、辅助系统1、机械泵；2、机械泵放气阀；3、阈阀；4、低阀；5、热偶真空规；6、高真空阀门；7、扩散泵；8、电离真空规；9、充气阀门；10、真空室；11、蒸发源；12、基片夹具12一、真空系统及测量现代的光学薄膜制备，无论是PVD还是CVD都是在真空下获得的。所根据的原理是：P-压强、V-体积、T-绝对温度、M-分子量、m-质量、R-气体普适常数(=8.31x1023/mol)真空度的表示1Pa=1N/m21Torr=133.3Pa1(atm)标准大气压=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气流特点1.以气体分子间的碰撞为主2.粘滞流过渡区域1.以气体分子与器壁的碰撞为主2.分子流平均吸附时间气体分子以空间飞行为主以吸附停留为主14泵名原理工作范围Torr

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

机械泵分子泵罗茨泵机械压缩排除气体扩散泵靠蒸汽射流携带排除气体溅射离子泵钛升华泵靠溅射或升华形成吸气、吸附排除气体吸附泵冷凝泵利用低温表面对气体进行物理吸附排气真空泵抽气原理及工作范围15机械泵原理图1617油扩散泵18扩散泵示意图19注意事项：1、不能在泵内气压高于1帕时加热扩散泵；已工作的扩散泵停止加热后，应继续用机械泵抽空，直至冷却，否则泵油易氧化变质。2、由于冷却不可能绝对完善，总有一些油分子未被冷凝而升向泵顶，进入待抽容器，这种现象叫“返油”。为减少其效果，在扩散泵顶部一般都装有水冷挡油板，它应当挡去尽量多的油蒸汽而对抽气速率的影响尽量小。3、若泵油的温度不够高，则不仅抽速慢，而且因油蒸汽喷出的速度不够快而会在到达泵壁前就因碰撞而升向泵顶，造成严重的返油现象。所以，扩散泵的加热时间不能太短，一般约需40分钟左右。20真空测量气体热传导与气压关系明显。测量范围为10~10-1Pa。离子流正比于气压。它的测量范围为：10-2~10-6Pa21二、蒸发技术热蒸发；溅射；离子镀；离子辅助蒸发22钟罩镀膜机示意图1、加热器2、(基片)玻璃3、蒸发源4、钟罩23热蒸发加热材料蒸发坩埚24丝状舟状坩埚25电子束蒸发属于热蒸发的一种形式光学膜制备的最常用手段常常可以配以其它辅助蒸发2627溅射技术阴极溅射高频溅射又称射频溅射——为溅射介质材料而设计磁控溅射——提高离化率、溅射速率，降低基片温度反应溅射28离子镀技术离子镀技术是在热蒸发技术和溅射技术结合的基础上发展起来的新工艺，1963年首先应用于人造卫星的金属滑膜。特点：膜层附着力强密度高均匀性好沉积速度快、应用：高硬度刀具耐磨固体润滑膜29近20年来围绕电子束蒸发出现的三种先进蒸发工艺离子辅助反应离子镀等离子体增强离子辅助30

离子辅助IADIAD技术是在电子束蒸发的同时用离子束轰击，离子由离子源产生，离子束由栅极引出，电子枪和离子源各自独立工作。膜层在离子的轰击作用下获得能量，使结构得到改善。31反应离子镀(RIP)RIP是个混合蒸发的过程：在电子枪蒸发的同时，等离子体发生源灯丝与电子枪蒸发材料的坩埚之间产生放电，被引入的反应气体与蒸发材料都被部分电离为等离子体，并在电场中被加速，在气体放电中离子与离子、离子与电子发生碰撞并反应，在荷能粒子的轰击下薄膜凝结基底表面。32三、控制系统1、时间2、颜色3、光学控制4、石英晶体震荡控制33光学膜厚监控系统34石英晶体法监控膜厚主要是利用了石英晶体的两个效应，即压电效应和质量负荷效应。石英晶体的压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸、切割类型，而且还取决于晶片的厚度。当晶片上镀了某种膜层，使晶片的厚度增大，则晶片的固有频率会相应的衰减。石英晶体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的量进行膜厚测量的。35四、辅助系统加温——————温度测量与控制充气——————真空度测量与压强控制工件架——————公、自转，均匀性调整离子轰击——————直流与射频比较片架——————透射、反射、内反射36五、薄膜材料透明区折射率强度激光阈值蒸发方法1、金属材料：铝、铬、银、金等2、介质和半导体材料冰晶石、氟化镁、硫化锌、二氧化钛、二氧化锆、二氧化硅；锗、硅、硒化锌；根据薄膜设计的结果，有些设计出来的折射率在现实中没有对应的材料，怎么办？可利用现有的材料合成所需要的折射率。这种新折射率具有明显的色散性。37六、光学上常用的基板一)、玻璃----在光学应用上最重要二)、陶瓷三)、光学晶体四)、光学塑料(如PC、PMMA等)五)、金属38一)、玻璃玻璃可以分为：1、无色光学玻璃2、有色光学玻璃3、普通玻璃4、特殊玻璃等1、无色光学玻璃的分类根据化学成分，无色光学玻璃可以分为两类。(1)、冕牌玻璃----带K的玻璃，折射率n较小，色散系数大，可分为氟冕(FK)、磷冕(PK)、轻冕(QK)、钡冕(BaK)、重冕(ZK)、镧冕(LaK)、特冕(TK)等；(2)、火石玻璃----带F的玻璃，折射率n较大。色散系数大，可分为冕火石(KF)、轻火石(QF)、钡火石(BaF)、重火石(ZF)、镧火石(LaF)等。共有160多种之多。391、nd----指587.7nm(氦黄线)处的折射率；2、nD----指589.3nm(钠黄线)处的折射率；3、相对色散(阿贝数)vd

、vD

----由nf(486.1nm)和nc(656.3nm)确定：

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

vD=(nD-1)/(nf-nc)无色光学玻璃一些技术指标40无色光学玻璃的分级玻璃按下列各项质量指标分类和分级。a、折射率、色散系数与标准数值的允许差值；b、同一比中，折射率及色散系数的一致性；c、光学均匀性；d、应力双折射；e、条纹度；f、气泡度；g、光吸收系数；h、耐辐射性能(N系列玻璃)。41根据折射率与标准数值的允许差值，玻璃分为6类。类别折射率nd允许差值类别折射率nd允许差值00±2×10-42±7×10-40±3×10-43±10×10-41±5×10-44±20×10-442玻璃的光学均匀性以一块玻璃中各部位间的折射率微差最大值Δ

nmax表示时，按下表分为4类。类别折射率最大微差，ΔnmaxH1±2×10-6H2±5×10-6H3±1×10-5H4±2×10-5

432、有色玻璃它主要是滤光作用，有时候替代镀膜，有时候和薄膜组合。按照着色原理可以分为胶态着色和离子着色有色玻璃两类。通过加入不同的吸收离子，我们可以得到各种各样颜色的玻璃。我们在用的蓝玻璃就是一种有色玻璃，HOYA叫CM5000，肖特叫BG38、BG39等，国际、国内均有一些专业的有色玻璃生产商。44有色玻璃和镀膜在曲线上的区别453、普通玻璃如青板玻璃，是由于加了0.08~0.12%的氧化铁的缘故；二价、三价铁分别在1100nm和380nm处构成吸收带，吸收了部分红光和青光；它的折射率n=1.515。白板玻璃、超白玻璃等均要归入此列。464、特殊玻璃特殊玻璃可以包括A、耐辐射玻璃；B、石英玻璃；C、隔热玻璃；D、微晶玻璃；E、耐热玻璃；F、硬质玻璃等。47二)、光学塑料

塑料是一种以合成树脂或天然树脂(一般为高分子聚合物)为基本成分，在加工过程中，可塑制成型，产品最终能保持形状不变的材料。光学塑料乃是一种可以与玻璃竞争的透明塑料。它具有一定的光学特性、机械特性和化学特性，能满足光学零件的要求，从而逐渐构成光学三大基本材料之—(玻璃、光学晶体和光学塑料)。塑料是什么？481、光学塑料的应用目前，光学塑料的应用大致分为三大类。A、塑料透镜(包括工业、仪器用透镜、眼镜、接触眼镜、非球面透镜、棱镜和菲涅耳透镜等)；B、光盘及光学纤维；C、其它功能性光学塑料元件。其应用范围、越来越广。492、常见的光学塑料

在世界范围内，光学塑料品种已有上百种，但真正用到工业开发，应用面广的品种并不多，据统计约十多种，如PMMA、PS、PC、SAN、CR一39、TPX等。各种文献中报道的新品种非常多，日本就有了s—16、KT一153、TS一26等。最近日本开发出了一种聚烯烃树脂，是用作光盘的新材料，它的相对密度小，仅1.01，耐热性好(Tg为140℃)，透光率为90％。可见光学塑料的发展日新月异。503、光学塑料的类型据受热后的性能变化，光学塑料可分为两大类。①热塑性光学塑料：热塑性塑料是指可以多次反复加热仍有可塑性的塑料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)均属热塑性塑料。②热固性光学塑料：热固性塑料是由加热固化的合成树胳制成的塑料，常见的如CR一39树脂镜片，环氧光学塑料。514、光学塑料的优势A、成型方便，成本低(约为玻璃的1/10~1/30)；B、耐冲击强度高(光学塑料的冲击强度可达25×103N·m/m2，比光学玻璃大10倍．经得起撞击和跌落，不易破损)；C、相对密度小：光学塑料的相对密度为0.83~1.46，而玻璃的相对密度为2.5~3.0，即塑料比玻璃轻一倍，这对军用光学仪器有特殊意义。D、透光率好(可见区和玻璃一样，在紫外和红外区比玻璃好)525、光学塑料的缺点①折射率温度梯度大：约为2×10-4/℃，对于光学系统来说是特别不利的；②热膨胀系数比玻璃大10倍左右；③导热性和耐热性差，软化温度低，易变形，加热时会变形和分解；⑦不耐有机溶剂；⑧耐磨性差；⑥吸湿性严重；⑦光学塑料的折射率和色散系数没有玻璃宽，因此，选用的余地受限制。53三)、光学晶体晶族晶系特征轴单位轴角低族晶系三斜a0≠b0≠c0α0≠β0≠γ0≠

90°单轴a0≠b0≠c0α0=γ0=

90°，β0≠90°正交a0≠b0≠c0α0=β0=γ0=

90°中级晶系四方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°晶体对我们来说既熟悉又陌生，包括食盐、糖以及一些药物等均是；晶体具有规则的几何多面体形状，它是具有晶格构造的固体。晶体包括三大晶族七大晶系，如下表。光学晶体常用中级晶族和高级晶族，石英就是六方晶系54晶体的基本性质1、均一性：内部质点的性质和排列方式一致；2、各向异性