薄膜光学与镀膜技术

薄膜光学与镀膜技术Speaker：HarryThinFilmOpticsandCoatingTechnology第一页，共三十六页。薄膜光学原理应用制作第二页，共三十六页。光是一种电磁波可见光波长范围760~400nm红外光波长范围0.76~1000um紫外光波长范围10~400nm一、什么是光？光学薄膜原理第三页，共三十六页。光波遇到有界面时会受到影响引起反射和透射现象右图为折射率为n的光学薄膜1、2、3为反射光(R)1’、2’、3’、为透射光(T)二、光的现象光学薄膜原理第四页，共三十六页。当光在膜层中的干涉现象可被侦测到时，我们认为这层膜是薄的光学薄膜就是在光学元件上或独立基板上镀上特定的膜质来改变光波传递的特性。Q：薄膜有什么特点？光学薄膜由光的干涉作用达到效果Q：那么要薄到什么程度呢？三、什么是光学薄膜？光学薄膜原理第五页，共三十六页。生活中的光学薄膜光学薄膜原理第六页，共三十六页。光学薄膜在光学系统中的作用提高光学效率减少杂光

高反射镜减反射镜实现光束的调整或再分配

分光镜分色镜通过波长的选择性透过提高系统信噪比

截止滤光片

带通滤光片光学薄膜应用第七页，共三十六页。高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吸收值小，有极高的反射率高功率雷射镜高锐度反射镜光学薄膜应用只取反射光，尽量减少透射光第八页，共三十六页。减反射镜减少光学元器件表面的反射光，提高透射光光学薄膜应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日常生活中运用最为广泛如眼镜显示器屏幕等等第九页，共三十六页。双色分光镜原理图偏振分光镜原理图SP中性分光镜分光镜中性分光镜双色分光镜

偏振光分光镜光学薄膜应用第十页，共三十六页。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、彩色分光膜等光学薄膜应用第十一页，共三十六页。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：Fabry-Perot型滤光片Transmittance%实际应用：光纤通讯行业，数码，投影仪等光学薄膜应用第十二页，共三十六页。光学薄膜的类型与符号光学薄膜应用第十三页，共三十六页。光学薄膜在投影机上的各种应用光学薄膜应用减反膜，偏振分光膜高射反膜减反膜，分色膜，截止带通滤光膜第十四页，共三十六页。制镀技术气态成膜法化学气相沉积（CVD）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第十五页，共三十六页。热蒸发蒸镀法热电阻加热、电子枪蒸镀、雷射蒸镀、弧光放电等电浆溅镀法平面二极溅镀、射频溅镀、磁控溅镀等离子束溅镀法蒸镀和溅镀的结合，有离子束溅镀、离子束助镀等物理气相沉积（PVD）光学薄膜制作第十六页，共三十六页。热电阻加热特点：

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；合金或化合物加热会导致分解。膜质不硬，密度不高光学薄膜制作蒸发源材料：钨（W,TM=3380℃）钼（Mo,TM=2980℃）钽（Ta,TM=2630℃）等第十七页，共三十六页。电子枪蒸镀法特点：

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光学薄膜制作第十八页，共三十六页。磁控溅镀特点：

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，连续工作光学薄膜制作第十九页，共三十六页。离子束溅镀光学薄膜制作特点：

制作的薄膜密度高，散射小膜折射率稳定均匀，膜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第二十页，共三十六页。离子束助镀特点：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光学薄膜制作第二十一页，共三十六页。镀膜厚度监控的方法目视法通过人眼识别石英晶体监控法通过石英晶体振荡器检测光学监控法通过整套光学系统检测处理分析光学薄膜制作第二十二页，共三十六页。石英晶体监控法特点：石英晶体振荡的频率与晶体上薄膜的质量成反比是一种薄膜质量测量方法，它也被称为质量微天平厚度显示不稳定，做精密光学薄膜数据只作参考，只作为镀膜速率的控制光学薄膜制作第二十三页，共三十六页。光学膜厚监控系统光学薄膜制作第二十四页，共三十六页。光学薄膜制作第二十五页，共三十六页。光学薄膜制作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：量测光穿透或反射自薄膜后的变化求得n\k\d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第二十六页，共三十六页。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薄膜制作光学特性测量双光路分光光度计第二十七页，共三十六页。光学薄膜制作非光学特性测量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。应力测试利用悬臂法作弯曲测试利用干涉仪相位移法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结构测量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度直接扫描膜层纵剖面第二十八页，共三十六页。基板工艺基片的种类：玻璃(冕牌玻璃，火石玻璃)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制作第二十九页，共三十六页。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、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，膜质硬的特点，如二氧化钛，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，膜软，怕水的特点。如氟化镁，冰晶石等金属合金：一般金属具有较强的反光性和吸光性，因此金属（或合金）材料一般作为反光薄膜材料或光调节材料。光学薄膜制作第三十页，共三十六页。金属膜应用介质膜应用K--λ

利用其反射率高,截至带宽,偏振小,制备简单,在反射镜,诱导透射滤光片和消偏振薄膜等场合广泛应用K=0

利用其吸收小,选择性反射,设计参数多,膜层强度高等特点,在低损耗,高反射膜,高透射带通滤光片,截止滤光片以及各种复杂膜系方面广泛应用R随着λ增加而增大T随着λ增加而增大高的损耗低的损耗较厚膜无干涉效应具有干涉效应下表列出了金属膜与介质膜的理想性质.实际的材料或多或少地会偏离这些理想材料,如介质有一定的消光系数k,而金属也有一定的实数折射率n.金属膜与介质膜的比较光学薄膜制作第三十一页，共三十六页。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。光学薄膜制作第三十二页，共三十六页。光学薄膜应用实例：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)光学薄膜制作第三十三页，共三十六页。ITO镀膜·氧化铟锡（即IndiumTinOxide,简称ITO）材料是一种n型半导体材料，在In2O3掺入SnO2.·具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和化学稳定性·液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、电致发光显示器（EL/OLED）、触摸屏（Tou