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          光学薄膜的特性原理及分类

          发布日期:2018年11月08日    浏览次数:6632

          随着科技技术的发展和经济全球化,当今人类已进入知识经济社会和信息社会。并且伴随“中国制造”的发展,光学制造在中国大陆的土地上方兴未艾,发展迅猛异常。中国光学制造已经开始在国际经济舞台上有了重要的地位,中国的光学玻璃产量和光学零件产量已近名列第一。光学薄膜是改变光学零件表面特征而镀在光学零件表面上的一层或多层膜。可以是金属膜、介质膜或这两类膜的组合。光学薄膜是各种先进光电技术中不可缺少的一部分,它不仅能改善系统性能,而且是满足设计目标的必要手段,光学薄膜的应用领域设及光学系统的各个方面,包括激光系统,光通信,光显示,光储存等,主要的光学薄膜器件包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等。它们在国民经济和国防建设中得到了广泛的应用,获得了科学技术工作者的日益重视。

            目前,光学镀膜材料常用品种已达60余种,而且其品种、应用功能还在不断被开发。近年来以发展到了金属膜系,当金、银、铜和铝的厚度为7~20um时,其对可见光的透射率为50%,而红外光透射率小于10%,这种薄膜已成功地应用于阿波罗宇宙飞船的面板,用于透过部分可见光,而反射几乎全部的红外光以进行热控制。以下本文主要介绍光学薄膜的特性原理及分类。

          一、光学薄膜的定义

            由薄的分层介质构成的,通过界面传播光束一类光学介质材料,光学薄膜的应用始于20 世纪30年代,光学薄膜已经广泛用于光学和光电子技术领域,制造各种光学仪器。制备条要求件高而精。

            光学薄膜的定义是:涉及光在传播路径过程中,附着在光学器件表面的厚度薄而均匀的介质膜层,通过分层介质膜层时的反射、透(折)射和偏振等特性,以达到我们想要的在某一或是多个波段范围内的光的全部透过或光的全部反射或偏振分离等各特殊形态的光。

            光学薄膜在我们的生活中无处不在,从精密及光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜应用;比方说,平时戴的眼镜、数码相机、各式家电用品,或者是钞票上的防伪技术,皆能被称之为光学薄膜技术应用之延伸。倘若没有光学薄膜技术作为发展基础,近代光电、通讯或是镭射技术将无法有所进展,这也显示出光学薄膜技术研究发展的 重要性。

            光学薄膜系指在光学元件或独立基板上,制镀上或涂布一层或多层介电质膜或金属膜或这两类膜的组合,以改变光波之传递特性,包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变。故经由适当设计可以调变不同波段元件表面之穿透率及反射率,亦可以使不同偏振平面的光具有不同的特性。

            一般来说,光学薄膜的生产方式主要分为干法和湿法的生产工艺。所谓的干式就是没有液体出现在整个加工过程中,例如真空蒸镀是在一真空环境中,以电能加热固体原物料,经升华成气体后附着在一个固体基材的表面上,完成涂布加工。日常生活中所看到装饰用的金色、银色或具金属质感的包装膜,就是以干式涂布方式制造的产品。但是在实际量产的考虑下,干式涂布运用的范围小于湿式涂布。湿式涂布一般的做法是把具有各种功能的成分混合成液态涂料,以不同的加工方式涂布在基材上,然后使液态涂料干燥固化做成产品。

          二、薄膜干涉原理

            1、光的波动性

            19世纪60年代,美国物理学家麦克斯韦发展了电磁理论,指出光是一种电磁波,使波动说发展到了相当完美的地步。

            由光的波粒二象性可知,光同无线电波、X射线、?射线一样都是电磁波,只是它们的频率不同。电磁波的波长λ、频率u和传播速率V三者之间的关系为:

            V=λu

            由于各种频率的电磁波在真空中德传播速度相等,所以频率不同的电磁波,它们的波长也就不同。频率高的波长短,频率低的波长长。为了便于比较,可以按照无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和? 射线等的波长(或频率)的大小,把它们依次排成一个谱,这个谱叫电磁波谱。

            在电磁波谱中,波长最长的是无线电波,无线电波又因波长的不同而分为长波、中波、短波、超短波和微波等。其次是红外线、可见光和紫外线,这三部分合称光辐射。在所有的电磁波中,只有可见光可以被人眼所看到。可见光的波长约在0.76微米到0.40微米之间,仅占电磁波谱中很小的一部分。再次是X射线。波长最短的电磁波是y射线。

            光既然是一种电磁波,所以在传播过程中,应该变现出所具有的特征-----干涉、衍射、偏振等现象。

          2、薄膜干涉

            薄膜可以是透明固体、液体或由两块玻璃所夹的气体薄层。入射光经薄膜上表面反射后得第一束光,折射光经薄膜下表面反射,又经上表面折射后得第二束光,这两束光在薄膜的同侧,由同一入射振动分出,是相干光,属分振幅干涉。若光源为扩展光源(面光源),则只能在两相干光束的特定重叠区才能观察到干涉,故属定域干涉。对两表面互相平行的平面薄膜,干涉条纹定域在无穷远,通常借助于会聚透镜在其像方焦面内观察;对楔形薄膜,干涉条纹定域在薄膜附近。

            实验和理论都证明,只有两列光波具有一定关系时,才能产生干涉条纹,这些关系称为相干条件。薄膜的想干条件包括三点: 两束光波的频率相同; 束光波的震动方向相同; 两束光波的相位差保持恒定。

            薄膜干涉两相干光的光程差公式为:

            Δ=ntcos(α) ± λ/2

            式中n为薄膜的折射率;t为入射点的薄膜厚度;α为薄膜内的折射角;λ/2是由于两束相干光在性质不同的两个界面(一个是光疏介质到光密介质,另一个是光密介质到光疏介质)上反射而引起的附加光程差。薄膜干涉原理广泛应用于光学表面的检验、微小的角度或线度的精密测量、减反射膜和干涉滤光片的制备等。

            光是由光源中原子或分子的运动状态发生变化辐射出来的,每个原子或分子每一次发出的光波,只有短短的一列,持续时间约为10亿秒对于两个独立的光源来说,产生干涉的三 个条件,特别市相位相同或相位差恒定不变这个条件,很不容易满足,所以两个独立的一般光源是不能构成相干光源的。不仅如此,即使是同一个光源上不同部分发出的光,由于它们是不同的原子或分子所发出的,一般也不会干涉。

          3、光学薄膜特点分类

            主要的光学薄膜器件包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等,它们在国民经济和国防建设中得到广泛的应用,获得了科学技术工作者的日益重视。例如采用减反射膜后可使复杂的光学镜头的光通量损失成十倍的减小;采用高反射膜比的反射镜可使激光器的输出功率成倍提高;利用光学薄膜可提高硅电池的效率和稳定性。

            最简单的光学薄膜模型是表面光滑、各向同性的均匀介质膜层。在这种情况下,可以用光的干涉理论来研究光学薄膜的光学性质。当一束单色光平面波入射到光学薄膜上时,在它的两个表面上发生多次反射和折射,反射光和折射光的方向有反射定律和折射定律给出,反射光合折射光的振幅大小则有菲涅尔公式确定。

            光学薄膜根据其用途分类、特性与应用可分为:反射膜、增透膜/减反射膜、滤光片、偏光片/偏光膜、补偿膜/相位差板、配向膜、扩散膜/片、增亮膜/棱镜片/聚光片、遮光膜/黑白胶等。相关衍生的种类有光学级保护膜、窗膜等。

            光学薄膜的特点是:表面光滑,膜层之间的界面呈几何分割;膜层的折射率在界面上可以发生跃变,但在膜层内是连续的;可以是透明介质,也可以是吸收介质;可以是法向均匀的,也可以是法向不均匀的。实际应用的薄膜要比理想薄膜复杂得多。这是因为:制备时,薄膜的光学性质和物理性质偏离大块材料,起表面和界面是粗糙的,从而导致光束的漫反射;膜层之间的相互渗透形成扩散界面;由于膜层的生长、结构、应力等原因,形成了薄膜的各种向异性;膜层具有复杂的时间效应。

            反射膜一般可分为两类,一类是金属反射膜,一类是全电介质反射膜。此外,还有将两者结合的金属电介质反射膜,功能是增加光学表面的反射率。

            一般金属都具有较大的消光系数。当光束由空气入射到金属表面时,进入金属内的光振幅迅速衰减,使得进入金属内部的光能相应减少,而反射光能增加。消光系数越大,光振幅衰减越迅速,进入金属内部的光能越少,反射率越高。人们总是选择消光系数较大,光学性质较稳定的金属作为金属膜材料。在紫外区常用的金属薄材料是铝,在可见光区常用铝和银,在红外区常用金、银和铜,此外,铬和铂也常作一些特种薄膜的膜料。由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能,所以必须用电介质膜加以保护。常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等。

            金属反射膜的优点是制备工艺简单,工作的波长范围宽;缺点是光损大,反射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高,可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层,组成金属电介质反射膜。需要指出的是,金属电介质射膜增加了某一波长(或者某一波区)的反射率,却破坏了金属膜中性反射的特点。

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