薄膜光学与镀膜技术课件
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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？
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
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5
光学薄膜原理
生 活 中 的 光 学 薄 膜
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6
光学薄膜应用
光学薄膜在光学系统中的作用
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7
光学薄膜应用
高反射镜
只取反射光，尽量减少透射光
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8
光学薄膜应用
减反射镜
减少光学元器件表面的反射光，提高透射光
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9
光学薄膜应用
分光镜
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中性分 光镜
双色分光 镜原理图 S
P 偏振分光镜 原理图
10
光学薄膜应用
截止滤光片
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
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
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29
光学薄膜制作
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。
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光学薄膜制作
金属膜与介质膜的比较
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
应用
介质膜
应用
K--λ
R随着λ增加而增 大
高的损耗
较厚膜无干涉效 应
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
薄膜光学与镀膜技术
Thin Film Optics and Coating Technology
Speaker：Harry
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2
光学薄膜原理
一、什么是光？
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
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23
光学薄膜制作
光学膜厚监控系统
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24
光学薄膜制作
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25
光学薄膜制作
光学参数测量
➢光度法：量测光穿透或反射自薄膜后的变化求得n\k\d 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 ➢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
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泛应用
K=0 T随着λ增加而增
大 低的损耗
具有干涉效应
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
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光学薄膜制作
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。
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光学薄膜制作
光学特性测量
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
双光路分光光度计
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27
光学薄膜制作
非光学特性测量
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28
光学薄膜制作
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
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20
光学薄膜制作
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
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21
光学薄膜制作
镀膜厚度监控的方法
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22
光学薄膜制作
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
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光学薄膜应用
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
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光学薄膜应用
光 学 薄 膜 的 类 型 与 符 号
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光学薄膜应用
光
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光学薄膜原理
二、光的现象
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)
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光学薄膜原理
三、什么是光学薄膜？
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？
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光学薄膜制作
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
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19Biblioteka Baidu
光学薄膜制作
离子束溅镀
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
学
薄
膜
在
投
影
机
上
的
各
种 应 用
减反膜，偏 振分光膜
减反膜，分色膜， 截止带通滤光膜
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高射反膜
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光学薄膜制作
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15
光学薄膜制作
物理气相沉积（PVD）
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光学薄膜制作
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
蒸发源材料： 钨（W,TM=3380℃） 钼（Mo,TM=2980℃） 钽（Ta,TM=2630℃）等
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光学薄膜制作
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
Q：那么要薄到什么程度呢？
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
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光学薄膜原理
生 活 中 的 光 学 薄 膜
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光学薄膜应用
光学薄膜在光学系统中的作用
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光学薄膜应用
高反射镜
只取反射光，尽量减少透射光
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光学薄膜应用
减反射镜
减少光学元器件表面的反射光，提高透射光
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光学薄膜应用
分光镜
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中性分 光镜
双色分光 镜原理图 S
P 偏振分光镜 原理图
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光学薄膜应用
截止滤光片
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
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
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光学薄膜制作
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。
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光学薄膜制作
金属膜与介质膜的比较
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
应用
介质膜
应用
K--λ
R随着λ增加而增 大
高的损耗
较厚膜无干涉效 应
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
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Thin Film Optics and Coating Technology
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光学薄膜原理
一、什么是光？
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
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光学膜厚监控系统
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光学薄膜制作
光学参数测量
➢光度法：量测光穿透或反射自薄膜后的变化求得n\k\d 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 ➢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
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泛应用
K=0 T随着λ增加而增
大 低的损耗
具有干涉效应
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
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31
光学薄膜制作
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。
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光学薄膜制作
光学特性测量
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
双光路分光光度计
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非光学特性测量
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光学薄膜制作
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
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20
光学薄膜制作
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
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光学薄膜制作
镀膜厚度监控的方法
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光学薄膜制作
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
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光学薄膜应用
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
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实际应用：光纤通讯行业，数码，投影仪等
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光学薄膜应用
光 学 薄 膜 的 类 型 与 符 号
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光学薄膜应用
光
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光学薄膜原理
二、光的现象
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)
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光学薄膜原理
三、什么是光学薄膜？
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？
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光学薄膜制作
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
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光学薄膜制作
离子束溅镀
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
学
薄
膜
在
投
影
机
上
的
各
种 应 用
减反膜，偏 振分光膜
减反膜，分色膜， 截止带通滤光膜
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高射反膜
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光学薄膜制作
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光学薄膜制作
物理气相沉积（PVD）
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光学薄膜制作
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
蒸发源材料： 钨（W,TM=3380℃） 钼（Mo,TM=2980℃） 钽（Ta,TM=2630℃）等
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光学薄膜制作
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