光学薄膜基础知识

光学薄膜

讲解内容：①光学薄膜的理论基础及应用范围和发展前景

②光学薄膜基础理论知识

③镀膜制备技术

④镀膜材料

⑤镀膜检测

光学薄膜是一门综合性非常强的工程技术科学。它的理论基础是电磁场理论和麦克斯韦方程，涉及光在传播过程中，通过多层介质时的反射、反射各偏振性能等。随着科学的进步和人们生活水平的不断提高，促使镀膜技术得到了非速的发展。在许多情况下，人们关心的是材料的表面，在普通的基底材料上若镀以适当的膜，就可以获得奇迹般的效果。膜是物质存在的一种形式。多年来，在膜的理论、制备工艺、测试方法和应用等方面，进行了大量的研究和开发工作，已发展成为一门新兴的边缘科学——膜学。它涉及物理学、化学、数学等基础学科和材料、等离子体、真空、测量与控制等技术领域。它是多种学科综合的产物，同时也促进了相关学科和技术的发展。膜学是材料中最活跃、最富成效、最有前途的一项技术。

镀膜的方法很多，分类方法也各不相同。按膜层的形成方法分类，可以分为干式镀膜和湿式镀膜。

干式镀膜是指要真空的条件下，应用物理或化学的方法，将材料汽化成原子、分子或使成电离成离子，并通过气相过程，在基体表面沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。因此也有人称为气相过程或真空镀膜。在干式镀膜中有以真空镀、溅射镀膜、离子镀为代表的物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。

湿式镀膜是指将工件置于电解质溶液中，通过化学、电化学的方法，使其表面形成镀层，所以也有人称溶液法为液相沉积法，它可以分为电镀、化学镀、化学转化膜处理几种。

镀膜技术应用广泛，如太阳能电池、太阳能集热管、集成电路、半导体器件、平板显示器、光控及节能玻璃、信息储存作用器件、敏感元件、工模具超硬涂层及手表、眼镜、卫生洁具等日用品精钸层、塑料制品金属化、包装用塑料薄膜等各个领域，在工业现代化和国民经济发展中的越来越大，在国内外生产、科研、教学领域受到普遍重视，得到了迅猛发展。

光学薄膜基础理论知识

光波：紫外光、可见光、红外光。

可见光：波长在400nm到760nm之间的电磁波，能引起人眼视觉。

紫外光：波长比400nm短的光波。

红外光：波长比760nm长的光波。

波长比红外光更长的电磁波是无线电波，整个无线电波又按波长划分为微波、超短波、中波和长波。

波长为几毫米的电磁波，可以用光学方法产生叫远红外光，也可以用电学方法产生叫微波。

单位换算

1m(米）=102cm(厘米）=103mm(毫米）=106（微米）=109mu(毫微米，或纳米）=1010A0（埃）

一般在红外光波段采用的单位是u(微米），在紫外光到可见光波段中采用的是A0（埃），近年来用毫微米（mu或nm)来代替。

什么叫做光学薄膜？

所谓光学薄膜，首先它应该是薄的，厚度应该和入射光波长可以相比拟的；然后它应该会产生一定的光学效应，即光的干涉现象。

什么叫光的干涉？

物理定义：当两个或多个光波（光束）在空间叠加时，在叠加区域内出现的各点强度稳定的强弱分布现象。

产生的条件：1.光波产生的相位差稳定不变

2.光波的振幅不能相互垂直

3.光波的频率要一致

光学薄膜的类型

1.增透膜（减反射增透过），按波长、波段和带宽又细分为：单点增透（单波长），宽带增透（有一定带宽要求的），紫外增透（波长在紫外光的），可见光增透（波长在可见光的），红外及远红外增透膜（波长在红外光、远红外光的），此外还有倍频增透膜。

2.防眩光膜（含吸收层），可以减少周围杂光的影响。

3.分光膜：透过与反射近似于1：1.

4.偏振膜（透过P分量与S分量100比1）

5.反射膜（内外射、外反射）

6.滤光片（长波通、短波通、带通、截止等）

7.保护膜

8.金属膜（金、银、铝、铬、锡、镍、钛等）

9.导电膜（较低的电阻和可见区高透过）

10.防水膜（也叫憎水膜，防水防指纹）

真空

真空：指在给定空间内，压强低于1标准大气压的气体状态。

真空度：表明真空状态下气体稀薄程度的物理量。

镀膜为什么要抽真空？

1.空气中的活性分子与薄膜、蒸发材料、蒸发用的加热器发生反应，形成化合物。

2.空气分子进入薄膜形成杂质。

3.气体分子妨碍蒸发物质的原子、分子直线前进，从而不少蒸气分子不能到达基底。

4.蒸气物质在真空中达到饱和蒸气压所需的温度低于空气中要求的温度。

真空划分：粗真空1，013×105—103pa

低真空103—10-1pa

高真空10-1—10-6pa

超高真空10-6—10-12pa 极高真空<10-12pa

一般要求镀膜的真空度高于7×10-3Pa,衡量一台镀膜机真空性能的判定标准是极限真空和抽速。

镀膜制备技术

镀膜机的构造分为三个系统：真空、蒸发和膜厚控制、电路。衡定一台镀膜机真空的好坏有两个参数：抽速和极限真空。

镀膜主要工艺因素对薄膜性能的影响

工艺因素对薄膜性能的影响机理大致为：

一. 基片材料

1. 膨胀系数不同热应力的主要原因；

2. 化学亲和力不同影响膜层附着力和牢固度；

3. 表面粗糙度和缺陷散射的主要来源。

二. 基片清洁

残留在基片表面的污物和清洁剂将导致：

1. 膜层对基片的附着力差；

2. 散射吸收增大抗激光损伤能力差；

3. 透光性能变差。

三. 离子轰击的作用

提高膜层在基片表面的凝聚系数和附着力；提高膜层的聚集密度，氧化物膜层的透过率增加，折射率提高，硬度和

抗激光损伤阈值提高。

四. 初始膜料

化学成分（纯度/杂质种类）、物理状态（粉/块）和

预处理（真空烧结/锻压）影响膜层结构和性能

五. 蒸发方法

不同蒸发方法提供给蒸发分子和原子的初始动能差异很大，导致膜层结构有较大差异，表现为折射率、散射、

附着力有差异。

六. 蒸发速率

速率是动能的又一表征，它对膜层的折射率、应力、

附着力有明显影响。

七. 真空度

对膜层聚集密度，化学成分有影响，从而使膜层的折射率、硬度，牢固性发生变化。

八. 蒸气入射角

影响膜层的生长结构和聚集密度。对膜层的折射率和散射性能有较大影响。一般应限制在30°之内。