(整理)光学薄膜技术复习提纲讲解
光学薄膜-基础知识
干涉截止滤光片的几个重要指标
1．透射曲线开始上升(或下降) 时的波长以及此曲线上升(或下 降)的许可斜率 2．高透射带的光谱宽度、平均 透射率以及在此透射带内许可 的最小透射率 3．具有低透射率的反射带(抑 制带)的光谱宽度以及在此范围 内所许可的最大透射率。
光学薄膜-基础知识
干涉截止滤光片的分类
2、减反膜按层数分类 o 单层减反膜
光学薄膜-基础知识
一、减反膜
o 双层减反膜
% R e f le c t a n c e
单 层 膜 、 λ/4-λ/4 和 λ/2-λ/2 型 双 层 增 透 膜 理 论 曲 线
5
4
3
2
1
0
400
450
500
550
600
650
700
W a v e le n g th (n m )
➢CD、DVD驱动器
➢投影显示
➢数码领域
光学薄膜-基础知识
光学薄膜在光学系统中的作用
➢提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。 ➢实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分 光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。 ➢通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带 通滤光片、长波通、短波通滤光片。 ➢实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等
常见的有： 1、干涉截止滤光片 2、带通滤光片 3、金属滤光片 4、负滤光片
光学薄膜-基础知识
三、滤光片
1、干涉截止滤光片 要求某一波长范围的光束高透，而偏离
这一区域的光束骤然变为截止------我们把这中 类型的膜叫干涉截止滤光片。此类膜有着广泛 的用途，例如照明上用的冷光碗上的冷光膜、 舞厅里色彩变幻的旋转灯以及我们在做的 IRCUT都属于此类。
薄膜光学知识点
薄膜光学：1. 整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉。
（托马斯 杨干涉实验）2. 列举常用的光学薄膜镀膜镜片，牛顿环，滤光片、反射镜，ITO 膜，幕墙玻璃，红外膜，DWDM 、光纤薄膜器件，电致变色膜。
3. 利用薄膜可以实现的功能减少反射，提高透射率；提高反射率；提高信噪比；保护探测器不被激光破坏；重要票据的防伪等等。
总之能列出多少光的用途就能列出多少光学薄膜的用途。
提高光学效率，减少杂光。
如高效减反射膜，高反射膜。
实现光束的调整和再分配。
如分束膜，分色膜，偏振分光膜。
通过波长的选择性提高系统信噪比。
如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。
实现某些特定功能。
如ITO 透明导电膜，保护膜等。
4. 一束入射角为0θ的光入射到厚度为d1、折射率为n1的薄膜上产生的相位差为：111024cos /n d δπθλ=；双光束强度为：221212122cos2R R R r r rr δδ=+±=+±详细计算过程：5. 单层膜的多光束干涉计算：（薄膜光学2PPT 中P26-29）6. 电磁场间的关系：()111H N k E =⨯光学导纳：HN N r E=⨯，这是的另一种表达式称为光学导纳7. 光在两种材料界面上的反射：0101cos ,cos N p r s N ηηθηηηθ⎧--⎪==⎨+-*⎪⎩光：光：01010101R ηηηηηηηη*⎛⎫⎛⎫--=∙ ⎪ ⎪++⎝⎭⎝⎭8. 掌握单层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3 PPT 中P 15-211112111sin cos 1sin cos i B C i δδηηηδδ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ B C ⎡⎤⎢⎥⎣⎦称为膜系的特征矩阵 CY B=单层膜的反射系数和反射率为：000000,YY Y r R Y Y Y ηηηηηη*⎛⎫⎛⎫---==⋅ ⎪ ⎪+++⎝⎭⎝⎭9. 掌握多层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3 PPT 中P 26-2910. 【计算】偶数四分之一光学膜层的特征矩阵：2231222r r sr rY ηηηηη------=--- 奇数四分之一光学膜层的特征矩阵：222422231r r r r r sY ηηηηηη-------=--- 计算多膜层（膜层厚度为四分之一波长的整数倍）的反射率。
光学薄膜基础知识
机械性能
硬度与耐磨性
光学薄膜需要有足够的硬 度和耐磨性，以抵抗摩擦 和划痕对光学表面的影响。
韧性
光学薄膜材料需要具有一 定的韧性，以防止因受到 外力而破裂或变形。
附着力
光学薄膜与基材之间的附 着力需要足够强，以保证 薄膜的稳定性和使用寿命。
表面处理与涂层技术
通过表面处理与涂层技术，可以改善光学薄膜的表面质量、提高附着力、增强抗划伤能力等，从而提高其稳定性 和使用寿命。
降低制造成本
规模化生产
通过规模化生产，可以实现成本的降 低和效率的提高，同时提高产品的可 靠性和一致性。
优化工艺参数
通过优化工艺参数，可以减少生产过 程中的浪费和损耗，降低制造成本。 同时，采用先进的生产设备和管理模 式，也能够实现成本的降低和效率的 提高。Fra bibliotek环保照明
光学薄膜可以用于LED照明设备中，提高光 效和照明质量，降低能耗和热量的产生，同 时还可以实现可调色温、可调亮度等功能， 为环保照明提供更多可能性。
THANKS
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根据材料分类
光学薄膜可以分为金属膜、介质膜、半导体膜等，不同的材料对光的 反射、透射、吸收等特性有显著差异。
02
光学薄膜的特性
光学性能
反射与透射
光学薄膜能够根据需要改变光的 反射和透射行为，如增反膜增加 反射，减反膜减少反射并增加透
射。
干涉效应
薄膜的厚度和材料会影响光的干涉， 通过调整薄膜的厚度和材料，可以 实现对特定波长的光的干涉增强或 减弱。
光学薄膜广泛应用于光学仪器、摄影 器材、照明设备、显示屏幕等领域， 对提高光学元件的性能和改善光束质 量具有重要作用。
光学薄膜基础知识共64页
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
Байду номын сангаас
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
光学薄膜-基础知识共64页文档
ห้องสมุดไป่ตู้ 16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
光学薄膜-基础知识
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
END
光学薄膜-基础知识
热导率
表示薄膜材料导热的能 力，影响光学薄膜的散
热性能。
光学常数
描述薄膜材料对光传播 的影响，如折射率、消
光系数等。
机械性能参数
硬度
表示薄膜材料的抗划痕能力， 影响光学薄膜的耐用性。
弹性模量
表示薄膜材料的刚度，影响光 学薄膜的稳定性和抗冲击能力 。
抗张强度
表示薄膜材料抵抗拉伸的能力 ，影响光学薄膜的耐用性和稳 定性。
反射率
表示光在薄膜表面反射的比例，影响光的利 用率。
吸收率
表示光被薄膜吸收的比例，影响光的损耗。
透射率
表示光透过薄膜的比例，影响光的透过效果。
干涉效应
由于多层薄膜对光的干涉作用，影响光的相 位和振幅。
物理性能参数
密度
薄膜材料的密度，影响 光学薄膜的质量和稳定
性。
热膨胀系数
薄膜材料受热后的膨胀 程度，影响光学薄膜的
更稳定的性能等。
多功能化
光学薄膜正朝着多功能化的方向发 展，如抗反射、抗眩光、增透、偏 振等功能，以满足不同应用场景的 需求。
环保化
随着环保意识的提高，光学薄膜的 环保性能也受到了越来越多的关注， 如使用环保材料、降低生产过程中 的环境污染等。
技术挑战
制造工艺
光学薄膜的制造工艺非常复杂， 需要高精度的设备和技术，如何 提高制造工艺的稳定性和重复性
02
它是一种重要的光学元件，广泛 应用于各种领域，如显示、照明 、通信、摄影等。
光学薄膜的特性
01
02
03
高反射性
通过选择合适的膜层材料 和厚度，可以获得高反射 率，用于增强光的反射效 果。
高透射性
通过调整膜层的折射率和 厚度，可以获得高透射率， 用于提高ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的透射效果。
光学薄膜理论培训
5、离子辅助淀积
机理: 离子轰击给到达 基板的膜料粒子 提供了足够的动 能，提高了淀积 粒子的迁移率， 从而使膜层聚集 密度增加。
10
1、真空
（3）、分类
分类 粗真空 特性 低真空 102~101
高真空
超高真空
真空度范围 （Pa）10-6
气体分子之间 有大量碰撞
过渡区域
气体分子之 间较少碰撞
气体分子之间 间几乎不碰撞
真空在薄膜制备中的作用
（1）减少蒸气分子与残余气体分子的碰撞； （2）抑制残余气体和蒸发分子之间的反应；
C.IB启动时放电严重或者点 着后容易熄火 ① 清洁后的栅极预热时间 不够 ② 栅极表面清洁不彻底 ③ 栅极使用后受到污染 ④ 栅极组装不良 ⑤ 栅极间的陶瓷垫片用错
四、薄膜的制备工艺
主要工艺因素
（1）基板处理：包括抛光、清洁、离子轰击 （2）制备参数：包括基板温度、蒸发速率、真空度
薄膜主要性质：
1、光是什么？
光是一种电磁波，可见光波长范围是380～760nm；红外光为约760 到 107nm 量 级 ； 紫 外 光 1-380nm ； 比 紫 外 光 短 的 还 有 X 射 线 、 γ 射 线 （<0.001nm）等；而比红外长的就是我们熟悉的无线电波。
4
2、什么叫做光学薄膜？ 所谓光学薄膜
一般要求在高真空下镀膜
11
2、真空系统－真空泵
（1）、常见真空泵
光学薄膜的知识
有色玻璃和镀膜在曲线上的区别
T%
100 80
60 40
20
0 400 450
500 550 600
650 700 750 800 850
波长 n m
900 950 100 0
105 110
0
0
45
3、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。
单层膜的反射率为：
R
0 0
Y Y
0 0
Y Y
(0 (0
2 )2 2 )2
cos2 cos2
1 1
(02 (02
/ 1 / 1
1)2 1)2
sin2 sin2
1 1
4
多层膜：
B
C
n j 1
cos j i j sin
j
i sin j / j 1
cos j
K
21
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
舟状
丝状
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
26
27
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
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------------- ------------- 光学薄膜技术复习提纲
一、典型膜系 ㈠ 减反射膜（增透膜） 1、减反射膜的主要功能是什么？ 是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。 ★2、单层减反射膜的最低反射率公式并计算
★3、掌握常见的多层膜系表达，例如G︱H L︱A代表什么？G︱2 H L︱A？ ★4、什么是规整膜系？非规整膜系？ 把全部由λ0／4整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。 ★5、单层减反射膜只能对某个波长和它附近的较窄波段内的光波起增透作用。为了在较宽的光谱范围达到更有效的增透效果，常采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。 ★6、V形膜、W形膜的膜系结构以及它们的特征曲线。P16—17 V——G︱HL︱A W——G︱2HL︱A
㈡高反射膜 ★1、镀制金属反射膜常用的材料有铝（Al）、银（Ag）、金（Au）、铬等。 ★2、金属反射膜四点特性。P29 ①高反射波段非常宽阔，可以覆盖几乎全部光谱范围，当然，就每一种具体的金属而言，它都有自己最佳的反射波段。 ------------- ------------- ②各种金属膜层与基底的附着能力有较大差距。如Al、Cr、Ni（镍）与玻璃附着牢固；而Au、
Ag与玻璃附着能力很差。 ③金属膜层的化学稳定性较差，易被环境气体腐蚀。 ④膜层软，易划伤。 ㈢分光膜 1、什么是分光膜？ 中性分束镜能够在一定波段内把一束光按比例分成光谱成分相同的两束光， 也即它在一定的波长区域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率和反射率之比值——透反比。因而反射光和透射光不带有颜色，呈色中性。 ★2、归纳金属、介质分束镜的优缺点： 金属分束镜p32 优点：中性好，光谱范围宽，偏振效应小，制作简单 缺点：吸收大，分光效率低。 使用注意事项：光的入射方向 介质分束镜p30 优点：吸收小，几乎可以忽略，分光效率高。 缺点：光谱范围窄，偏振分离明显，色散明显。 5、偏振中性分束棱镜是利用斜入射时光的偏振，实现50/50中性分光。 ㈣、截止滤光片 ★1、什么是截止滤光片？什么是长波通、短波通滤光片？p33 截止滤光片是指要求某一波长范围的光束高效透射，而偏离这一波长的光束骤然变化为高反 射的干涉截止滤光片。 抑制短波区、透射长波区的截止滤光片称为长波通滤光片。 抑制长波区、透射短波区的截止滤光片称为短波通滤光片。 2、截止光滤片的应用：彩色分光膜。P51 ①图2.4.13分光原理；②解决棱镜式分光元件偏振效应的方法是合理设计分光棱镜的形式，尽可能减小光束在膜面上的入射角。 ㈤、带通滤光片 ★1、什么是带通滤光片？P58 在一定的波段内，只有中间一小段是高透射率的通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。 ------------- ------------- ★2、什么是通带半宽度和相对半宽度？p59
透过率为峰值透过率一半的波长宽度，称为通带半宽度2△λ。 2△λ/λ0表示相对半宽度。 ★3、金属—介质F—P干涉滤光片；全介质F—P干涉滤光片p59 金属—介质F—P干涉滤光片：F—P干涉滤光片的两个金属反射层夹一个介质层； 全介质F—P干涉滤光片：F—P干涉滤光片的反射膜是全介质膜。 二、薄膜制造技术 1、热蒸发真空镀膜设备主要由三大部分组成：①②③三个系统 p109～111 真空系统、热蒸发系统、膜层厚度控制系统。 ★2、热蒸发法的基本原理。P111 把被蒸发材料加热到蒸发温度，使之蒸发淀积到放置在工件架上的零件表面，形成所需要的膜层。 ★3、真空度的计量；单位；用什么仪器进行真空度的测量？P112 真空度的计量采用与压强相同的方法和单位。单位：Pa 真空度是用真空计进行测量的。 ★4、PVD所需真空度基本确定原则。P112 气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离。 ★5、旋片式机械泵工作原理。P113 采用旋片式的转子和定子组成，随着转子的旋转，不断地进行吸气、压缩和排气的循环过程，使连到机械泵的真空室获得真空。 ★6、油扩散泵的工作原理。P114，p115图3.3.4 ★7、罗茨泵的结构、工作原理。P116 ★8、低温冷凝泵的工作原理。P116 请归纳下表：
旋片式机械泵 采用旋片式的转子和定子组成，随着转子的旋转，不断地进行吸气、压缩和排气的循环过程，使连到机械泵的真空室获得真空。
油扩散泵 加热真空油使之蒸发，油蒸汽沿泵芯导向管道向上喷射，遇到伞形喷嘴改变运动方向，向斜下方喷出，油蒸汽俘获由进气口扩散进入泵腔的气体分子，一同运动到泵壁，沿泵壁向下流动，达到油槽时，气体分子遇热蒸发，被与排气口连接的机械泵抽走。
罗茨泵 罗茨泵在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间内，再经排气口排出。在转子之间，转子与泵壳 内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。。。。。。。。。 ------------- ------------- 低温冷凝泵 低温冷凝泵是一种利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的真空泵。是无油高真空环境 获得的设备。
★9、PVD使用的高真空系统（图3.3.7）工作原理。P117
★11、什么是电阻加热法？p120 把薄片状或线状的高熔点金属（经常使用的是钨、钼、钛）做成舟箔或丝状的蒸发源，装上 蒸镀材料，或用坩埚装上蒸镀材料，让电流通过蒸发源加热蒸镀材料使其蒸发，这就是电阻加热法。 电阻加热法不能蒸发高熔点材料。 ★12、什么是电子束加热法？e型电子枪？p121 e型电子枪：电子枪灯丝经高温加热后，产生热电子发射，这些热发射电子经阴极（灯丝）和阳极之间的高压电场加速，并聚焦成束，在线圈磁场的作用下，电子束产生270°角的偏转（电子束轨迹成e型）到达坩埚蒸发源材料的表面，使电子束所带有的巨大的动能转化为热能，对材料进行迅速加热，造成局部高温而汽化蒸发。 电子束加热法可蒸发高熔点材料。 ★13、什么是溅射？p123 ★14、什么是辉光放电溅射？p123 ★15、什么是磁控溅射？p126 ★16、什么是离子束溅射？p128 ★17、什么是离子镀？p130 膜料加热蒸发，将基片作为阴极，蒸发源作阳极，充入惰性气体（如氩）以产生辉光放电。从蒸发源蒸发的分子或原子发生电离，在强电场加速下轰击并沉积在零件表面。 ------------- ------------- ★18、热蒸发镀膜与离子镀的绕射特性比较。P131
★19、什么是离子辅助镀？p134 在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器——离子源，产生离子束，在热蒸发进行的同时，用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀结构，使膜层的稳定性提高，达到改善膜层光学和机械性能的目的。 请归纳下表：（镀膜方法不归纳，复习到这儿又是很乱） 电阻 加热法 把薄片状或线状的高熔点金属做成舟箔或丝状的蒸发源，装上蒸镀材料，或用坩埚装上蒸镀材料，让电流通过蒸发源加热蒸镀材料使其蒸发。 电子束 加热法 将电子束集中轰击薄膜材料的一部分，造成局部高温而汽化蒸发。
溅射 用高速正离子轰击膜料（靶）表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的动能而从靶表面逸出（溅射），在被镀零件表面凝聚成膜。 辉光放电溅射 辉光放电是在真空度约为10 ～10 Pa的真空中，在两个电极之间加上高电压时产生的放电现象。利用电极间的辉光放电进行溅射。
磁控溅射 利用磁场与电子交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。 离子束 溅射 用离子源发射的高能离子束直接轰击靶材，使靶材溅射、沉积到零件表面成膜。
离子镀 蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面，称为离子镀。 离子 辅助镀
在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器——离子源，产生离子束，在热蒸发进行的
同时，用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀结构，使膜层的稳定性提高，达到改善膜层光学和机械性能的目的。
三、光学薄膜制造工艺 1、真空镀制光学薄膜的基本工艺过程。P140
★2、真空度对薄膜性能的影响。P140 若真空度低，致使膜料蒸气分子与剩余气体分子碰撞几率增加，蒸气分子动能大大减小，使得蒸气分子达不到基片，或无力冲破基片上的气体吸附层，或是勉强能冲破气体吸附层但与------------- ------------- 基片的吸附能却很小，从而导致光学薄膜器件沉积的膜层疏松，机械强度差，聚积密度低，
化学成分不纯，使得膜层折射率、硬度变差。 ★3、沉积速率的影响。P140 如果沉积速率低，膜层结构疏松；沉积速率提高，会形成颗粒细而致密的膜层，光散射减小，牢固度增加。提高沉积速率的方法主要有两种：①提高蒸发源温度；②增大蒸发源面积。 ★4、离子轰击的影响。P141 镀前轰击：使基片表面因离子溅射剥离而再清洁和电活化，提高膜层在基片表面的凝集系数和附着力。 镀后轰击：提高膜层聚集密度，增进化学反应，使氧化物膜层的折射率增加，机械强度和抗激光损伤阈值提高。 ★5、蒸气入射角的影响。P141
蒸气入射角指蒸气分子入射方向与基片沉积表面法线的夹角。为了获得高质量薄膜，须控制膜料蒸气分子的入射角，一般应限制在30°之内。
★6、基片清洁的影响。P141 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能力差；
(3)透光性能变差。 ★6、什么是目视法膜厚控制？如何根据反射光的颜色近似判断薄膜的光学厚度？互补判断。p148
利用人眼对薄膜厚度变化时引起光束透过强度的变化，或薄膜的干涉色的变化，来判断膜层的厚度。
根据薄膜干涉色的变化来控制膜厚是因为当单层薄膜的光学厚度为λ/4，薄膜的折射率为基底折射率的平方根时，则对波长为λ的光而言，产生零反射。而对其他波长的光仍有不