光学薄膜技术-0
光学薄膜技术第三章--薄膜制造技术
光学薄膜技术第三章——薄膜制造技术—-—-———-—--—--———————-—-——--——-—作者：—--—-————-——--—-————-———————-———日期：第三章薄膜制造技术光学薄膜可以采用物理汽相沉积(PVD)和化学液相沉积(CLD）两种工艺来获得.CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜,废水废气对环境造成污染，已很少使用.PVD需要使用真空镀膜机,制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。
PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。
制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几个原子、分子的集合体(从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚.在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在,那就会产生如下一些问题：①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜；②空气分子进入薄膜而形成杂质；③空气中的活性分子与薄膜形成化合物；④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成化合物，从而不能进行正常的蒸发等等.因此,必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个过程称为抽气。
空气压力低于一个大气压的状态称为真空，而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备.制作薄膜最重要的装备是真空设备．真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备.二者真空度不同,这两种真空设备的抽气系统基本上是相同的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气系统的材料也不同,下图是典型的高真空设备的原理图，制作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类.下图是超高真空设备的原理图,在原理上,它与高真空设备没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性，超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵(如钛吸气泵）来辅助超高真空泵。
光学薄膜的制备及其在光学器件中的应用
光学薄膜的制备及其在光学器件中的应用光学薄膜是一种通过在透明基材上沉积一层或几层具有特定光学性能的材料来实现特定光学功能的技术。
光学薄膜广泛应用在各种光学器件中，如激光器、太阳能电池、液晶显示器等。
在本文中，我们将重点介绍光学薄膜的制备及其在光学器件中的应用。
一、光学薄膜的制备1. 干蒸发法干蒸发法是一种最常用的光学薄膜制备方法。
其原理是将材料加热至高温，使其蒸发并沉积在基材表面。
通常使用电子束蒸发、电弧蒸发和反应式磁控溅射等技术进行干蒸发。
2. 溶液法溶液法是利用金属盐或有机化合物在溶液中形成溶液，再将溶液加热蒸发并沉积在基材表面。
溶液法具有制备大面积、均匀薄膜的优点，但需要严格控制溶液成分和工艺条件。
3. 离子束沉积法离子束沉积法是一种通过将高能离子轰击材料表面而产生剥离原子或分子，从而形成薄膜的方法。
离子束沉积法可以制备高质量的多层膜结构，但需要较高的成本和复杂的工艺条件。
二、光学薄膜在光学器件中的应用1. 激光器光学薄膜在激光器中广泛应用，其中最常见的应用是激光膜。
激光膜是一种具有高反射率、高透过率和低损耗的膜，通常由金属、二氧化硅或氮化硅等材料制成。
激光膜可以将激光束反射或透过，使激光束得到增强或衰减，并被广泛应用于激光器的共振镜、输出镜和半导体激光器的腔体镜等部件。
2. 太阳能电池太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的器件，光学薄膜在太阳能电池中扮演着控制入射光谱和增强光子吸收的重要角色。
通过制备适合的光学薄膜，可以增强太阳能电池对光子的吸收率和光电转换效率，从而提高太阳能电池的性能。
3. 液晶显示器液晶显示器是一种利用液晶材料控制光的传输和反射来显示图像的器件，光学薄膜在液晶显示器中扮演着控制光的偏振和传输的重要角色。
制备具有特定光学性能的光学薄膜可以优化液晶显示器对光的控制，从而提高显示器的图像质量和亮度。
结语光学薄膜制备技术和应用在现代光电器件中起着重要的作用。
通过制备具有特定光学性能的光学薄膜，可以优化光学器件的性能和功能，从而促进光电技术的发展。
薄膜光学与镀膜技术
精品课件
光学薄膜应用
分光镜
中性 分光镜
双色 分光镜
偏振光 分光镜
精品课件
中性分 光镜
双色分光 镜原理图 S
P 偏振分光镜 原理图
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
精品课件
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
精品课件
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
精品课件
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
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
精品课件
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
精品课件
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
薄膜光学技术
全介质滤光片得带宽
如果两个反射膜对称,而且反射率足够高,则
F 4R12 4 (1 R12 )2 T122
2 20 sin1 T12
m
2
当层数给定时,用高折射率层作为最外层将得到最大反射率, 所以,实际上只有两种情况需要考虑、即
G/H(LH)x2L(HL)xH/A G/HLHLHLHL2LHLHLHLHLH/A
3、 全“介质多半波”型
“多半波”就是指膜系中有多个λ0/2 间隔层。 双半波型: G HL2H(LH)2L2HLH G
G LH2L(HL)3H2LHLH A 三半波型: G LHL(LHLHLHLHL)2LHL A 五半波型: G LHL(LHLHLHL)4LHLHL A 特点:
2、 全“介质单半波”型
反射膜/半波间隔层/反射膜
G/ ( HL )m [ k ( 2H ) ] ( LH )m /G G/ ( HL )m H [ k ( 2L ) ] H ( LH )m /G 特点:
a、 A, S 很小, R1 , R2 很高, ∴ T0 ~ 90%
2 0 ~ 1 500
Tmax
T122 (1 R12 )2
T122 (T12 A12 )2
1 (1 A12 / T12 )2
这说明 :反射膜得透射率愈低或吸收、散射愈大,则 峰值透射率愈低、
A+S ~ 0、5% , R ~ 98、8% , T max ~ 50% ; A+S ~ 1% , R ~ 98、8% , T max ~ 30% 、
Y12
nH2 x 1 nL2 x 1
nH2 nG
nH2 X nL2 x 1nG
光学薄膜技术答案
光学薄膜技术答案
光学薄膜技术是一种通过在材料表面上沉积一层或多层薄膜，
以改变光的传播和反射特性的技术。
以下是对光学薄膜技术的详细
解释：
1. 薄膜材料选择：光学薄膜技术使用的薄膜材料通常是具有特
定光学性质的材料，如二氧化硅（SiO2）、二氧化钛（TiO2）等。
选择合适的材料取决于所需的光学特性和应用。
2. 薄膜沉积方法：光学薄膜可以通过多种方法进行沉积，包括
物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、溅射沉积等。
每种
方法都有其独特的优点和适用范围。
3. 薄膜设计和优化：在设计光学薄膜时，需要考虑所需的光学
性能，如透过率、反射率、折射率等。
通过调整薄膜的结构和厚度，可以实现特定的光学效果。
优化薄膜设计可以通过计算机模拟和实
验验证来实现。
4. 薄膜应用：光学薄膜技术在很多领域都有广泛的应用，包括
光学镜片、滤光片、反射镜、光学涂层等。
光学薄膜可以改善光学
仪器的性能，提高光学系统的效率和精确度。
5. 薄膜性能测试：对光学薄膜的性能进行测试是确保其质量和
性能的重要步骤。
常用的测试方法包括透过率测量、反射率测量、
折射率测量等。
这些测试可以通过使用专业的光学测量仪器来完成。
总而言之，光学薄膜技术是一种通过在材料表面上沉积特定薄
膜来改变光的传播和反射特性的技术。
它涉及薄膜材料选择、沉积
方法、设计和优化、应用以及性能测试等方面。
这项技术在光学领
域有着广泛的应用，并为光学仪器和系统的性能提供了重要的改进
和优化。
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。
光学薄膜技术及其应用
光学薄膜技术及其应用张三1409074201摘要：介绍了传统光学薄膜的原理，根据薄膜干涉的基本原理及其特点，介绍了光学薄膜的性能、制备技术，研究了光学薄膜在的应用和今后的发展趋势。
关键词：光学薄膜、薄膜干涉、应用、薄膜制备引言：光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。
光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。
本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。
正文：1.光学薄膜的原理光学薄膜的直接理论基础是薄膜光学, 它是建立在光的干涉效应基础上的、论述光在分层介质中传播行为。
一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。
该理论可以比较准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚的薄膜中的传播行为,由此设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。
2.光学薄膜的性质及功能光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。
依靠反射功能, 它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位；依靠减反射功能，它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致, 完美地实现现代光学仪器和光学系统的设计功能；依靠它的光谱调控功能, 实现光学系统中的色度变换, 获得五彩缤纷的颜色世界。
不仅如此, 光学薄膜又是光学系统中的偏振调控、相位调控以及光电、光热和光声等功能调控元件, 光学薄膜的这些功能, 在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用, 促进了相关技术和学科的发展。
3.传统光学薄膜和新型光学薄膜3.1传统光学薄膜传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。
光学薄膜与技术
２ 会议报告 内容
本次大会共收到 １ １ ７ 篇报告 ， 其 中邀请报告 ２ ４ 篇、 口头报告 ６ ２ 篇、 张贴报告 ３ １ 篇。报告 内容涉及 膜系设计 、 薄膜材料 、 沉积技术 、 监控 、 测试与表征 、
之一。浙江大学信息学部 主任刘旭教授 出任本 次 大会 的主席 ， 并为大会开幕和闭幕致辞 。 Ｓ ｖ ｅ ｔ ｌ ａ ｎ ａ Ｄ ｌ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｈ博 士 、英 国 西 苏 格 兰 大 学 Ｆ ｒ ａ ｎ ｋ 大会聚集 了国际上从 事光 学薄膜研究机构 的 Ｐ ａ ｌ ｃ ｉ ｄ ｏ 教授 、 同济大学王 占山教授 、 天津 ８ ３ ５ ８ 所季 学术负责人或研究 骨干 ， 来 自欧洲 、 北美和亚洲 １ Ｏ 多个 国家的 ２ ０ ０多名代表（ 境外约 ６ Ｏ 人） 参加 了会
州召开。此次会议 由浙江大学现代光 学仪器 国家 重点实验室和中国光 学学会 光学薄膜 专委会 联合 主办 ， 浙江省科协和 同济大学协办 。“ Ｆ Ｏ Ｃ ２ ０ １ ２ ” 是 在 中国举办的最高层 次的光学薄膜研讨会 ，也 是
国际 上 该 领 域 内规 模 最 大 、水 平 最 高 的 学术 会 议
议 。出席大会 的既有 光学薄膜领域 的 国际资深权 威， 如 美 国亚 利 桑 那 大 学 Ａ ｎ ｇ ｕ ｓ Ｍａ ｃ ｌ ｅ ｏ ｄ教授 、 加 拿 大国家研究院 Ｇ ｅ ｏ ｒ ｇ ｅ Ｄ ｏ ｂ ｒ ｏ ｗ ｏ ｌ ｓ ｋ ｉ 博士 、 德国夫琅和 费应用光学与精密机械研究所 Ｎ ｏ ｒ ｂ ｅ ｒ ｔ Ｋ ａ ｉ ｓ ｅ ｒ 教授 、 俄罗斯莫斯科 大学 Ａ ｌ ｅ ｘ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｔ ｉ ｋ ｈ ｏ ｎ ｒ ａ ｖ ｏ ｖ 教授 、 美 国 Ｗｉ Ｕ ｅ ｙ 光学公司 的 Ｒ ｏ ｎ Ｗｉ ｌ ｌ ｅ ｙ 等， 也有 目 前处于 光学薄膜一线研究工作的顶级学者 ，如美国 Ｊ Ｄ Ｓ Ｕ （ 原Ｏ Ｃ Ｌ Ｉ ） 公司 Ｍ ａ ｒ ｋ ｕ ｓ Ｔ ｉ ｌ ｓ ｃ ｈ 博士 、 德国汉诺威激光 中心 Ｄ ｅ ｔ ｌ ａ ｖ Ｒ ｉ ｓ ｔ ａ ｕ博 士 、法 国 国家科学研究 中心 Ｃ ｌ ａ ｕ ｄ ｅ Ａ ｍ ｒ ａ教授 、澳 大 利 亚 科 学 与工 业 研究 组 织
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第6页
主要膜系设计软件
1. Autofilm 2. TFC 3. Macleod
4. Optilayer
第7页
★光学薄膜的发展历史
★光学薄膜的应用
第8页
1. What is optical thin films
光学薄膜是指控制光束行为的薄膜。
光学薄膜技术是光学技术的一个重要分支， 它包括薄膜光学及薄膜制备技术，前者研究光 在分层媒质中的传播规律，后者研究光学薄膜 的各种制备技术。
第17页
与镀膜技术密切相关的产业
镀膜眼镜 幕墙玻璃 滤光片 车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片 光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件
红外膜
投影显示 太阳能 ITO膜
第18页
在今天，光学薄膜技术已经成为现代光学技 术中不可缺少的一个重要组成部分。没有任何 一个光学系统里不使用光学薄膜。
第9页
什么是光学薄膜？
“薄膜”——附着于“基底”、且与基底不同质的非自持性涂层。
可以用三个常用的英文来形象的解释：
Optical thin films 通常意义的光学薄膜； Optical coatings 一般来讲是指敷于光学玻璃、 塑料、晶体等基底上的薄膜；覆盖、包裹物、涂层
第16页
光学薄膜在光学系统中的作用：
提高光学效率、减少杂散光。如高效减反射薄膜、 高反射薄膜。
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，提高系统的信噪比。如窄 带或带通滤光片、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. “A treatise on electricity and magnetic” was published by Maxwell in 1873.
第12页
5. Diffusion pump made it possible for thin film process in 1930. 6. Geffeken produced the first thin film metaldielectric interference filter by PVD(1951).
Optical layers 光学薄膜的一个特点是分层结构； “膜系”、“膜堆”。
第10页
Why thin and not thick films?
光学薄膜的光学性能集中表现为薄膜界面的分振幅多光束干涉能力。
能有效应用的干涉厚度，可称薄膜； 薄还是厚取决于波长，而不是实际厚度。
第11页 光学薄膜 —— 薄到可以产生干涉现象的膜层、膜堆或膜系——干涉薄膜。
7. The first He-Ne laser was developed in Bell Tel. Lab. In 1960,which was because of the low loss high reflectors. 8. The columnar structure of thin film was discovered in 1970 by Pearson(皮尔逊). 9. Thin film filters used for optical communication was made significant progress in around 2000.
第二章：介质膜系及其应用
第三章: 光学薄膜制备技术 第四章：光学薄膜制备工艺 第五章: 薄膜材料及其性质 第六章：光学薄膜特性测试
第2页
本课程的内容构架
薄膜设计基本理论 光学特性计算：导纳矩阵 减反射膜 光 学 薄 膜 技 术 高反射膜 光学薄膜基本种类 截止滤光片 带通滤光片 偏振分束膜 消偏振膜 薄膜制造技术 薄膜制造工艺 薄膜材料及其性质 真空技术、薄膜沉积技术 工艺参数、实验设计、厚度监控 微观结构、常用材料 光学特性测试
光学薄膜技术
Optical thin films and Technology
西安工业大学
第1页
主要内容：
绪论 第一章：薄膜光学特性计算基础
研究范畴及内容：
主要论述层状媒 介的光学特性。薄膜 是一薄的层状媒介， 是构成现代各种光电 器件的基础。在薄的 膜层中，光波的传输 与电子效应都与其在 块状材料中的行为不 同。本课程主要讲述 波在层状媒介中的传 播规律、膜系设计以 及薄膜的制备于检测 技术。
第4页
课程特点：
人类生活在周围充满光的世界里，光是一种无时无刻 都会遇到的自然现象。更重要的是：光是信息的重要载体， “有光就有膜 ”，薄膜光学是现代光学必不可少的基础技 术，它是物理光学的一个重要分支。——专项技术。 另一方面，由于光学薄膜的制备过程与真空技术、表 面物理、材料科学、等离子体技术等密切相关，所以光学 薄膜也可以称得上是一门——综合学科； 薄膜光学技术随着现代科学技术的发展而迅速发展， 特别是计算机技术给薄膜理论分析带来了巨大的方便。
第13页
光学薄膜可分成两大部分，
第一部分是光学干涉薄膜
第二部分是光学波导薄膜及其相应器件
前者的特点是光横穿过薄膜而进行传播；后者 的特征是光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播， 对于光学薄膜，在一块基片上沉积五、六十层膜并 非罕见，涂镀工艺是比较成熟的；而对光学波导， 则膜层层数一般不多，通常仅用一层膜，其镀制工 艺仍处在发展初期。本课程讲的是第一种情况。
第14页
3. Applications
光在通过分层媒质时，来自不同界 面的反射光、透射光在光的入射及反射 方向产生光的干涉现象，人们正是利用 这种干涉现象，通过改变材料及其厚度 等特性来人为的控制光的干涉，根据需 要来实现光能的重新分配。
第15页
光学薄膜种类:
1.减反射膜 Antireflection coatings 2.高反射膜 High-reflectance coatings 3.中性分束膜 Neutral beam splitters 4.截止滤光片 Edge filters 5.带通滤光片 Band-pass filters 6.偏振分光膜 Polarizing beam splitters 7.相位膜 Phase coatings
2. Developmental History of optical thin films
1. ”Newton’s rings” was discovered in 17th century, which is called “modern thin film optics”.
2. Faunhofer had made the first AR coating by chemical method in 1817 . 3. Fresnel produced the laws of reflection and refraction in 1832.
薄膜特性测试
非光学特性测试 第3页
课程目的：
了解光学薄膜的基础理论及典型膜系，掌握简单的膜系 设计方法； 了解薄膜制备方法及相关工艺，了解常用光学薄膜的性能 指标及相关检测方法； 对有志从事薄膜领域工作的同学起到抛砖引玉的作用； 对从事其他学科研究、应用的同学起到了解光学薄膜、 应用光学薄膜、用好光学薄膜的作用。
第5页
主要参考文献
1. H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters , Bristol & Philadelphia, 2001 2.麦克劳德，光学薄膜从设计到制造，2003，（讲座报告） 3.唐晋发，顾培夫，刘旭，等，现代光学薄膜技术，浙江大学出 版社, 2006 4. 唐晋发，郑权，应用薄膜光学，科学技术出版社，1986 5. 唐晋发，顾培夫，薄膜光学与技术，机械工业出版社,1989 6. 李正中，薄膜光学与镀膜技术，艺轩图书出版社 , 2001 7. 林永昌，卢维强，光学薄膜原理，国防工业出版社 ,1990 8. 顾培夫，薄膜技术，浙江大学出版社，1990 9.H.K.Pulker, Coating on Glass, Elsevier ,1984 10. 严一心，林鸿海，薄膜技术，兵器工业出版社，1994