2019年南京理工大学光电薄膜光学镀膜设计过程.doc
镀膜工作原理范文
镀膜工作原理范文镀膜是将一层物质沉积在另一种材料的表面上的过程，以改变材料的光学、电学、磁学和化学性质。
它在许多领域都有广泛的应用，如光学镜片、太阳能电池板、LCD显示器、光学纤维等。
镀膜工艺主要有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两种。
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）是一种利用热蒸发或物理溅射的方法将金属或陶瓷膜沉积在基底上的技术。
其工作原理如下：1.蒸发：将源材料加热到高温，使其转变为气体态，然后通过减压系统在真空室中蒸发。
源材料可以是金属，如铝、铬、铜或金，也可以是陶瓷材料，如二氧化硅或氮化硅。
2.运输：在蒸发过程中，气态的源材料会由真空室中的运输气氛（常为惰性气体）将其传输到基底的表面。
3.沉积：当源材料的气体达到基底表面时，由于与基底表面相互作用，源材料的原子或分子会在基底上沉积，并形成一层薄膜。
这种沉积过程可以通过热散射或物理吸附来实现。
4.成核和生长：薄膜首先通过成核形成微小晶体或原子层，然后逐渐生长，直到完全覆盖基底表面。
5.冷凝：在薄膜生长完成后，真空室内的减压系统会抽取多余的气体，使薄膜冷凝和固化。
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是利用化学反应在基底上沉积薄膜的一种技术。
其工作原理如下：1.气体供给：将反应气体引入反应室，通常由预脱气过程和气体分解或解离过程组成。
预脱气过程是为了将气体中的杂质去除。
2.气体分解：反应气体在高温下通过化学反应分解为活性物种，如反应气体中的金属有机配合物分解为金属原子。
3.沉积：活性物种在基底表面吸附、扩散并反应，形成一层薄膜。
这种沉积过程主要是由于活性物种的化学反应而导致。
4.成核和生长：薄膜成核和生长的过程与PVD类似。
5.辅助处理：为了获得所需的薄膜性质，可以在沉积过程中通过控制温度、气体流量和反应时间等参数进行辅助处理。
镀膜工艺的优点是可以对薄膜的成分、结构和形貌进行精确控制，并可在不同材料之间实现层状结构。
光学镀膜技术
光学镀膜技术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.今天为大家带来的是光学镀膜的应用原理.一、光学薄膜的定义光学薄膜的定义是: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、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的传播速度相等,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射线和伽玛射线等的波长(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,应该表现出所具有的特征---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的第一束光,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.薄膜的相干条件包括三点: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,特别是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.三、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,反射光和折射光的振幅大小则由菲涅尔公式确定.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膜材料是铝,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.。
南京理工大学光电薄膜光学镀膜设计过程word文档
4、优化结果
二、分光膜消偏振
1、加介质膜
2、消偏振结果
（1）消偏振前
（2）消偏振后
【二】增透膜设计
1、环境设定
2、膜系公式
3优化
（1）单点优化
（2）连续优化
4优化结果
（注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）
薄膜光学镀膜设计作业
学院：电子工程与光电技术学院
专业：光电信息工程
学号：
姓名：
指导老师：
完成时间：2012年4月
题目：
设计pt中性分光膜，45度入射，在可见光波段380--780nm，前表面分光，后表面增透。
【一】中性分Байду номын сангаас膜设计过程：
一、cr中性分光膜的优化设计：
1、环境设定：
2.膜系公式
3.优化
（1）单点优化
光学镀膜
分光膜-能量分光膜：
© 2006, ZTE Corporation. All rights reserved.
分光膜-能量分光膜：
常用指标：
透射率/反射率：
50/50±5%T＝（Ts+Tp）/2, R= （Rs+Rp）/2
( 1.5+1.8 )2]＝95.2%
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增透膜
光线（黑色）射到增透膜上，有 一部分反射出来（蓝色）；有一 部分折射入增透膜（青色），又 经增透膜第二面反射（黄色）， 再折射出来（红色）。 由于青色，黄色光行程为两个1/4 波长，即0.5倍波长。因此红色和 蓝色两列光相位差为半波长，叠 加而抵消。即光能都进入增透膜 后进入镜头。故叫增透。单层增 透膜厚度都是需要增透波长的1/4
2）保护银，红外区常用金、银
＞95%可见光区 ＞98%微米红外区
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反射膜-金属反射膜
3）保护金 ：在0.65微米后的红外光区具有非常高的 反射率
＞95%0.65-2微米 ＞98%2-12微米红外光区
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增透膜
单层增透膜： 理论解析 ： 若是由介质 n1垂直入射至 n2 反射率＝[ (n2 －n1) / (n1+n2) ]2 穿透率＝4n1n2 / (n1+n2)2 若是空气的折射率是 1.0 ，镀膜的折射率 nc (例如：1.5) ，玻璃
光电纳米薄膜的制备课件
4
1.基片架和加热器
5
2. 蒸发料释出的气体
3. 蒸发源 4. 挡板 5. 真空泵 6. 解吸的气体 7.
基片 8. 钟罩
加热方式
螺旋式
电阻加热法
锥形蓝式 舟式
电子轰击加热法
高频感应加热法
辐射加热法
悬浮加热法
2.1.3 Ag-BaO光电薄膜真空沉积制备法
2
34
5
1
11
10
9
1、导轨；2、Ba源；3、样品管 4、正电极；5、Ag源；6、导轨 7、机械泵；8、扩散泵；9、O2源 8 10、沉积薄膜；11、负电极
引言
物理气相沉积（PVD）
真空沉积 离子镀法 离子团束（ICB）
分子束外延（MBE）
化学气相沉积（PVD）
其他
脉冲激光气相沉 积（PLD）
溶胶-凝胶（SolGel）
电沉积
金属有机化学气相沉积 （MOCVD）
微波回旋电子共振化学气 相沉积（MV-ECR-CVD）
直流电弧等离子体喷射法
触媒化学气相沉积（CarCVD）
在层状-岛状中间生长模式中，在最开始一两个原子层厚度 的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。导致这种模式 转变的物理机制比较复杂，但根本的原因应该可以归结为薄 膜生长过程中各种能量的相互消长。
薄膜材料自身相互作用力的大小和薄膜材料原子与基底原子 的相互作用力的大小。
2.4影响薄膜生长和性能的一些因素
大。
原子团中原子间的键能
临界核所 需要原子
数量
原子团中原子与基底原子间的键能 环境条件，如温度、气相等
2.3.3薄膜的形成
一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的原子而逐渐 长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛像液珠一样互相合 并而扩大，而空出的衬底表面上又形成了新的岛。形成与合 并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，一 些孤立的孔洞也逐渐被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。
南玻镀膜工艺流程
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光学元件的镀膜
平均反射率
<0.25%
<0.25%
<0.25%
性能曲线 （反射）
高反膜
高反(HR)膜是一种硬质、耐高温氧化膜，可以在特定波长范围和入射角内将表面反 射最大化。 高反膜正好与增透膜相反。这种薄膜包含高、低折射率材料交替分布的膜层。通过 计算机建模，每层膜的厚度经过优化，在反射波长内产生相长干涉，在所有其它波 长内则产生相消干涉。 通过加入HR膜后，光学元件表面的反射率被大大提高；但是，它的性能表现确定与 入射角（AOI）的大小。在高AOI时，反射波带会漂移到更短的波长范围，并且S和P 偏振对应的性能也存在差异。 Thorlabs目前提供8种不同的高反膜，分别为4种介质膜和4种金属膜。
激光 损伤阈值
0.3 J/cm2 at 355 nm, 0.3 J/cm2 at 1064 nm, 3 J/cm2 at 1064 nm, 2 J/cm2 at 1064 nm, Ø 0.38 mm pulsed beam, Ø 1.00 mm pulsed beam, Ø 1.00 mm pulsed beam, Ø 1.00 mm pulsed beam, 10 ns pulses @ 10 Hz. 10 ns pulses @ 10 Hz. 10 ns pulses @ 10 Hz. 10 ns pulses @ 10 Hz.
高反膜—介质膜
根据波长范围，介质膜分为E01，E02，E03和E04四种。它们在特定宽带波长范围内 的反射率非常高。
名称 波长范围 平均反射率 E01 350 - 400 nm >99% E02 400 - 750 nm >99% E03 750 - 1100 nm >99% E04 1280 - 1600 nm >99%
光学镀膜设计
为了减少表面反射光．最简单的途径是在玻璃表面上镀一层低折射率的薄膜．如图2-1所示，在界面1和2上的振幅反射系数为r1和r2：从矢量图上可以看到，舍振幅矢量r随着r1和r2之间的夹角而变化．合矢量端点的轨迹为一圆周．当膜层的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的方向完全相反，合矢量成为最小．这时如果矢量的模相等，则对该波长而言，两个矢量将完全抵消，出现零反射率．欲使|r1|=|r2|，则有：如果n0=1，则有n1=sqr(n2),目此，理想的单层增遗膜的条件是，膜层的光学厚度为四分之一波长．其折射率为入射介质和基片折射率乘积的平方根。
在可见区，使用得最普遍的是折射率为1.62左右的冕脾玻璃．理想的增透膜的折射率为1.28，但是至今能利用的薄膜的最低折射率是1.38(氟化镁)．这虽然不很理想，但也得到了相当的改进．非理想情形的最低反射率，也可以用特征矩阵简单地算出．对于中心波长:因而：当n2=1.52，n1=1.38，n0=1时，由上式可得最低反射率为1%，即对于折射率为1.52的玻璃，镀单层氟化镁后，中心波长的反射率从4.2%为降至1.3%为左右．整个可见区平均反射率约为1.5%．同样可计算出，对于折射率为1.65的基片，中心波长的表面反射从6%降至0.5%左右，可见区的平均反射率约为0.96%.显然，愈是接近于满足n1=sqr(n2)的条件的折射率较高的玻璃，中心波长的增透效果愈显著．图2-2显示对于不同基片材料的单层氟化镁减反射膜的分光反射率曲线。
以上仅仅考虑了垂直入射的情况．在倾斜入射时，情况与上述相类似，只是膜层的有救厚度减小了，因而最低反射的渡长更短些．同时应该用更普遍的修正导纳来代替折射率．由于P-分量和S-分量的修正导纳不同，所以偏振效应是一目了然的．计算表明，对于不大于石50o的入射角，反射率随入射角的增加可以忽略。
单层增透膜的出现，在历史上是一个重大的进展。
直至夸天仍广泛地用来满足一些简单的用途。
光学薄膜及制备详解
光学薄膜
光学薄膜按应用分为反射膜、增透膜、滤光 膜、光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜。常 用的是前四种。
光学反射膜用以增加镜面反射率，常用来制 造反光、折光和共振腔器件。光学增透膜沉积在 光学元件表面，用以减少表面反射，增加光学系 统透射，又称减反射膜。光学滤光膜用来进行光 谱或其他光性分割，其种类多，结构复杂。光学 保护膜沉积在金属或其他软性易侵蚀材料或薄膜 表面，用以增加其强度或稳定性，改进光学性质。 最常见的是金属镜面的保护膜。
1.2 常见的减反膜的种类
1.单层减反膜 2.双层减反膜 3.多层减反膜
1.2.1单层减反膜
r1
r2e2i2
n0
n1
n2
假设在界面1和2上的振幅反射率系数为r1和r2
r1
n0 n0
n1 n1
r2
n1 n1
n2 n2
总反射系数
r r1 r2
合反射率
R r2
当膜层的光学厚度为中心波长的四分之一时，则两个
减反膜起不到降低反射的作用，所以双层反射膜只能在较窄的光谱 范围内有效的减少反射，适宜于工作波段较窄的系统中应用。有时 为了满足较宽光谱范围的低反射要求，需要用到三层或多层反射膜。
1.2.3 多层减反膜
常用的三层减反膜是“λ/4-λ/2-λ/4”膜系。对于中心 波长来说，λ0/2光学厚度的膜层为“虚设层”，对反射率没有 影响，与“λ/4-λ/4”的双层减反膜效果相同。但是λ/2膜层 对其他波长有影响，选择适当的折射率值，可以使反射特性曲 线变得平坦。
n22 / n 3 1.9
在限定两层膜的厚度都是λ/4的前提下，要令波长λ的反射光 减至零，它们的折射率应满足如下关系：
n1 (n22 / n3 )n0