光学薄膜-基础知识

光学薄膜----基础知识介绍光是什么？光是一种电磁波，（在真空中的）可见光波长范围是700~400nm；红外光为约700到107nm量级;紫外光1-400nm；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什么叫光的干涉？物理定义：当2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、光波产生的相位差固定不变2、光波的振幅不能相互垂直3、光波的频率要一致什么叫做光学薄膜？所谓光学薄膜，首先它应该是薄的然后它应该会产生一定光学效应的那么要薄到什么程度呢？定性的讲：它的厚度应该和入射光波长可以相比拟的物理意义上讲：能引起光的干涉现象的膜层与镀膜技术密切相关的产业眼镜镀膜----AR幕墙玻璃----AR滤光片液晶领域----ITO膜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激光领域----激光反射腔高反射膜CD、DVD驱动器投影显示数码领域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、保护膜等当前最热门的应用领域1、数码相机用的IR-CUT2、投影显示光学系统----包括LCD、DLP、LCOS3、光通讯：DWDM(densewavelenghdivisionmultiplexer)滤光片4、减反射膜----永远的热门一、光学薄膜的类型我们根据其作用，可以简单的分为1、减反射膜或者叫增透膜2、分束膜3、反射膜4、滤光片5、其他特殊应用的膜一、减反膜1、减反膜的作用o增加光学系统透过率o减少杂散光o提高象质o增加作用距离一、减反膜2、减反膜按层数分类o单层减反膜o双层减反膜一、减反膜012345400450500550600650700单层膜、λ/4-λ/4和λ/2-λ/2型双层增透膜理论曲线%ReflectanceWavelength(nm)o多层减反膜一、减反膜012345400450500550600650700K9基底上各种设计的增透膜理论曲线比较%ReflectanceWavelength(nm)一、减反膜3、另一种分类单点减反宽波段减反（超宽波段）双波段减反宽角度减反减反膜几个重要的技术指标使用的波段使用的角度或者角度范围剩余反射率要求使用环境在激光领域还有激光阈值要求二、分束膜一般来讲，分束膜总是倾斜使用，常用的是45度。分束膜有两种：中性分束膜（也就是一般讲的消偏振NPBS）、偏振分束膜（也就是通常讲的PBS）。中性分束镜有两种结构：平板型和棱镜型。而PBS一般都用棱镜。平板结构由于不可避免的象散问题所以只用于中低要求的光学装置。二、分束膜正确错误NPBSPBS二、分束膜分束膜根据镀膜材料还有金属分束镜和介质分束镜两种。两种分束镜各有各的优缺点，可以根据不同的使用要求和工艺水平采用不同的类型。二、分束膜金属分束镜的优缺点优点：中性好，光谱范围宽、偏振效应小、制作简单缺点：吸收大、激光阈值低使用注意事项：光的入射方向二、分束膜介质分束镜的优缺点优点：吸收小，几乎可以忽略缺点：光谱范围窄、偏振分离明显、角度效应明显二、分束膜两类分束镜的曲线020406080100400450500550600650700750800K9基底上分光膜理论曲线%TransmittanceWavelength(nm)三、滤光片一般我们把改变光束性质或者颜色的膜叫做滤光膜。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IR-CUT都属于此类。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。干涉截止滤光片的几个重要指标干涉截止滤光片的分类可以分为长波通和短波通两类，见下图四、带通滤光片从光学薄膜的角度来讲，最有意义的进展是1899年出现的法布里-珀珞干涉仪。它是干涉带通滤光片的一种基本结构。而自从1940年出现金属-介质滤光片以来，它已经在光学、光谱学、激光、天文物理学等各个领域得到了广泛的应用。四、带通滤光片法布里—珀珞的结构四、带通滤光片带通的主要参数λ0——中心波长，或峰值波长Tmax——中心波长透射率，或，峰值透射率2⊿λ——透过率为峰值透过率一半的波长宽度，也称通带半宽度，有时也用2⊿λ/λ0表示相对半宽度四、带通滤光片根据膜层的不同，可分为金属滤光片全介质滤光片双半波、三半波全介质滤光片金属诱导透射滤光片020406080100500520540560580600单半波与双半波滤光片光谱曲线%TransmittanceWavelength(nm)介质带通滤光片的结构为：介质反射膜/间隔层/介质反射膜/间隔层/介质反射膜．但是滤光片也可以是混合结构，例如用一层金属膜如银膜代替两间隔之间的介质反射膜形式如下：介质反射膜/间隔层/金属膜/间隔层/介质反射膜这是金属诱导透射滤光片的基本形式这种滤光片的最大好处：长波无次峰、透射率较高金属诱导透射滤光片02040608010050010001500200025003000350040004500500055006000650070007500800085009000950010000诱导透射滤光片%TransmittanceWavelength(nm)五、反射膜在光学薄膜中，反射膜和增透膜几乎同样重要。对于光学仪器中的反射系统来说，一般单纯金属膜的特性大都已经满足常用要求。在某些应用中，要求更高的反射率则可用金属增强镜。而全介质多层反射膜，由于这种反射膜具有最大的反射率和最小的吸收率因而在激光应用和一些高要求的系统中得到了广泛的使用。五、反射膜金属膜材料的选择原则先考虑使用波段要求反射率要求使用环境制作成本等常用有Al、Ag、Au、Pt五、反射膜铝：最常用，紫外、可见、红外银：反射率最高，稳定性差金：红外常用、稳定铂、铑：稳定、坚固五、反射膜理论上只要增加膜系的层数反射率可无限地接近于100%，实际上由于膜层中的吸收、散射损失，当膜系达到一定层数时继续加镀两层并不能提高其反率，有时甚至由于吸收、散射损失的增加而使反射率下降因此膜系中的吸收和散射损耗限制了介质膜系的最大层数。全介质反射镜0102030405060708090100400450500550600650700750800%ReflectanceWavelength(nm)5\7\9\17层反射膜光谱由上图可以看出最高反射率随层数增加，而反射带宽并不增加光学薄膜的类型与符号1.减反膜2.滤光膜3保护膜4内反射5外反射6高反膜7分束膜8分色膜9偏振膜10导电膜光学薄膜的依附体——基板光学上常用的基板一、玻璃----在光学应用上最重要二、陶瓷三、光学晶体四、光学塑料（如PC、PMMA等）五、金属一、玻璃玻璃可以分为：1、普通玻璃2、无色光学玻璃3、有色光学玻璃4、特殊玻璃等1、无色光学玻璃的分类根据化学成分，无色光学玻璃可以分为两类：1、冕牌玻璃----K带头的玻璃，折射率n较小，色散系数大，可分为氟冕（FK）、磷冕（PK）、轻冕（QK）、钡冕（BaK）、重冕（ZK）、镧冕（LaK）、特冕（TK）等；2、火石玻璃----F带头的玻璃，折射率n较大。色散系数大，可分为冕火石（KF）、轻火石（QF）、钡火石（BaF）、重火石（ZF）、镧H火石（LaF）等。共有160多种之多。1、nd----指587.7nm(氦黄线)处的折射率；2、nD----指589.3nm(钠黄线)处的折射率；3、相对色散（阿贝数）υd、υD----由nf(486.1nm)和nc(656.3nm)确定：υd=(nd-1)/(nf-nc)υD=(nD-1)/(nf-nc)无色光学玻璃一些技术指标玻璃按下列各项质量指标分类和分级：a.折射率、色散系数与标准数值的允许差值；b.同一比中，折射率及色散系数的一致性；c.光学均匀性；d.应力双折射；e.条纹度；f.气泡度；g.光吸收系数；h.耐辐射性能（N系列玻璃）。无色光学玻璃的分级根据折射率与标准数值的允许差值，玻璃按表3分为6类。类别折射率nd允许差值类别折射率nd允许差值00±2×10-42±7×10-40±3×10-43±10×10-41±5×10-44±20×10-4玻璃的光学均匀性以一块玻璃中各部位间的折射率微差最大值△nmax表示时，按下表分为4类。类别折射率最大微差，△nmaxH1±2×10-6H2±5×10-6H3±1×10-5H4±2×10-52、有色玻璃它主要是滤光作用，有时候替代镀膜有时候和薄膜组合。按照着色原理可以分为胶态着色和离子着色有色玻璃两类。通过加入不同的吸收离子我们可以得到各种各样颜色的玻璃。我们在用的蓝玻璃就是一种有色玻璃，HOYA叫CM5000，肖特叫BG38、BG39等，国际、国内均有一些专业的有色玻璃生产商。有色玻璃和镀膜在曲线上的区别020406080100400450500550600650700750800850900950100010501100波长nmT%3、普通玻璃如青板玻璃由于加了0.08~0.12%的氧化铁；二阶、三阶铁分别在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。4、特殊玻璃特殊玻璃可以包括A、耐辐射玻璃B、石英玻璃C、隔热玻璃D、微晶玻璃E、耐热玻璃F、硬质玻璃等。二、光学塑料塑料是一种以合成树脂或天然树脂(一般为高分子聚合物)为基本成分，在加工过程中，可塑制成型，产品最终能保持形状不变的材料。光学塑料乃是一种可以与玻璃竞争的透明塑料。它具有一定的光学特性、机械特性和化学特性，能满足光学零件的要求，从而逐渐构成光学三大基本材料之—(玻璃、光学晶体和光学塑料)。塑料是什么？1、光学塑料的应用目前，光学塑料的应用大致分为三大类：A、塑料透镜(包括工业、仪器用透镜、眼镜、接触眼镜、非球面透镜、棱镜和菲涅耳透镜等)；B、光盘及光学纤维；C、其它功能性光学塑料元件。其应用范围、越来越2、常见的光学塑料在世界范围内，光学塑料品种已有上百种，但真正用到工业开发，应用面广的品种并不多，据统计约十多种，如PMMA、PS、PC、SAN、CR一39、TPX等。各种文献中报道的新品种非常多，日本就有了s—16、KT一153、TS一26等。最近日本开发出了一种聚烯经树脂，是用作光盘的新材料，它的相对密度小，仅1.01，耐热性好(Tg为140℃)，透光率为90％，可见光学塑料的发展日新月异。3、光学塑料的类型据受热后的性能变化，光学塑料可分为两大类：①热塑性光学塑料：热塑性塑料是指可以多次反复加热仍有可塑性的塑料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PS)均属热塑性塑料。②热固性光学塑料：热团性塑料是由加热固化的合成树胳制成的塑料，常见的如CR一39树脂镜片，环氧光学塑料。4、光学塑料的优势A、成型方便，成本低（约为玻璃的1/10~1/30B、耐冲击强度高（光学塑料的冲击强度可达25×103N·m／m2，比光学玻璃大10倍．经得起撞击和跌落，不易破损）C、相对密度小：光学塑料的相对密度为0.83—1．46，而玻璃的相对密度为2.5一3.0即塑料比玻璃轻一倍，这对军用光学仪器有特殊意义。D、透光率好（可见区和玻璃一样，在紫外和红外区比