下载文档原格式
光学薄膜复习要点第四章光学薄膜的制造工艺1.光学薄膜器件的质量要素光学性能:●膜层厚度d●膜层折射率n折射率误差的三个主要来源：------膜层的填充密度(聚集密度)------膜层的微观组织物理结构------膜层的化学成分机械性能:硬度:膜层材料的本身硬度和膜层内部的填充密度牢固度：是指膜层对于基底的附着力、黏结程度膜层与基底之间结合力的性质（范德华力、分子间作用力、经典吸引）成膜粒子的迁移能环境稳定性：希望薄膜器件的光学性能和机械性能在经历恶劣环境较长时间后仍然不变。
恶劣环境：盐水盐雾、高湿高温、高低温突变、全水浴半水浴、酸碱腐蚀提高方法:1.选用化学稳定性好的材料2.制作结构致密无缝可钻的膜层后果：1.结构致密:酸碱盐水对膜层的腐蚀为单一面腐蚀，速度慢，耐久性强2. 结构疏松：酸碱盐水对膜层的腐蚀是深入内部的体腐蚀，速度快，耐久性差。
填充密度:膜层的实际体积与膜层的几何体积之比。
后果：高的填充密度对应着优良的机械性能和光学性能的环境稳定性。
低：机械性能：膜层与基底之间吸附能小，膜层结构疏松牢固度差膜层表面粗糙，摩擦因数较大，抗摩擦损伤能力差非密封仪器内部，面腐蚀变为深入内部的体腐蚀光学性能：光线在粗糙表面散射损大空隙对环境气体的吸收导致膜层的有效光学厚度随环境、温度的变化而变化。
折射率不稳定。
提高膜层的填充密---基片温度、沉积速率、真空度、蒸汽入射角、离子轰击影响膜层质量的工艺要素：1.真空镀制光学薄膜的基本过程清洗零件---清洁真空室/装零件---抽真空和零件加温---膜厚仪调整---离子轰击---膜料预熔---镀膜---镀后处理---检测。
2.影响薄膜器件质量的工艺要素及其作用机理●真空度:影响折射率，散射，机械强度，不溶性后果:真空度低，使膜料蒸汽分子与剩余气体分子碰撞的几率增加，蒸汽分子的动能大大减小，与基片的吸附能间隙，从而导致沉积的膜层疏松，机械强度差，聚集密度低，化学成分不纯，膜层折射率，硬度变差。
光學薄膜的基礎知識與防反射膜真空器械工業株式會社薄膜應用技術課1.光學薄膜的基礎知識1.1屈折率與分散1.2膜厚1.3重復反射1.4特性矩陣1.5等價膜2.單層防反射膜2.1單層防反射膜的理論2.2由MgF2構成的單層防反射膜3.雙層防反射膜3.1QQ型防反射膜3.2HQ型防反射膜4.3層防反射膜1.1受中間層屈折率變化的影響1.2受不均質膜的影響1.3受膜分散的影響5.4層防反射膜6.5層防反射膜7.7層防反射膜1.光學薄膜的基礎知識 1.1 屈折率与分散 屈折率光的速度是自然界的常數,在真空中光的速度C 的定值是300,000km/秒.但在透明的介質中,光的速度值卻很小. 譬如: 當在水中時,光在真空中的速度可高達75%(0.75C). 然而在玻璃中的速度僅約0.66C.真空(實用的空氣)中的光的速度与介質中的光的速度V 之間的比C ／V 稱為:其波長的光的介質屈折率. 通常用n 表示.也就是,介質中的光的速度與真空中的光的速度之間的關係為1／n.因此,水的屈折率是1.33, 玻璃的屈折率約為1.52.(圖1.1 介質中光的速度 )那麼,為何將光的速度比C ／V 命名為屈折率呢? 現在請參照圖1.2, 光從真空入射到介質後從而形成了入射角i. 真空中的波長λ0 ,介質中的波長λ的表示式如下:λ0 =λ = 但是, ν被視為光的振動數. 因此可得出:= = n ( 1.1 )(圖1.2 折射的規則 )n 值大, r 值則變小. 也就是說, n 值可決定入射到介質上的光的折射角度. 因此,把光的速度比C ／V 命名為屈折率.光的折射誘致人們產生諸多錯覺, 請看下列的事例.(1) 假如從外界來看水槽中的魚,其結果是魚比實際更接近於水面.且距離也特別近.(圖1.3 折射—例1 ; 水中的魚 )(2) 厚玻璃杯中的啤酒看起來卻比實際裝入的啤酒多.這是由於啤酒產生的光射到厚玻璃杯的兩個方向,因此可看到玻璃厚度比實際的薄. 倘若光直接照射時,肉眼立即會知曉. 如c ννV λ0λ Sin i Sin r c ν=果把它視為光從圖1.4的虛線方向射入,便會讓我們誤認為玻璃杯的外側也盛滿了啤酒.,(圖1.4 折射—例2 ; 啤酒杯 )分散不同振動數(即: 波長)的光在透明物質中是以不同的速度傳播的,所以會出現多種折射現象並且折射的量(即: 角度)會變遠. 假如利用棱鏡使光實現再次曲折,此時顏色各異的光可以清楚地分離開來. 由於光的振動數(距離)不同而產生了顏色分離的現象被稱之為：光的分散(Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ).最能充分說明分散現象的是:在自然現象中由於陽光射到空气的水滴里,發生光的反射和折射就形成了彩虹.(圖1.5 利用棱鏡實現分散 )(圖1.6 欲看到彩虹需具備的條件 )(圖1.7 利用水滴實現分散 )(i) 玻璃的分散通常情況下,透明介質的分散表達式為:n = A + ( 1.2 )但是, A 、B 、C 是用物質固有的常數表示, 如對具有代表性的玻璃( BK7、SF6 )進行計算,可得出 圖1.8 與 圖1.9的結論.(圖1.8 玻璃BK7的分散狀況 )(圖1.9 玻璃SF6的分散狀況 )如對各種玻璃中的光的速度進行比較可得知: 波長800nm 的光相對於波長400nm 的光,其BK7 約快1.3%, SF6 約快 4.5%.(ii) 鍍膜物質的分散具有光學性質的透明鍍膜物質“誘電體＂同樣會發生分散,特別是作為高屈折率材料被人們廣泛使用的T i O 2 /Z r O 2兩物質分散的程度更大.基板BK7鍍了1層膜厚nd=3λ0／4 (λ0 = 650nm )的T i O 2, 其分光透過率特性如圖1.10 (圖1.10 基板BK7鍍上T i O 2 nd=3λ0／4 膜層的分光透過率特性λ0 = 650nm )λ-B C從圖1.10可得出T i O2的屈折率分散式:n = 2.331 + 無分散時,正如圖1.11曲線B 所示,波長650nm 極值以外的各波峰(peak)所顯示的波長值不同於有分散時的狀況(已發生偏移). 另外,無分散時,波長650nm 与390nm 的極值透過率相同.另: 圖1.12中已列舉出各種鍍膜物質的透過波長範圍表. 在膜設計時理當考慮波長分散. (圖1.11 基板BK7鍍上T i O 2 nd=3λ0／4 膜層的理論分光透過率特性λ0 = 650nm ) (圖1.12 各種鍍膜物質的透過波長範圍表 )1.2 膜厚如前項所述,光的速度會受介質的不同而變化.但它的振動數卻不變. 如圖1.13所示的那樣,如把各類波長以λ0 ,λ; 速度以c , v ; 光的振動數以ν表示,其介質的屈折率n 為:n = = =∴ λ= λ0 ／n(圖1.13 真空与介質的關係 )也就是,屈折率n 的介質中的波長λ比真空中的波長λ0小. 因此,在屈折率n 的介質中所包含的距離d 的波數是:= 真空狀態下nd 的距離中所包含的波形數是相同的.也就是指,把屈折率n 的介質中的長度d 換算成真空中的話,就相當於光學上的nd. 因此, nd 也稱作光學距離或是光學膜厚. 在光學薄膜中僅僅把它單純地稱之為膜厚時,通常指的光學膜厚.這類光一旦通過幾何學中的膜厚d 的介質,它在真空中的波動与位相差δ的關係為:δ= × d = × nd ( 1.3 )= [ 自由空間中的傳播系數 ( ) ] × [ 介質中的光路 ( nd ) ]λ- 317.72213.888 λ0ν λνc νλ0 λ d λ nd λ02π λ λ0 2π λ02π在光的干擾原理中,此位相差δ極其重要. 在光學方面,透明薄膜的光學性質(分光特性)是 由於膜厚nd 与真空中的波長而形成了此特徵.1.3 重復反射兩面平行且在無吸收的介質(屈折ns )中, 當光垂直入射,則會產生像圖1.14在2個界面重復反射,剩餘的則作為透過光向外射出. 倘若把各界面的反射率視為R 0 , R 1 ,其反射光為:I 1 = I 0 R 0I 2 = I 0 ( 1 - R 0 ) 2 R 1I 3 = I 0 ( 1 - R 0 ) 2 R 1 2 R 0↓於是透過光則為:I 1 t = I 0 ( 1 - R 0 ) ( 1 - R 1 )I 2 t = I 0 ( 1 - R 0 ) R 1 R 0 ( 1 - R 1 )I 3 t = I 0 ( 1 - R 0 ) R 1 2 R 0 2↓因此,全反射光ΣR 為:ΣR = I 1 + I 2 + I 3 + ．．．= I 0 [ R 0 + ( 1 – R 0 ) 2 R 1 { 1 + R 1 R 0 + R 1 2 R 0 2 +．．．}] I 0 { R 0 +} = I 0∴反射率R = ( 1.4 )另外,全透過光ΣT 是:ΣT = I 1 t + I 2 t + I 3 t + ．．．= I 0 ( 1 – R 0 ) ( 1 – R 1 ) ( 1 + R 0 R 1 + R 0 2 R 1 2 +．．． ) ( 1 - R 0 ) 2 × R 11 - R 1 R 0 ～R 0 + R 1 - 2R 1 R 0 1 - R 1 R 0R 0 + R 1 - 2R 1 R 0 1 - R 1 R 0I 0= I 0∴透過率T =( 1.5 )介質兩面的反射率相等時, 公式 ( 1.4 ) 與 ( 1.5 )中,假設R 0 = R 1 , 則反射率為:反射率R = ( 1.6 )透過率T = ( 1.7 )另外, 單面的反射率R 0 為:R 0 = ( ) 2( 1.8 ) 使用公式( 1.8 ) 與 ( 1.6 )計算: 當光垂直入射到透明玻璃表面時的單面以及兩面的反射率,可得出像表1.1那樣的數值.屈折率ns = 1.50的單面反射率是4.0%, 然而在兩面時並非為它的2倍8.0%, 卻是7.69%. 表1.1 各種玻璃的反射率1.4 特性矩陣 (ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｍａｔｒｉｘ )我們把不同介質的薄膜重疊多層, 使其境界面的反射光相互干擾的物體稱之為多層薄膜. 在多層膜中對於所期望的光學特性而未能滿足時,則采取增加膜層數的方式得以解決. 解析這類多層膜的光學特性的方法不勝枚舉,其中一種是: 使用極其有效的矩陣.詳細資料可參見文獻．書籍,在此只針對其概念以及它的實用性進行說明.( 1 - R 0 ) ( 1 – R 1 ) 1 - R 1 R 0 ～ 1 - R 1 - R 0 + R 1 R 0 1 - R 1 R 0 1 - R 1 - R 0 + R 1 R 0 1 - R 1 R 0 2R 01 + R 0 1 + R 0 1 - R 0 ( 1 - R 0 ) 2～1 + n s 1 – n s波長λ的光鍍在透明基板(屈折率ns)上所產生的屈折率n, 當垂直入射到幾何學中膜厚d 的無吸收．均質膜時,其光學特性矩陣是:M = cos δ sin δ ( 1.9 ) in sin δcos δ= m 11 im 12im 21 m 22但它的表達式則為:δ= × nd通常我們把它稱為特性矩陣或Ｈｅｒｐｉｎ ｍａｔｒｉｘ.此時,反射率R 与透過率T 為:R = ( 1.10 )T = ( 1.11 )如圖1.15所示, 多層膜中各層的特性矩陣分別為:M k , M k-1 , ．．．M 2 , M 1 時,其多層膜的光學性質是各矩陣的積:M = M k × M k-1 ×．．．M 2 × M 1( 圖1.15 k 膜層 )= Ai b i c D公式(1.10): 假如m 11 = A, m 12 = B, m 21 = C, m 22 = D, 那麼k 層膜的反射率便能輕易求解. 下面我們來關注一下位相δ. 固定λ後再使膜厚nd 發生變化,只有在膜厚變化的情況下才能計算出反射率與透過率. 相反,在固定膜厚nd 後再使λ發生變化,此時波長的反射率與透過率的變化(分光特性)便可計算出來. n i 2πλ(m 11 - ns × m 22 ) 2 + ( ns × m 12 - m 21 ) 2 (m 11 + ns × m 22 ) 2 + ( ns × m 12 + m 21 ) 2(m 11 + ns × m 22 ) 2 + ( ns × m 12 + m 21 ) 241.5 等價膜(ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ)在設計．制作多層薄膜時, 根據基板的屈折率選用持有所期望的屈折率之鍍膜藥材.為解決此問題,下記方法請掌握並靈活運用. (混合膜的方法)(1) 在真空中屈折率各異的2種物質已同時鍍膜.(2) 空氣中2種物質按照適當的重量比混合後再進行鍍膜.但是生產線若想制造出持有所期望的屈折率的混合膜,在再現性方面卻是很難實現的.為避免此類情況的發生, 与混合膜可媲美的是”等價膜”. 高低2種屈折率的物質被對稱地組合成三層膜,此時一波長的光可用均質膜替代(Ｈｅｒｐｉｎ定理) .當與光的波長相比較它的膜厚非常小時,比如等價膜厚在λ／4以下時,光學膜厚的變化對其等價屈折率波及的影響比預計小.像這類等價膜,在一定波長範圍內,它具有與均質膜相似的等價特性.也就是,如使用可互換的2種物質,就能夠制造出持有所期望的屈折率的薄膜.如圖1.16所示,當出現屈折率n 1, n 2 的對稱型3層交替層時,它的特性矩陣M 為: cos δ1 sin δ1 cos δ2 sin δ2 in 1 sin δ1cos δ1 in 2 sin δ2 cos δ2cos δ1 sin δ1 in 1 sin δ1cos δ1cos △sin △ in 1 sin δ1 cos △圖1.16 等價膜但它的關係則表示為:δ1 = ×ｎ1 ｄ1 , δ2 = ×ｎ2 ｄ2 , △= N D N 稱為等價屈折率, △稱為等價位相角.ni M = ×n i ni Ni = 2π λ 2πλ2πλ此時,當ｎ1＜ｎ2時,則ND=λ／4. 具體請參照ｎ1ｄ1 , ｎ2ｄ2的求解程式後再實際運用.該程式如圖1.17所示. 變量U与膜厚比2ｎ1ｄ1／ｎ2ｄ2、變量k1和k2与λ／4以及變量N3之間的膜厚系數(ｎ1ｄ1 = k1×λ／4) 皆被稱為等價屈折率.(圖1.17 對稱3層型等價膜的膜厚計算程式)由MgF2 (ｎ1 = １．３８)与Z r O2 (n = ２．０)構成的對稱3層型等價膜的膜厚与等價屈折率之間的關系請參照圖1.18.圖1.19是以眼鏡鏡片為代表的3層防反射膜(基板－A12 O3－Z r O2－MgF2 ) 的分光反射率特性, 再者, 將第1層的A12 O3 (ｎ= １．６１) 換成由MgF2与Z r O2構成的等價膜後,其分光反射率特性如圖1.20所示. 兩者比較後可得知, 雖說短波長和長波長之間存在些許差異,但由於等價膜的關係卻使它變得非常實用.(圖1.18 對稱3層型等價膜的膜厚與等價屈折率)[圖1.19 ng = 1．52, ｎ1 = 1．61(A12 O3),ｎ2 = 2．0(Z r O2) ](圖1.20 將A12 O3更換成由MgF2与Z r O2構成等價膜之分光反射率特性)* 間接輸入時如字面那樣它是指材質的種類數.ＡＩＲ／（ＨＬ）3ＨＨ（ＬＨ）5 ／ＮＳ1 2 3 4因此,此時材質的種類分4種. ( ＨＯＷ ＭＡＮＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬ)在鍍膜(例如Ｈ,Ｌ等) 時,各鍍膜的材質与膜厚必須相同. 當然,Ｈ与Ｌ即使不同也沒關系.由此可見,材質相同但厚度不同時,可以直接輸入.下列例題是針對間接輸入進行了說明. (參見ＥＸ－１)ＤＩＲＥＣＴ ＩＮＰＵＴ（Ｏ） ＯＲ ＮＯＴ（１）在上記括號中輸入１例題的鍍膜模式是:ＮＳ／（ＨＬ）2ＨＨ（ＬＨ）2 ／ＮＳ1 2 3故材質種類變為3. ( ＨＯＷ ＭＡＮＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬ)接下來在以下ＨＯＷ ＭＡＮＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬ中輸入指定的鍍膜材質個數(例：３).各種鍍膜每種鍍膜名稱(Ｈ,Ｌ等由用戶定義), 膜厚(Ｎ×Ｄ,波長單位,基板的厚度也需象徵性地輸入,故此時輸為0即可), 鍍膜材質名(基板本身的玻璃名).鍍膜名稱的命名不能重復. (詳見示例)待以上內容輸入完畢後,有關鍍膜材質,基板玻璃的信息假如“鍍膜材質登錄文檔＂中沒有指定材質名時,便會出現ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＮＡＭＥ ＥＲＲＯＲ的錯誤警告,此刻則需要手動輸入屈折率及吸收系數. 按理說已登錄的鍍膜材質或是玻璃的輸入設定在出現輸入錯誤(ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＮＡＭＥ ＥＲＲＯＲ) 時,象徵性的輸入適當的值,待各種初期data均輸入完成後,根據ＭＩＮcommand再輸入即可解除. 膜厚輸入錯誤時,則使用ＮＤＩcommand訂正.屈折率以及吸收系數在輸入時,該程式已將屈折率設定為ｎ,吸收系數設定為ｋ,一般情況下需考慮波長分散性, 因此, 其數值(俗稱內插法) 如下:ｎ2= ａ0 +ａ1λ+ａ2λ2 +ａ3／λ2 +ａ4／λ4 +ａ5／λ6 +ａ6／λ8ｋ= MAX ｂ0 +ｂ1λ+ｂ2λ2 +ｂ3／λ2 +ｂ4／λ4 +ｂ5／λ6 +ｂ6／λ8上記是使用各7個最大系數ａ0 ~ａ6 , ｂ0 ~ｂ6所構成的公式. “從層次低~何項止”可指定輸入.※名詞解釋插值法又稱“內插法”，是利用函數f (x)在某區間中若干點的函數值，作出適當的特定函數，在這些點上取已知值，在區間的其他點上用這特定函數的值作為函數f (x)的近似值，這種方法稱為插值法。
薄膜基本常识培训教材★前言：本教材仅供本公司培训职员使用★第一节PVC胶布制品的分类按产品用途分：吹气玩具布、浴帘胶布、文具胶布、半硬质帖合布、灯箱广告、透心胶布、钢板贴合胶布、绊创膏自粘胶布、绝缘胶带布按柔软程度分：硬片、半硬质、软质按卫生标准分：毒性、微毒性（如：EN-71标准、DOP）、无毒性（如：医药用途）按物理特性分：耐寒制品、高弹制品，超透制品、阻燃制品、耐老化制品等按颜色特性分：一般色、珠光色、荧光色、金属色★第二节PVC胶布的组成原料共由7种基本物质组成：PVC粉、增塑剂、稳定剂、加工助剂、填充剂、特种添加剂、色料一、PVC粉PVC粉是构成胶布的核心，属于一种聚合物，也称为塑料。
PVC粉具有可塑性，可以在一定的温度下融熔，当冷却的时候，重新变硬。
在PVC制品的加工中，常通过加热的方法，使PVC材料变软，再用外力使之变形，然后将冷却使之定型。
PVC作为一种聚合物，有其相应的聚合度大小。
聚合度越大，胶布强度越好，但软化点越高。
我们使用的薄膜，常用的粉聚合度为：800、1000、1300、1700。
其中，用于吹气玩具用途的制品，以1300聚合度为多。
1.聚氯乙烯识别特性及性能聚氯乙烯的燃烧特性为，难燃、离火即灭、火焰呈黄色，下端绿色，白烟，燃烧时塑料变软发出氯的刺激性味。
聚氯乙烯树脂是一种多组分的塑料，根据不同用途可以加入不同的添加剂，因此随着组成的不同，其制品可呈现不同物理机械性能，如加入或不加入增塑剂就能使它有软、硬制品之分。
总的来说PVC 制品有耐化学稳定性、耐焰自熄、耐磨、消声消震、强度较高、电绝缘性较好、价廉及材料来源广、气密性能好等优点。
其缺点是热稳定性能差，受光、热、氧的作用容易老化。
聚氯乙烯树脂本身是无毒的，如果采用无毒的增塑剂、稳定剂等辅助材料制成的制品，对人畜无害。
然而一般在市场上所见的聚氯乙烯制品所用的增塑剂、稳定剂大多数是有毒的，因此除注明无毒配方的产品外，均不能用来盛装食品。
124 第三章 光学薄膜的基本知识一个介质如果它的性质在过考察点并与某一固定方向相垂直的平面上的各个方向都一样，我们就叫它为分层介质。
图3-1就是分层介质的示意图，图中z 轴所指的就是这一固定方向。
对于图示的各层介质来说，其介电常数和磁导率εε=()z ， μμ=()z图3-1 分层介质结构本章中我们由分析最基本的单层介质膜入手，进而分析周期性的多层介质膜。
通过对多层高反膜、增透膜、干涉滤光片原理的介绍了解常见的光学薄膜的基本知识。
最后通过金属膜理论的介绍了解吸收膜的性质。
§3-1 单层介质膜在一块玻璃基底上(n 3=1.5)镀制一层厚度不到一个波长的氟化镁薄膜(n 2=1.38)，膜的上方为空气(n 11=)，这样的三层介质就构成了一个单层介质膜。
光入射至单层介质膜，在膜层中有电磁场分布，对三层介质中的场量分析是以麦克斯韦电磁理论为依据。
作为简化的处理方法，我们直接运用电磁理论的结果来讨论各个区域中的总电场和磁场以及它们的边界条件。
一、求特征矩阵的数学处理方法图3-2为一单层介质膜的示意图。
设入射的单色平面波为一线偏振光，它可以分解为电矢量垂直于入射面的TE 波和电矢量平行于入射面的TM 波。
由于E 的垂直分量和平行分量在介质突变处的边界条件是相互独立的，所以这两种波相互独立。
图3-2中只画出了TE 波，以下的讨论就是针对TE 波进行的。
至于TM 波，可以用类似的处理方法，得出相应的结果。
选取相当于图3-1中(,)x y 坐标相同的两个考察点A Ⅰ、A Ⅱ，这种选取考察点的方法以后还要推广到多层膜。
现在就用比较这些处于同一竖直轴上的点场量演化的方法来建立层与层之间电磁场的传输关系。
图3-2a 中所标的E r Ⅰ、'E r Ⅱ、E t Ⅱ等，都代表介质中该点上沿图中所标定方向传播的所有可能波的总和，由于求和的过程已经包含在内，所以不125再追究得到它们以前的详细过程。
在图3-2b 中，将A Ⅰ和A Ⅱ点相比较，对于介质Ⅱ中入射至界面Ⅱ上的平面波来说，这两点之间的相位差图3－2 （a ） 边界上的电磁场； （b ）过A Ⅰ、A Ⅱ两点等相面之间的距离为22cos θh nβπλθ=2022n h cos (3.1-1)根据电磁场理论，在两种介质的界面上电场E 和磁场H 的切向分量保持连续，具体来说在界面Ⅰ处 E E E E E i r t r ⅠⅠⅠⅠⅡ=+=+' (3.1-2) 及 H H H H H i r t r ⅠⅠⅠⅠⅡ=-=-'c o s c o s c o s c o s θθθθ1122 (3.1-3) 由非磁性介质中E 和H 的关系式H s E =⨯εμ00n (3.1-4) 式中s 为波矢k 方向上的单位矢量，n 为所讨论的介质层中的折射率。
