薄膜光学与镀膜技术李正中 第九版

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光学基础知识及光学镀膜技术

光學薄膜是指在光學元件上或獨立的基板上鍍上一層或多層之介電質膜或金屬膜來

改變光波傳遞的特性。即應用光波在這些薄膜中進行的現象與原理，如透射、吸收、散

射、反射、偏振、相位變化等，進而設計及製造各種單層及多層之光學薄膜來達到科學

與工程上的應用。在本廠的實際應用上，DM半透板與ITO鍍膜屬於這個領域。

光學薄膜雖早於1817年Fraunhofer已經開始利用酸蝕法製成了抗反射膜，但是真正

的發展是在1930年真空鍍膜設備之後。而軍事的需求(望遠鏡、飛彈導向鏡頭、監視衛

星、夜視系統等)加速了光學薄膜的開發與研究。計算機的出現使得設計更為方便，相對

的各種理論及設計方法因應而出，光學薄膜的研究於是更為進步並充分應用於各種光電

系統及光學儀器之中，如光干涉儀、照相機、望遠鏡、顯微鏡、投影電視機、顯示器、

光鑯通訊、汽車工業、眼鏡等。

光學薄膜基本上是藉由干涉作用達到其效果的。簡單的如肥皂泡沫膜、金屬表層的

氧化膜、水面油層的顏色變化，都可以視為單層干涉的效果。因此，當光在膜層中的干

涉現象可以被偵測到時，我們就說這層模是薄的，否則是厚的(k值消散掉)。由於干涉現象不僅跟膜層的厚度有關，而且光源的干涉性和偵測性的種類也有關。

接下來為各位介紹幾個主

《光学薄膜技术》课程简介

《光学薄膜技术》作为光学专业的技术专业课,系统地介绍薄膜光学的基本理论和器件设计的基本方法,介绍光学薄膜的新设计方法、新器件设计、新工艺技术、制造工艺,介绍光学薄膜的相关材料及其性质,介绍光学薄膜的特性测试方法等。

本《光学薄膜技术》课程将讲授六章,第一章是薄膜光学特性计算基础,第二章介绍介质膜系及其应用,第三章介绍薄膜制造技术,第四章介绍光学薄膜制造工艺,第五章介绍薄膜材料及其性质,第六章介绍光学薄膜特性测试与分析。

课程目录

第一章薄膜光学特性计算基础 1.1 单一界面的反射率和透射率 1.2 单层介质膜的反射率 1.3 多层介质膜的反射率和透射率 1.4 金属薄膜的光学特性 1.5 光学零件的反射率和透射率 第二章介质膜系及其应用 2.1 减反射膜 2.2 高反射膜 2.3 中性分束膜 2.4 截止滤光片

2.5 带通滤光片 2.6 偏振分束膜 2.7 消偏振膜系 第三章薄膜制造技术 3.1 光学真空镀膜机 3.2 真空与物理汽相沉积 3.3 真空获得与检测 3.4 热蒸发 3.5 溅射 3.6 离子镀 3.7 离子辅助镀

第四章光学薄膜制造工艺 4.1 光学薄膜器件的质量要素 4.2 影响膜层质量的工艺要素

一、概念： 1 光学导纳 N?2 3 4 边界条件 菲涅尔系数 组合导纳 HK?E 在电磁场跨越界面时，电场和磁场的切向分量在边界两边分别相等。 菲涅尔系数就是界面上的振幅反射系数和振幅透射系数。 将膜系与基底看成一体时的导纳，对于单层膜和基底组合来说， Y?5 特征矩阵 ?2cos?1?i?1sin?1 cos?1?i(?2?1)sin?1?sin?1? ?1?cos?1?i?cos?1表征薄膜特性的矩阵，仅包含薄膜的特征参数???i?1sin?1理想单层增透膜就是折射率n1?6 7 8 9 理想单层膜 诱导透射 PVD 虚设层 n0?ns，厚度为1QW的单层膜 在金属膜两侧设计介质膜，开发金属膜最大可能的透过率。 物理气相沉积（真空镀膜的方式之一） 当膜层厚度对于中心波长来说是2QW或其整数倍时，该层是否存在对于中心波长处的透过率/反射率无影响，因此称为虚设层。但该层其他波长处的透过率/反射率还是有影响的。 当光线斜入射到薄膜时，s-偏振光和p-偏振光具有不同的透射/反射率，称为偏振效应。 截止滤光片在某一波长范围的光束高透射，而偏离这一范围的光骤然变化为高反射（或称抑制），这个临界波长称为截止波长 对于以中间一层为中心，两边对称安置的

镀膜背景知识

1、 光线垂直入射示意图及反射率计算公式：

比如真空内(na=1.0)光线垂直入射在镀有单层MgF2( nf=1.3836)的K9玻璃(ns=1.5168)上,可以求出,这时的反射率大概在1.34%左右

(

也就是说透过率在98.6%左右);当然,实际镀膜情况比上式复杂的多,通过多层镀膜,我们可以得到需要的反射率(或透射率).

2、光线倾斜入射示意图：

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3、镀膜类型及属性： 反射膜

类型 紫外增强铝膜

波长（nm）

反射率

抗磨损能力中等

价格低

属性

通过氟化镁膜增强紫外反射率

通过SiO膜增强可见光反射率

多层介质膜增强可见和近红外反射率

可见和红外反射能力强于铝膜

近红外到红外反射能力略强于保护银膜

在带宽范围有非常高的反射率

在窄带范围有非常高的反射率

对于准分子激光有高反射率和高损伤阈值 对于Nd:YAG激光有高反射率和高损伤阈值

avg >90%

保护铝膜

avg >88% 中等 低

金属膜

增强铝膜

avg >93% 中等 低

保护银膜

0.48–20μavg >96% 中等 低

保护金膜

0.65–20μavg

镀膜背景知识

1、 光线垂直入射示意图及反射率计算公式：

比如真空内(na=1.0)光线垂直入射在镀有单层MgF2( nf=1.3836)的K9玻璃(ns=1.5168)上,可以求出,这时的反射率大概在1.34%左右

(

也就是说透过率在98.6%左右);当然,实际镀膜情况比上式复杂的多,通过多层镀膜,我们可以得到需要的反射率(或透射率).

2、光线倾斜入射示意图：

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3、镀膜类型及属性： 反射膜

类型 紫外增强铝膜

波长（nm）

反射率

抗磨损能力中等

价格低

属性

通过氟化镁膜增强紫外反射率

通过SiO膜增强可见光反射率

多层介质膜增强可见和近红外反射率

可见和红外反射能力强于铝膜

近红外到红外反射能力略强于保护银膜

在带宽范围有非常高的反射率

在窄带范围有非常高的反射率

对于准分子激光有高反射率和高损伤阈值 对于Nd:YAG激光有高反射率和高损伤阈值

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保护铝膜

avg >88% 中等 低

金属膜

增强铝膜

avg >93% 中等 低

保护银膜

0.48–20μavg >96% 中等 低

保护金膜

0.65–20μavg

2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（B卷）

参考答案及评分标准

一、填空题（每空1分，共25分）

1、薄膜是指附着于基底，且与基底不同质的非自持性涂层。

2、镀制单层介质薄膜时，第二次看到相同的反射色时的膜层光学厚度是第一次看到相同的反射色时膜层光学厚度的 3 倍。

3、K9玻璃上的单层MgF2膜层与单层ZrO2膜层具有相同的反射色调时，MgF2膜层的光学厚度等于（大于、小于、等于）ZrO2膜层的光学厚度。

4、在折射率为3.5的材料表面镀单层减反射膜，材料最佳的折射率为：1.8708 。

5、周期性对称膜系(pqp)s的等效折射率和基本周期/pqp 的等效折射率完全相同，其等效位相厚度等于基本周期的s倍。

6、按照材料状态不同，一般将薄膜分为固体薄膜、气体薄膜和

液体薄膜三类。

7、Torr和Pa是两个常用来表示真空度的单位，它们较为准确的换算关系为：1Torr=133.3Pa 。

8、镀膜室内真空度高表明气体压强小，真空度低则气体压强大。

9、由于极值点的判读精度不高，因此常常采用过正控制、高级次监控、预镀监控片等措施来提高极值法监控精度。

10、电子枪的e型枪是指电子束出射后至坩埚表面的运动方向改变了270度。

11、请写出常用的三种

《薄膜材料与薄膜技术》复习题

1. 薄膜材料与体材料的联系与区别。

1. 薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以曲面加工。例：金箔、饰品、太阳能电池，GaN，SiC，Diamond

2. 厚度小、比表面积大，能产生许多新效应。如： 极化效应、表面和界面效应、耦合效应等。

3. 可以获得体态下不存在的非平衡和非化学计量 比结构。如：Diamond: 工业合成, 2000℃，5.5万大气压, CVD生长薄膜:常压，800度.Mgx Zn1-x O: 体相中Mg的平衡固溶度为0.04, PLD法生长的薄膜中，x可0~1. 4. 容易实现多 层膜，多功能 薄膜。如：太 阳能电池、超 晶格： GaAlAs/GaAs 5. 薄膜和基片的粘附性， 一般由范德瓦耳斯力、静电力、表面能（浸润）和表面互扩散决定。范德瓦耳

2. 真空度的各种单位及换算关系如何？

? 1pa=1N/m2 (1atm)≈1.013×105Pa(帕) ? 1Torr≈1 / 760atm≈1mmHg

2

? 1Torr≈133Pa≈10Pa ? 1bar = 0.1MPa

3. 机械泵、扩散泵、涡轮分子泵和低温泵的工作原理是什么？ 旋片式机械泵 工作过程：

1. 气体从入口

压电薄膜技术

1压电薄膜概述

体材料（单晶和陶瓷）构成的压电器件因受尺寸限制，应用频率一般比较低，压电薄膜可大大提高工作频率。压电薄膜兼有单晶和陶瓷的优点：即表面光滑致密，容易制造，价格低廉，便于调变，性能可靠稳定。此外，使用薄膜，可以通过调节薄膜厚度，基片类型和电极形式来调整器件的性能。更重要的是，使用薄膜可以使压电器件到的平面化和集成化，使压电材料与半导体材料紧密结合，实现压电与载流子、声波与光波的相互作用，制成各种新型压电与声光的单片集成器件。一般压电薄膜可以通过特殊方法实现与微机电系统工艺的结合，制造成为微机电系统意义上的微型传感器和执行器。此类微型传感器贴在物体表面，在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征，同时这用材料具有热放电效应，可用做温度传感器。目前，压电陶瓷薄膜已经在惯性器件、声表面波器件等方面得到广泛应用，成为微定位、微驱动的主要解决方法。

常见的压电薄膜材料主要包括具有铁电性的PZT薄膜、BaTiO3薄膜等，以及不具有铁电性的ZnO薄膜、AlN薄膜等。虽然铁电薄膜的压电效应比非铁电性压电薄膜强，但使用较多的还是ZnO和AlN等非铁电薄膜。

该类非铁电性压电薄膜的始于1963年美国Be