soloarcell光學(xué)薄膜基礎(chǔ)知識(shí)

1、光是什么？光是一種電磁波，（在真空中的）可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍是700400nm ；紅外光為約700 到107nm量級(jí);紫外光1-400nm；比紫外光短的還有X射線(xiàn)、射線(xiàn)（0.001nm）等；而比紅外長(zhǎng)的就是我們熟悉的無(wú)線(xiàn)電波什么叫光的干涉？物理定義： 當(dāng)2個(gè)或多個(gè)光波（光束）在空間疊加時(shí)，在疊加區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的各點(diǎn)強(qiáng)度穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象。產(chǎn)生的條件：1、光波產(chǎn)生的相位差固定不變2、光波的振幅不能相互垂直3、光波的頻率要一致什么叫做光學(xué)薄膜？所謂光學(xué)薄膜，首先它應(yīng)該是薄的然后它應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一定光學(xué)效應(yīng)的那么要薄到什么程度呢？定性的講：它的厚度應(yīng)該和入射光波長(zhǎng)可以相 比擬的物理意義上講：能引起光的干涉現(xiàn)象的膜

2、層與鍍膜技術(shù)密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè)眼鏡鍍膜-AR 幕墻玻璃-AR濾光片 液晶領(lǐng)域-ITO膜 車(chē)燈、冷光鏡、舞臺(tái)燈光濾光片光通信領(lǐng)域：DWDM、光纖薄膜器件紅外膜 激光領(lǐng)域-激光反射腔高反射膜CD、DVD驅(qū)動(dòng)器投影顯示數(shù)碼領(lǐng)域光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用提高光學(xué)效率、減少雜光。如高效減反射膜、高反射膜。 實(shí)現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根據(jù)不同需要進(jìn)行能量再分配的光學(xué)元件。通過(guò)波長(zhǎng)的選擇性透過(guò)提高系統(tǒng)信噪比。如窄帶及帶通濾光片、長(zhǎng)波通、短波通濾光片。實(shí)現(xiàn)某些特定功能。如ITO透明導(dǎo)電膜、保護(hù)膜等 當(dāng)前最熱門(mén)的應(yīng)用領(lǐng)域v1、數(shù)碼相機(jī)用的IR-CUTv2、投影顯示光學(xué)系統(tǒng)-包括LCD、

3、DLP、 LCOSv3、光通訊：DWDM (dense wavelengh division multiplexer)濾光片v4、減反射膜-永遠(yuǎn)的熱門(mén)一、光學(xué)薄膜的類(lèi)型一、光學(xué)薄膜的類(lèi)型我們根據(jù)其作用，可以簡(jiǎn)單的分為1、減反射膜或者叫增透膜2、分束膜3、反射膜4、濾光片5、其他特殊應(yīng)用的膜一、減反膜1、減反膜的作用o 增加光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率o 減少雜散光o 提高象質(zhì)o 增加作用距離一、減反膜2、減反膜按層數(shù)分類(lèi)o 單層減反膜o 雙層減反膜一、減反膜012345400450500550600650700單層膜、/4-/4和/2-/2型雙層增透膜理論曲線(xiàn)% ReflectanceWavelength

4、(nm)o 多層減反膜一、減反膜012345400450500550600650700K9基底上各種設(shè)計(jì)的增透膜理論曲線(xiàn)比較% ReflectanceWavelength (nm)一、減反膜3、另一種分類(lèi) 單點(diǎn)減反 寬波段減反（超寬波段） 雙波段減反 寬角度減反減反膜幾個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo) 使用的波段 使用的角度或者角度范圍 剩余反射率要求 使用環(huán)境 在激光領(lǐng)域還有激光閾值要求二、分束膜一般來(lái)講，分束膜總是傾斜使用，常用的是45度。分束膜有兩種：中性分束膜（也就是一般講的消偏振NPBS）、偏振分束膜（也就是通常講的PBS）。中性分束鏡有兩種結(jié)構(gòu)：平板型和棱鏡型。 而PBS一般都用棱鏡。平板結(jié)構(gòu)由于

5、不可避免的象散問(wèn)題所以只用于中低要求的光學(xué)裝置。二、分束膜正確錯(cuò)誤NPBSPBS二、分束膜分束膜根據(jù)鍍膜材料還有金屬分束鏡和介質(zhì)分束鏡兩種。兩種分束鏡各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)不同的使用要求和工藝水平采用不同的類(lèi)型。二、分束膜金屬分束鏡的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：中性好，光譜范圍寬、偏振效 應(yīng)小、制作簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：吸收大、激光閾值低使用注意事項(xiàng)：光的入射方向二、分束膜介質(zhì)分束鏡的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：吸收小，幾乎可以忽略缺點(diǎn)：光譜范圍窄、偏振分離明顯、角度效應(yīng)明顯二、分束膜兩類(lèi)分束鏡的曲線(xiàn)020406080100400450500550600650700750800K9基底上分光膜理論曲線(xiàn)% TransmittanceWa

6、velength (nm)三、濾光片一般我們把改變光束性質(zhì)或者顏色的膜叫做濾光膜。常見(jiàn)的有：1、干涉截止濾光片2、帶通濾光片3、金屬濾光片4、負(fù)濾光片三、濾光片1、干涉截止濾光片要求某一波長(zhǎng)范圍的光束高透，而偏離這一區(qū)域的光束驟然變?yōu)榻刂?我們把這中類(lèi)型的膜叫干涉截止濾光片。此類(lèi)膜有著廣泛的用途，例如照明上用的冷光碗上的冷光膜、舞廳里色彩變幻的旋轉(zhuǎn)燈以及我們?cè)谧龅?IR- CUT都屬于此類(lèi)。 1透射曲線(xiàn)開(kāi)始上升(或下降)時(shí)的波長(zhǎng)以及此曲線(xiàn)上升(或下降)的許可斜率 2高透射帶的光譜寬度、平均透射率以及在此透射帶內(nèi)許可的最小透射率 3具有低透射率的反射帶(抑制帶)的光譜寬度以及在此范圍內(nèi)所許可的最

7、大透射率。干涉截止濾光片的幾個(gè)重要指標(biāo)干涉截止濾光片的分類(lèi)可以分為長(zhǎng)波通和短波通兩類(lèi)，見(jiàn)下圖四、帶通濾光片從光學(xué)薄膜的角度來(lái)講，最有意義的進(jìn)展是1899年出現(xiàn)的法布里-珀珞干涉儀。它是干涉帶通濾光片的一種基本結(jié)構(gòu)。而自從1940年出現(xiàn)金屬-介質(zhì)濾光片以來(lái)，它已經(jīng)在光學(xué)、光譜學(xué)、激光、天文物理學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。四、帶通濾光片法布里珀珞的結(jié)構(gòu)四、帶通濾光片帶通的主要參數(shù)0中心波長(zhǎng)，或峰值波長(zhǎng)Tmax中心波長(zhǎng)透射率，或 ， 峰值透射率2透過(guò)率為峰值透過(guò)率一半的波長(zhǎng)寬度，也稱(chēng)通帶半寬度，有時(shí)也用2/ 0表示相對(duì)半寬度四、帶通濾光片根據(jù)膜層的不同，可分為q 金屬濾光片q 全介質(zhì)濾光片q 雙半

8、波、三半波全介質(zhì)濾光片q 金屬誘導(dǎo)透射濾光片020406080100500520540560580600單半波與雙半波濾光片光譜曲線(xiàn)% TransmittanceWavelength (nm) 介質(zhì)帶通濾光片的結(jié)構(gòu)為：介質(zhì)反射膜/間隔層/介質(zhì)反射膜/間隔層/介質(zhì)反射膜但是濾光片也可以是混合結(jié)構(gòu)，例如用一層金屬膜如銀膜代替兩間隔之間的介質(zhì)反射膜形式如下：介質(zhì)反射膜/間隔層/金屬膜/間隔層/介質(zhì)反射膜這是金屬誘導(dǎo)透射濾光片的基本形式這種濾光片的最大好處：長(zhǎng)波無(wú)次峰、透射率較高金屬誘導(dǎo)透射濾光片02040608010050010001500200025003000350040004500500055

9、006000650070007500800085009000950010000誘導(dǎo)透射濾光片% TransmittanceWavelength (nm)五、反射膜 在光學(xué)薄膜中，反射膜和增透膜幾乎同樣重要。 對(duì)于光學(xué)儀器中的反射系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般單純金屬膜的特性大都已經(jīng)滿(mǎn)足常用要求。在某些應(yīng)用中，要求更高的反射率則可用金屬增強(qiáng)鏡。 而全介質(zhì)多層反射膜，由于這種反射膜具有最大的反射率和最小的吸收率因而在激光應(yīng)用和一些高要求的系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。五、反射膜金屬膜材料的選擇原則q 先考慮使用波段要求q 反射率要求q 使用環(huán)境q 制作成本等常用有Al、Ag、Au、Pt五、反射膜 鋁：最常用，紫外、可見(jiàn)

10、、紅外 銀：反射率最高，穩(wěn)定性差 金：紅外常用、穩(wěn)定 鉑、銠：穩(wěn)定、堅(jiān)固五、反射膜 理論上只要增加膜系的層數(shù)反射率可無(wú)限地接近于100%， 實(shí)際上由于膜層中的吸收、散射損失，當(dāng)膜系達(dá)到一定層數(shù)時(shí)繼續(xù)加鍍兩層并不能提高其反率，有時(shí)甚至由于吸收、散射損失的增加而使反射率下降因此膜系中的吸收和散射損耗限制了介質(zhì)膜系的最大層數(shù)。全介質(zhì)反射鏡0102030405060708090100400450500550600650700750800 % ReflectanceWavelength (nm)57917層反射膜光譜 由上圖可以看出最高反射率隨層數(shù)增加，而反射帶寬并不增加光學(xué)薄膜的類(lèi)型與符號(hào)1.減反膜2

11、.濾光膜3 保護(hù)膜4 內(nèi)反射5 外反射6 高反膜7 分束膜8 分色膜9 偏振膜10 導(dǎo)電膜光學(xué)薄膜的依附體 基板光學(xué)上常用的基板一、玻璃-在光學(xué)應(yīng)用上最重要二、陶瓷三、光學(xué)晶體四、光學(xué)塑料（如PC、PMMA等）五、金屬一、玻璃玻璃可以分為：1、普通玻璃2、無(wú)色光學(xué)玻璃3、有色光學(xué)玻璃4、特殊玻璃等1、無(wú)色光學(xué)玻璃的分類(lèi) 根據(jù)化學(xué)成分，無(wú)色光學(xué)玻璃可以分為兩類(lèi)：1、冕牌玻璃-K帶頭的玻璃，折射率n較小，色散系數(shù)大，可分為氟冕（FK）、磷冕（PK）、輕冕（QK）、鋇冕（BaK）、重冕（ZK）、鑭冕（LaK）、特冕（TK）等；2、火石玻璃-F帶頭的玻璃，折射率n較大。色散系數(shù)大，可分為冕火石（KF）

12、、輕火石（QF）、鋇火石（BaF）、重火石（ZF）、鑭H火石（LaF）等。 共有160多種之多。 1、nd-指587.7nm(氦黃線(xiàn))處的折射率；2、nD-指589.3nm(鈉黃線(xiàn))處的折射率；3、相對(duì)色散（阿貝數(shù)） d 、 D -由nf(486.1nm)和nc(656.3nm)確定： d= (nd -1)/(nf - nc) D= (nD -1)/(nf - nc)無(wú)色光學(xué)玻璃一些技術(shù)指標(biāo)玻璃按下列各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)分類(lèi)和分級(jí)：a.折射率、色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值；b.同一比中，折射率及色散系數(shù)的一致性；c.光學(xué)均勻性；d.應(yīng)力雙折射；e.條紋度；f.氣泡度；g.光吸收系數(shù)；h.耐輻射性能（N

13、系列玻璃）。無(wú)色光學(xué)玻璃的分級(jí)根據(jù)折射率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值，玻璃按表3分為6類(lèi)。類(lèi)別折射率nd允許差值類(lèi)別折射率nd允許差值00210-42710-40310-431010-41510-442010-4玻璃的光學(xué)均勻性以一塊玻璃中各部位間的折射率微差最大值nmax表示時(shí)，按下表分為4類(lèi)。類(lèi)別折射率最大微差，nmaxH1210-6H2510-6H3110-5H4210-5 2、有色玻璃 它主要是濾光作用，有時(shí)候替代鍍膜有時(shí)候和薄膜組合。按照著色原理可以分為膠態(tài)著色和離子著色有色玻璃兩類(lèi)。通過(guò)加入不同的吸收離子我們可以得到各種各樣顏色的玻璃。 我們?cè)谟玫乃{(lán)玻璃就是一種有色玻璃，HOYA叫CM50

14、00，肖特叫BG38、BG39等，國(guó)際、國(guó)內(nèi)均有一些專(zhuān)業(yè)的有色玻璃生產(chǎn)商。有色玻璃和鍍膜在曲線(xiàn)上的區(qū)別020406080100400 450500 550 600650 700750 800 850900 950 100010501100波長(zhǎng) nmT %3、普通玻璃如青板玻璃 由于加了0.080.12%的氧化鐵；二階、三階鐵分別在1100nm和380nm處構(gòu)成吸收帶，吸收了部分紅光和青光； 它的折射率n=1.515。 白板玻璃、超白玻璃等均要?dú)w入此列。4、特殊玻璃 特殊玻璃可以包括A、耐輻射玻璃B、石英玻璃C、隔熱玻璃D、微晶玻璃E、耐熱玻璃F、硬質(zhì)玻璃等。二、光學(xué)塑料 塑料是一種以合成樹(shù)脂或

15、天然樹(shù)脂(一般為高分子聚合物)為基本成分，在加工過(guò)程中，可塑制成型，產(chǎn)品最終能保持形狀不變的材料。光學(xué)塑料乃是一種可以與玻璃競(jìng)爭(zhēng)的透明塑料。它具有一定的光學(xué)特性、機(jī)械特性和化學(xué)特性，能滿(mǎn)足光學(xué)零件的要求，從而逐漸構(gòu)成光學(xué)三大基本材料之(玻璃、光學(xué)晶體和光學(xué)塑料)。塑料是什么？1、光學(xué)塑料的應(yīng)用目前，光學(xué)塑料的應(yīng)用大致分為三大類(lèi)：A、塑料透鏡(包括工業(yè)、儀器用透鏡、眼鏡、接觸眼鏡、非球面透鏡、棱鏡和菲涅耳透鏡等)；B、光盤(pán)及光學(xué)纖維；C、其它功能性光學(xué)塑料元件。其應(yīng)用范圍、越來(lái)越2、 常見(jiàn)的光學(xué)塑料 在世界范圍內(nèi)，光學(xué)塑料品種已有上百種，但真正用到工業(yè)開(kāi)發(fā)，應(yīng)用面廣的品種并不多，據(jù)統(tǒng)計(jì)約十多種，

16、如PMMA、PS、PC、SAN、CR一39、TPX等。 各種文獻(xiàn)中報(bào)道的新品種非常多，日本就有了s16、KT一153、TS一26等。最近日本開(kāi)發(fā)出了一種聚烯經(jīng)樹(shù)脂，是用作光盤(pán)的新材料，它的相對(duì)密度小，僅1.01，耐熱性好(Tg為140)，透光率為90，可見(jiàn)光學(xué)塑料的發(fā)展日新月異。3、光學(xué)塑料的類(lèi)型據(jù)受熱后的性能變化，光學(xué)塑料可分為兩大類(lèi)： 熱塑性光學(xué)塑料：熱塑性塑料是指可以多次反復(fù)加熱仍有可塑性的塑料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PS)均屬熱塑性塑料。 熱固性光學(xué)塑料：熱團(tuán)性塑料是由加熱固化的合成樹(shù)胳制成的塑料，常見(jiàn)的如CR一39樹(shù)脂鏡片，環(huán)氧光學(xué)塑料。4、光學(xué)

17、塑料的優(yōu)勢(shì)A、成型方便，成本低（約為玻璃的1/101/30 B、耐沖擊強(qiáng)度高（光學(xué)塑料的沖擊強(qiáng)度可達(dá)25103Nmm2，比光學(xué)玻璃大10倍經(jīng)得起撞擊和跌落，不易破損）C、相對(duì)密度小： 光學(xué)塑料的相對(duì)密度為0.83146，而玻璃的相對(duì)密度為2.5一3.0即塑料比玻璃輕一倍，這對(duì)軍用光學(xué)儀器有特殊意義。D、透光率好（可見(jiàn)區(qū)和玻璃一樣，在紫外和紅外區(qū)比玻璃好）5、光學(xué)塑料的缺點(diǎn)拆射率溫度梯度大約為210-4，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是特別不利的；熱膨脹系數(shù)比玻璃大10倍左右；導(dǎo)熱性和耐熱性差，軟化溫度低，易變形，加熱時(shí)會(huì)變形和分解；不耐有機(jī)溶劑。耐磨性差，吸濕性嚴(yán)重；光學(xué)塑料的折射率和色傲系數(shù)沒(méi)有玻璃寬，因

18、此，選用的余地受限制。三、光學(xué)晶體晶族晶系特征軸單位軸角低族晶系三斜a0b0 c00 0 0 90單軸a0 b0 c00 = 0 = 90， 0 90正交a0 b0 c00 = 0 = 0 = 90中級(jí)晶系四方a0=b0 c00 = 0 = 0 = 90六方a0=b0 c00 = 0 = 90， 0 = 120三方a0=b0=c00 = 0 = 0 90立方晶系立方a0=b0=c00 = 0 = 0 = 90光學(xué)晶體常用中級(jí)晶族和高級(jí)晶族，我們的石英就是六方晶系什么叫做晶體？晶體對(duì)我們來(lái)說(shuō)既熟悉又陌生，包括食鹽、糖以及一些藥物等均是；晶體具有規(guī)則的幾何多面體形狀，它是具有格子構(gòu)造的固體。晶體包

19、括三大晶族七大晶系，如上表：晶體的基本性質(zhì)1、均一性：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)和排列方式一致；2、各向異性：點(diǎn)陣性質(zhì)和排列方式在方向上不一致；3、對(duì)稱(chēng)性：在特定方向上異向同性，這個(gè)方向就是晶軸；4、自范性：能自發(fā)形成封閉幾何多面體的；5、最小內(nèi)能性：具有確定的熔點(diǎn)，以及特有穩(wěn)定性；6、穩(wěn)定性：最小內(nèi)能性的必然結(jié)果，不能自發(fā)轉(zhuǎn)化為其他狀態(tài)，非晶態(tài)則隨時(shí)有結(jié)晶傾向。晶體的幾個(gè)重要的物理性質(zhì)1、解理性2、硬度：常用莫氏硬度，指甲可劃的為12.5，小刀能刻畫(huà)的為55.5，銼刀為67，銼刀都不能的為89，石英晶體為7，天然金剛石為93、溶解度4、雙折射：高級(jí)晶族沒(méi)有，中級(jí)有，會(huì)將一束光分為2束，為尋常光和非尋常光，相應(yīng)的折射率用no和ne表示5、旋光性光學(xué)晶體按用途分的類(lèi)型1、紫外、紅外晶體：用于宇宙飛船、人造衛(wèi)星導(dǎo)彈 等的窗口，包括石英、硅、鍺等2、復(fù)消色差晶體：用于高級(jí)復(fù)消色差物鏡3、偏振晶體：制作偏振器件4、激光晶體：用于制造激光器5、電光晶體、聲光晶體以及非線(xiàn)性晶體等光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用提高光學(xué)效率、減少雜光。如高效減反射膜、高反射膜。 實(shí)現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根據(jù)不同需要進(jìn)行能量再分配的光學(xué)元件。通過(guò)波長(zhǎng)的選擇性透過(guò)提高系統(tǒng)信噪比。如窄帶及帶通濾光片、長(zhǎng)波通、短波通濾光片。實(shí)現(xiàn)某些特定功能。如ITO透明導(dǎo)電膜、保護(hù)膜等 一、減