光學(xué)鍍膜的應(yīng)用原理
隨著科技技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化，當(dāng)今人類(lèi)已進(jìn)入知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和信息社會(huì)。并且伴隨“中國(guó)制造”的發(fā)展，光學(xué)制造在中國(guó)大陸的土地上方興未艾，發(fā)展迅猛異常。中國(guó)光學(xué)制造已經(jīng)開(kāi)始在國(guó)際經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)上有了重要的地位，中國(guó)的光學(xué)玻璃產(chǎn)量和光學(xué)零件產(chǎn)量已近名列第一。光學(xué)薄膜是改變光學(xué)零件表面特征而鍍?cè)诠鈱W(xué)零件表面上的一層或多層膜。可以是金屬膜、介質(zhì)膜或這兩類(lèi)膜的組合。
光學(xué)薄膜是各種先進(jìn)光電技術(shù)中不可缺少的一部分，它不僅能改善系統(tǒng)性能，而且是滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的必要手段，光學(xué)薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)及光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)方面，包括激光系統(tǒng)，光通信，光顯示，光儲(chǔ)存等，主要的光學(xué)薄膜器件包括反射膜、減反射膜、偏振膜、干涉濾光片和分光鏡等等。它們?cè)趪?guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，獲得了科學(xué)技術(shù)工作者的日益重視。
目前，光學(xué)鍍膜材料常用品種已達(dá)60余種，而且其品種、應(yīng)用功能還在不斷被開(kāi)發(fā)。近年來(lái)以發(fā)展到了金屬膜系，當(dāng)金、銀、銅和鋁的厚度為7～20um時(shí)，其對(duì)可見(jiàn)光的透射率為50%，而紅外光透射率小于10%，這種薄膜已成功地應(yīng)用于阿波羅宇宙飛船的面板，用于透過(guò)部分可見(jiàn)光，而反射幾乎全部的紅外光以進(jìn)行熱控制。以下本文主要介紹光學(xué)薄膜的特性原理及分類(lèi)。
一、光學(xué)薄膜的定義
由薄的分層介質(zhì)構(gòu)成的，通過(guò)界面?zhèn)鞑ス馐活?lèi)光學(xué)介質(zhì)材料，光學(xué)薄膜的應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代，光學(xué)薄膜已經(jīng)廣泛用于光學(xué)和光電子技術(shù)領(lǐng)域，制造各種光學(xué)儀器。制備條要求件高而精。
光學(xué)薄膜的定義是：涉及光在傳播路徑過(guò)程中，附著在光學(xué)器件表面的厚度薄而均勻的介質(zhì)膜層，通過(guò)分層介質(zhì)膜層時(shí)的反射、透(折)射和偏振等特性，以達(dá)到我們想要的在某一或是多個(gè)波段范圍內(nèi)的光的全部透過(guò)或光的全部反射或偏振分離等各特殊形態(tài)的光。
光學(xué)薄膜在我們的生活中無(wú)處不在，從精密及光學(xué)設(shè)備、顯示器設(shè)備到日常生活中的光學(xué)薄膜應(yīng)用;比方說(shuō)，平時(shí)戴的眼鏡、數(shù)碼相機(jī)、各式家電用品，或者是鈔票上的防偽技術(shù)，皆能被稱(chēng)之為光學(xué)薄膜技術(shù)應(yīng)用之延伸。倘若沒(méi)有光學(xué)薄膜技術(shù)作為發(fā)展基礎(chǔ)，近代光電、通訊或是鐳射技術(shù)將無(wú)法有所進(jìn)展，這也顯示出光學(xué)薄膜技術(shù)研究發(fā)展的重要性。
光學(xué)薄膜系指在光學(xué)元件或獨(dú)立基板上，制鍍上或涂布一層或多層介電質(zhì)膜或金屬膜或這兩類(lèi)膜的組合，以改變光波之傳遞特性，包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改變。故經(jīng)由適當(dāng)設(shè)計(jì)可以調(diào)變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。
一般來(lái)說(shuō)，光學(xué)薄膜的生產(chǎn)方式主要分為干法和濕法的生產(chǎn)工藝。所謂的干式就是沒(méi)有液體出現(xiàn)在整個(gè)加工過(guò)程中，例如真空蒸鍍是在一真空環(huán)境中，以電能加熱固體原物料，經(jīng)升華成氣體后附著在一個(gè)固體基材的表面上，完成涂布加工。日常生活中所看到裝飾用的金色、銀色或具金屬質(zhì)感的包裝膜，就是以干式涂布方式制造的產(chǎn)品。但是在實(shí)際量產(chǎn)的考慮下，干式涂布運(yùn)用的范圍小于濕式涂布。濕式涂布一般的做法是把具有各種功能的成分混合成液態(tài)涂料，以不同的加工方式涂布在基材上，然后使液態(tài)涂料干燥固化做成產(chǎn)品。
二、薄膜干涉原理
1、光的波動(dòng)性
19世紀(jì)60年代，美國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)展了電磁理論，指出光是一種電磁波，使波動(dòng)說(shuō)發(fā)展到了相當(dāng)完美的地步。
由光的波粒二象性可知，光同無(wú)線電波、X射線、?射線一樣都是電磁波，只是它們的頻率不同。電磁波的波長(zhǎng)λ;、頻率u和傳播速率V三者之間的關(guān)系為：
V=λu
由于各種頻率的電磁波在真空中德傳播速度相等，所以頻率不同的電磁波，它們的波長(zhǎng)也就不同。頻率高的波長(zhǎng)短，頻率低的波長(zhǎng)長(zhǎng)。為了便于比較，可以按照無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線和伽瑪射線等的波長(zhǎng)(或頻率)的大小，把它們依次排成一個(gè)譜，這個(gè)譜叫電磁波譜。
在電磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波，無(wú)線電波又因波長(zhǎng)的不同而分為長(zhǎng)波、中波、短波、超短波和微波等。其次是紅外線、可見(jiàn)光和紫外線，這三部分合稱(chēng)光輻射。在所有的電磁波中，只有可見(jiàn)光可以被人眼所看到?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)約在0.76微米到0.40微米之間，僅占電磁波譜中很小的一部分。再次是X射線。波長(zhǎng)最短的電磁波是y射線。
光既然是一種電磁波，所以在傳播過(guò)程中，應(yīng)該變現(xiàn)出所具有的特征---干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象。
2、薄膜干涉
薄膜可以是透明固體、液體或由兩塊玻璃所夾的氣體薄層。入射光經(jīng)薄膜上表面反射后得第一束光，折射光經(jīng)薄膜下表面反射，又經(jīng)上表面折射后得第二束光，這兩束光在薄膜的同側(cè)，由同一入射振動(dòng)分出，是相干光，屬分振幅干涉。若光源為擴(kuò)展光源(面光源)，則只能在兩相干光束的特定重疊區(qū)才能觀察到干涉，故屬定域干涉。對(duì)兩表面互相平行的平面薄膜，干涉條紋定域在無(wú)窮遠(yuǎn)，通常借助于會(huì)聚透鏡在其像方焦面內(nèi)觀察;對(duì)楔形薄膜，干涉條紋定域在薄膜附近。
實(shí)驗(yàn)和理論都證明，只有兩列光波具有一定關(guān)系時(shí)，才能產(chǎn)生干涉條紋，這些關(guān)系稱(chēng)為相干條件。薄膜的相干條件包括三點(diǎn)：兩束光波的頻率相同;束光波的震動(dòng)方向相同;兩束光波的相位差保持恒定。
薄膜干涉兩相干光的光程差公式為：
△=ntcos(α)λ/2
式中n為薄膜的折射率;t為入射點(diǎn)的薄膜厚度;α為薄膜內(nèi)的折射角;λ/2是由于兩束相干光在性質(zhì)不同的兩個(gè)界面(一個(gè)是光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)，另一個(gè)是光密介質(zhì)到光疏介質(zhì))上反射而引起的附加光程差。薄膜干涉原理廣泛應(yīng)用于光學(xué)表面的檢驗(yàn)、微小的角度或線度的精密測(cè)量、減反射膜和干涉濾光片的制備等。
光是由光源中原子或分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化輻射出來(lái)的，每個(gè)原子或分子每一次發(fā)出的光波，只有短短的一列，持續(xù)時(shí)間約為10億秒對(duì)于兩個(gè)獨(dú)立的光源來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生干涉的三個(gè)條件，特別市相位相同或相位差恒定不變這個(gè)條件，很不容易滿足，所以?xún)蓚€(gè)獨(dú)立的一般光源是不能構(gòu)成相干光源的。不僅如此，即使是同一個(gè)光源上不同部分發(fā)出的光，由于它們是不同的原子或分子所發(fā)出的，一般也不會(huì)干涉。
3、光學(xué)薄膜特點(diǎn)分類(lèi)
主要的光學(xué)薄膜器件包括反射膜、減反射膜、偏振膜、干涉濾光片和分光鏡等等，它們?cè)趪?guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，獲得了科學(xué)技術(shù)工作者的日益重視。例如采用減反射膜后可使復(fù)雜的光學(xué)鏡頭的光通量損失成十倍的減小;采用高反射膜比的反射鏡可使激光器的輸出功率成倍提高;利用光學(xué)薄膜可提高硅電池的效率和穩(wěn)定性。
最簡(jiǎn)單的光學(xué)薄膜模型是表面光滑、各向同性的均勻介質(zhì)膜層。在這種情況下，可以用光的干涉理論來(lái)研究光學(xué)薄膜的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)一束單色光平面波入射到光學(xué)薄膜上時(shí)，在它的兩個(gè)表面上發(fā)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給出，反射光合折射光的振幅大小則有菲涅爾公式確定。
光學(xué)薄膜根據(jù)其用途分類(lèi)、特性與應(yīng)用可分為：反射膜、增透膜/減反射膜、濾光片、偏光片/偏光膜、補(bǔ)償膜/相位差板、配向膜、擴(kuò)散膜/片、增亮膜/棱鏡片/聚光片、遮光膜/黑白膠等。相關(guān)衍生的種類(lèi)有光學(xué)級(jí)保護(hù)膜、窗膜等。
光學(xué)薄膜的特點(diǎn)是：表面光滑，膜層之間的界面呈幾何分割;膜層的折射率在界面上可以發(fā)生躍變，但在膜層內(nèi)是連續(xù)的;可以是透明介質(zhì)，也可以是吸收介質(zhì);可以是法向均勻的，也可以是法向不均勻的。實(shí)際應(yīng)用的薄膜要比理想薄膜復(fù)雜得多。這是因?yàn)椋褐苽鋾r(shí)，薄膜的光學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)偏離大塊材料，起表面和界面是粗糙的，從而導(dǎo)致光束的漫反射;膜層之間的相互滲透形成擴(kuò)散界面;由于膜層的生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等原因，形成了薄膜的各種向異性;膜層具有復(fù)雜的時(shí)間效應(yīng)。
反射膜一般可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是金屬反射膜，一類(lèi)是全電介質(zhì)反射膜。此外，還有將兩者結(jié)合的金屬電介質(zhì)反射膜，功能是增加光學(xué)表面的反射率。
一般金屬都具有較大的消光系數(shù)。當(dāng)光束由空氣入射到金屬表面時(shí)，進(jìn)入金屬內(nèi)的光振幅迅速衰減，使得進(jìn)入金屬內(nèi)部的光能相應(yīng)減少，而反射光能增加。消光系數(shù)越大，光振幅衰減越迅速，進(jìn)入金屬內(nèi)部的光能越少，反射率越高。人們總是選擇消光系數(shù)較大，光學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的金屬作為金屬膜材料。在紫外區(qū)常用的金屬薄材料是鋁，在可見(jiàn)光區(qū)常用鋁和銀，在紅外區(qū)常用金、銀和銅，此外，鉻和鉑也常作一些特種薄膜的膜料。由于鋁、銀、銅等材料在空氣中很容易氧化而降低性能，所以必須用電介質(zhì)膜加以保護(hù)。常用的保護(hù)膜材料有一氧化硅、氟化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁等。
金屬反射膜的優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡(jiǎn)單，工作的波長(zhǎng)范圍寬;缺點(diǎn)是光損大，反射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進(jìn)一步提高，可以在膜的外側(cè)加鍍幾層一定厚度的電介質(zhì)層，組成金屬電介質(zhì)反射膜。需要指出的是，金屬電介質(zhì)射膜增加了某一波長(zhǎng)(或者某一波區(qū))的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特點(diǎn)。