光学薄膜技术的介绍

2016-04-06新闻资讯

1 薄膜应力研究的重要性
光学多层膜系统已经广泛的应用于微电子系统,光学系统等,而由于薄膜应力的存在,对系统的功能与可*性产生很大的影响,它不仅会直接导致薄膜的龟裂、脱落,使薄膜损坏,而且会作用基体,使基体发生形变,从而使通过薄膜组件的光波前发生畸变,影响传输特性。更重要的是,薄膜在激光辐照下,由于应力的存在,加速了薄膜内热力耦合作用,是其破坏的敏感因素[1],因此很有必要研究光学多层膜系统中的残余应力,并设法控制其发展。
2 薄膜应力的成因
薄膜应力主要包括热应力与生长应力:热应力是当薄膜从沉积温度冷却到室温的过程中,由于薄膜与基底的热膨胀系数不同引起的;生长应力存在于所有镀膜方法(如真空蒸发、阴极溅射或气相沉积)制作的薄膜中,其最大值可达109N/m2。它的大小与由薄膜和基底材料以及制备工艺条件有关。
3 光学薄膜缺陷的特点
薄膜缺陷的研究大约从1970开始,刚开始薄膜缺陷被表征为薄膜表面特征,认为是一种典型的粗糙度,在一些文献中薄膜缺陷被描述为节瘤。 Guenther首先对光学薄膜缺陷进行研究,他指出节瘤是在镀膜过程中对外部干扰颗粒形状相似复制而形成的;现在薄膜缺陷越来越引起人们的重视,很多文献建立了薄膜节瘤缺陷模型,其中Lettsl第一次提出了节瘤缺陷形成的经验模型,另外,Kardar提出了一种薄膜生长的非线性连续模型,Tren通过对HfO2/SiO2多层膜缺陷一系列的研究,认为当节瘤颗粒非常小时,节瘤生长模型是无效的,但是同时认为当节瘤颗粒非常大时,由于屏蔽效应会产生更加复杂的缺陷结构。
薄膜缺陷类型很多,按照缺陷的性质,可以分为杂质缺陷、电致缺陷、结构缺陷、化学缺陷、力学缺陷以及热缺陷等等;按照缺陷的形貌来分,大致有结瘤缺陷、陷穴缺陷、条状缺陷及其它形状不规则的复杂缺陷。一般来说,缺陷的类型、密度、大小随膜层材料,沉积工艺以及表面清洁度的不同而不同。对激光薄膜来说,根据实验观察,主要有节瘤与陷穴缺陷。


光学薄膜概论
光学工业除了镜片的研磨,系统之设计以外,有一项科技是发展高级光学仪器所不可缺的,就是光学薄膜的蒸镀技术。何谓光学薄膜,就是在镜片上镶上一层或多层非常薄的特殊材料,使镜片能达到某种特定的光学效果。我们所常见的太阳眼镜,抗反射镜片就是一个光学薄膜在日常生活上最简单的应用 。其他如各种反射镜、滤光镜、各式镜头及雷射镜片,都要用到光学薄膜这一项技术。
光学薄膜的基本原理是利用光线的干涉效应,当光线入射于不同折射系数物质所镀成的薄膜,产生某种特殊光学特性。光学薄膜就其所镀材料之不同,大体可分为金属膜和非金属膜。金属膜:主要是作为反射镜和半反射镜用。在各种平面或曲面反射镜,或各式棱镜等,都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等 各种不同的材料。不同的材料在光谱上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可见光、近红外光有良好的反射率,是镀反射镜最常使用的材料之一。Ag膜在可见光和近红外光部份的反射率比AI膜更高,但因其易氧化而失去光泽,只能短暂的维持高反射率,所以只能用在内层反射用,或另加保护膜。非金属膜:用途非常广泛,例如抗反射镜片.单一波长滤光片、长或短波长通过滤光片、热光镜、冷光镜、各种雷射镜片等,都是利用多种不同的非金属材料,蒸镀在研磨好之镜杯上,层数由单层到数十、百层不等,视需要的不同,而有不同的设计和方法。目前这些薄膜中被应用得最广泛,最商业化,也是一般人接触到最多的,就是抗反射膜。例如眼镜、照相机镜头、显微镜等等都是在镜片上镀抗反射膜。因为若是不加以抗反射无法得到清晰明亮的影像了,因此如何增加其透射光线就是一个非常重要的课题。
利用光波干涉原理,在镜片的表面镀上一层薄膜,厚度为1/4 波长的光学厚度,使光线不再只被玻璃─空气界面反射,而是空气─薄膜、薄膜─玻璃二个界面反射,因此产生干涉现象,可使反射光减少。若镀二层的抗反射膜,使反射率更低,但是镀一层或二层都有缺点:低反射率的波带不移宽,不能在可见光范围都达到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen三位首先发表以1/4一1/2一1/4波长光学厚度作三层抗反射膜可以得到宽波带低反射率的抗反射膜。多层抗反射膜除了宽波带的,也可做到窄波带的。也就是针对其一波长如氨氟雷射632.8nm波长,要求极高的透射,可使63Z.8nm这一波长透射率高达99.8%以上,用之于雷射仪器。但若需要对某一波长的光线有看极高的反射率需要用高低不同折射系数的材料反复蒸镀数十层才可达到此效果。
光学薄膜的制造是以真空蒸镀方式制作,大体可分为三种方式:热电阻式、电子枪式和溅射方式。最普通的方式为热电阻式,是将蒸镀材料在真空蒸镀机内置于电阻丝或片上,在高真空的情况下,加热使材料成为蒸气,直接镀于镜片上。由于有许多高熔点的材料,不易使用此种方式使之熔化、蒸镀。而以电子枪改进此缺点,其方法是以高压电子束直接打击材料,由于能量集中可以蒸镀高熔点的材料。另一方式为溅射方式,是以高压使惰性气体离子化,打击材料使之直接溅射至镜片,以此方式所作薄漠的附着力最好
 

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