Nguyên lý đặc trưng và phân loại của màng mỏng quang học

Với sự phát triển của khoa học công nghệ và toàn cầu hóa kinh tế, con người ngày nay đã bước vào xã hội kinh tế tri thức và xã hội thông tin. Và với sự phát triển của "Made in China", ngành sản xuất quang học đang lên ngôi ở đất liền Trung Quốc, và sự phát triển của nó là vô cùng nhanh chóng. Sản xuất quang học của Trung Quốc đã bắt đầu đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực kinh tế quốc tế và sản lượng kính quang học và các bộ phận quang học ở Trung Quốc đã gần như đứng đầu. Phim quang là một hoặc nhiều lớp phim được mạ trên bề mặt các bộ phận quang bằng cách thay đổi đặc tính bề mặt của các bộ phận quang. Nó có thể là phim kim loại, phim điện môi hoặc sự kết hợp của hai loại phim này. Màng mỏng quang học là một phần không thể thiếu của tất cả các loại công nghệ quang điện tiên tiến. Nó không chỉ có thể cải thiện hiệu suất hệ thống, mà còn là phương tiện cần thiết để đáp ứng mục tiêu thiết kế, lĩnh vực ứng dụng của màng mỏng quang học và tất cả các khía cạnh của hệ thống quang học, bao gồm hệ thống laser, truyền thông quang học, hiển thị quang học, lưu trữ quang học, v.v. các thiết bị màng mỏng quang học chính bao gồm màng phản chiếu, màng chống phản xạ, màng phân cực, bộ lọc nhiễu và quang phổ, v.v ... Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc gia và xây dựng quốc phòng, và ngày càng thu hút sự chú ý từ các công nhân khoa học và kỹ thuật.
Hiện tại, có hơn 60 loại vật liệu phủ quang phổ biến, và các giống và chức năng ứng dụng của chúng vẫn đang tiếp tục được phát triển. Trong những năm gần đây, nó đã phát triển thành hệ thống màng kim loại, khi độ dày của vàng, bạc, đồng và nhôm là 7 ~ Ở tuổi 20, độ truyền qua của nó đối với ánh sáng khả kiến là 50%, trong khi ánh sáng hồng ngoại là dưới 10%. Loại màng mỏng này đã được áp dụng thành công vào bảng điều khiển tàu vũ trụ Apollo để truyền một phần ánh sáng khả kiến và gần như tất cả ánh sáng hồng ngoại được phản xạ để điều khiển nhiệt. Bài viết sau đây chủ yếu giới thiệu nguyên lý đặc trưng và phân loại của màng mỏng quang học.
I. Định nghĩa phim quang
Phim quang là một loại vật liệu môi trường quang học bao gồm môi trường phân lớp mỏng và truyền chùm sáng qua giao diện. Ứng dụng của phim quang bắt đầu từ những năm 1930 S. Phim quang học đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang học và công nghệ quang điện tử, sản xuất các dụng cụ quang học khác nhau. Dải chuẩn bị đòi hỏi các bộ phận cao và tốt.
Định nghĩa của màng quang là: lớp màng mỏng và thậm chí lớp điện môi được gắn vào bề mặt của thiết bị quang trong quá trình truyền ánh sáng, sự phản xạ, xuyên thấu (gấp) khi đi qua lớp màng điện môi lớp) như phát xạ và phân cực, để đạt được các dạng ánh sáng đặc biệt mà chúng ta muốn trong một hoặc nhiều dải sóng, chẳng hạn như tất cả ánh sáng đi qua hoặc tất cả sự phản xạ ánh sáng hoặc phân tách phân cực.
Phim quang ở khắp mọi nơi trong cuộc sống của chúng ta, từ thiết bị chính xác và quang học, thiết bị hiển thị đến ứng dụng phim quang trong cuộc sống hàng ngày; ví dụ, kính, máy ảnh kỹ thuật số, tất cả các loại thiết bị gia dụng đeo vào thời gian thông thường hoặc công nghệ chống giả trên tiền giấy có thể được gọi là sự mở rộng ứng dụng của công nghệ phim quang. Không có công nghệ màng mỏng quang học làm nền tảng cho sự phát triển, công nghệ quang điện, truyền thông hoặc laser hiện đại sẽ không đạt được tiến bộ, điều này cũng cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển công nghệ màng mỏng quang học.
Phim quang dùng để chỉ lớp phủ hoặc lớp phủ của một hoặc nhiều lớp màng điện môi hoặc màng kim loại hoặc sự kết hợp của hai loại phim này trên các thành phần quang học hoặc chất nền độc lập để thay đổi các đặc tính truyền của sóng ánh sáng, bao gồm truyền, phản xạ, hấp thụ , tán xạ, phân cực và thay đổi pha của ánh sáng. Do đó, thông qua thiết kế phù hợp, tính thấm và độ phản xạ của bề mặt của các phần tử trong các dải sóng khác nhau có thể được điều chỉnh và ánh sáng trong các mặt phẳng phân cực khác nhau cũng có thể có các đặc điểm khác nhau.
Nói chung, các chế độ sản xuất màng mỏng quang học chủ yếu được chia thành quy trình khô và quy trình ướt. Cái gọi là loại khô có nghĩa là không có chất lỏng xuất hiện trong toàn bộ quá trình xử lý. Ví dụ, bay hơi chân không là làm nóng vật liệu thô rắn bằng năng lượng điện trong môi trường chân không, sau khi thăng hoa thành khí, nó được gắn vào bề mặt của vật liệu nền rắn để hoàn thành quá trình phủ. Màng bao bì bằng vàng, bạc hoặc kim loại để trang trí nhìn thấy trong cuộc sống hàng ngày là một sản phẩm được làm bằng lớp phủ khô. Tuy nhiên, xem xét sản xuất hàng loạt thực tế, phạm vi ứng dụng của lớp phủ khô nhỏ hơn so với lớp phủ ướt. Phương pháp chung của lớp phủ ướt là trộn các thành phần với các chức năng khác nhau thành lớp phủ lỏng, và áp dụng chúng trên vật liệu cơ bản trong các phương pháp xử lý khác nhau, sau đó làm khô và hóa rắn lớp phủ chất lỏng để tạo ra sản phẩm.
II. Nguyên lý nhiễu màng mỏng
1. Sự dao động của ánh sáng
Vào những năm 1860, nhà vật lý người Mỹ Maxwell đã phát triển lý thuyết điện từ, chỉ ra rằng ánh sáng là một loại sóng điện từ, khiến cho lý thuyết sóng phát triển đến một mức độ hoàn hảo.
Theo nhị nguyên của Bo Li, ánh sáng giống như sóng vô tuyến, tia X ,? Tia là sóng điện từ, nhưng tần số của chúng là khác nhau. Mối quan hệ giữa bước sóng, tần số u và tốc độ lan truyền V của sóng điện từ như sau:
V = λ u
Do tốc độ lan truyền của sóng điện từ có tần số khác nhau trong chân không bằng nhau ở Đức, nên bước sóng của sóng điện từ có tần số khác nhau cũng khác nhau. Bước sóng với tần số cao là ngắn, trong khi bước sóng với tần số thấp là dài. Để thuận tiện cho việc so sánh, theo sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và? Bước sóng (hoặc tần số) của các tia, v.v., sắp xếp chúng thành một phổ theo trình tự, được gọi là phổ điện từ.
Trong phổ điện từ, sóng vô tuyến có bước sóng dài nhất, có thể chia thành sóng dài, sóng trung bình, sóng ngắn, sóng siêu âm, lò vi sóng, v.v. Thứ hai là tia hồng ngoại, tia nhìn thấy và tia cực tím, được gọi chung là bức xạ ánh sáng. Trong số tất cả các sóng điện từ, chỉ có thể nhìn thấy ánh sáng nhìn thấy được bằng mắt người. Bước sóng của ánh sáng khả kiến là khoảng 0,76 micron đến 0,40 micron, chỉ chiếm một phần nhỏ trong phổ điện từ. Thứ hai là X-quang. Sóng điện từ có bước sóng ngắn nhất là y Ray.
Vì ánh sáng là một loại sóng điện từ, nên nó cho thấy các đặc tính của nó trong quá trình lan truyền - nhiễu, nhiễu xạ, phân cực và các hiện tượng khác.
2. Nhiễu màng mỏng
Bộ phim có thể là một chất rắn trong suốt, lỏng hoặc một lớp khí mỏng được kẹp bởi hai mảnh thủy tinh. Chùm ánh sáng đầu tiên được phản chiếu bởi bề mặt trên của phim, ánh sáng khúc xạ được phản xạ bởi bề mặt dưới của phim và chùm tia thứ hai được phản chiếu bởi bề mặt trên. Hai chùm tia nằm cùng một phía của bộ phim, tách biệt khỏi cùng một rung động sự cố, nó là ánh sáng kết hợp và thuộc về giao thoa biên độ. Nếu nguồn sáng là nguồn sáng mở rộng (nguồn sáng bề mặt), chỉ có thể quan sát được nhiễu trong vùng chồng lấn cụ thể của chùm khô hai pha, do đó nó thuộc về giao thoa cục bộ. Đối với các màng phẳng có hai bề mặt song song với nhau, rìa nhiễu nằm ở vô cực, thường được quan sát trong mặt phẳng tiêu cự của ảnh bằng thấu kính hội tụ; đối với phim hình nêm, nội địa hóa giao thoa ở gần phim.
Cả thí nghiệm và lý thuyết đã chứng minh rằng chỉ khi hai cột sóng ánh sáng có mối quan hệ nhất định mới có thể tạo ra các dải giao thoa. Những mối quan hệ này được gọi là điều kiện kết hợp. Các điều kiện khô của màng mỏng bao gồm ba điểm: tần số của hai sóng ánh sáng là như nhau; hướng dao động của hai sóng ánh sáng là như nhau; độ lệch pha giữa hai sóng ánh sáng không đổi.
Công thức sai lệch đường quang của ánh sáng khô hai pha bị cản trở bởi màng mỏng là:
= ntcos (α) ± / 2
Trong công thức, n là chỉ số khúc xạ của phim; t là độ dày của màng tại điểm sự cố; α là góc khúc xạ trong phim; λ / 2 là do hai chùm ánh sáng kết hợp ở hai giao diện có tính chất khác nhau (một là môi trường mật độ quang đến môi trường mật độ quang, hai là môi trường mật độ quang đến môi trường mật độ quang) sự khác biệt đường quang học do phản xạ trên gây ra. Nguyên lý nhiễu của màng mỏng được sử dụng rộng rãi trong việc kiểm tra bề mặt quang học, đo chính xác góc nhỏ hoặc tuyến tính, chuẩn bị màng chống phản xạ và bộ lọc nhiễu, v.v.
Ánh sáng được bức xạ bởi sự thay đổi trạng thái chuyển động của nguyên tử hoặc phân tử ban đầu trong nguồn sáng. Sóng ánh sáng phát ra từ mỗi nguyên tử hoặc phân tử chỉ là một cột ngắn, thời lượng khoảng 1 tỷ giây. Đối với hai nguồn sáng độc lập, không dễ để đáp ứng ba điều kiện giao thoa, chẳng hạn như cùng pha hoặc lệch pha không đổi trong các thị trường đặc biệt, do đó, hai nguồn sáng chung độc lập không thể tạo thành nguồn sáng kết hợp. Hơn nữa, ngay cả ánh sáng phát ra từ các phần khác nhau của cùng một nguồn sáng sẽ không gây nhiễu nói chung vì chúng được phát ra bởi các nguyên tử hoặc phân tử khác nhau.
3. Phân loại đặc trưng của phim quang
Các thiết bị màng mỏng quang học chính bao gồm màng phản chiếu, màng chống phản xạ, màng phân cực, bộ lọc nhiễu, kính quang phổ, được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc gia và xây dựng quốc phòng, nó đã thu hút được sự chú ý ngày càng tăng từ các công nhân khoa học và kỹ thuật. Ví dụ, việc sử dụng màng chống phản xạ có thể làm giảm tổn thất quang thông của thấu kính quang học phức tạp xuống mười lần; việc sử dụng gương tỷ lệ phim phản chiếu cao có thể tăng gấp đôi công suất đầu ra của laser; sử dụng màng mỏng quang học có thể cải thiện hiệu quả và tính ổn định của pin silicon.
Mô hình phim quang đơn giản nhất là lớp màng điện môi đồng nhất với bề mặt nhẵn và bề mặt đẳng hướng. Trong trường hợp này, tính chất quang của màng mỏng quang học có thể được nghiên cứu bằng lý thuyết giao thoa ánh sáng. Khi một sóng phẳng của ánh sáng đơn sắc là sự cố trên phim quang, nó sẽ bị phản xạ và khúc xạ nhiều lần trên hai bề mặt của nó. Các hướng của ánh sáng phản xạ và ánh sáng khúc xạ được đưa ra theo định luật phản xạ và khúc xạ, biên độ của ánh sáng phản xạ được xác định theo công thức Fresnel.
Phim quang có thể được phân chia: phim phản chiếu, phim phản quang / phim chống phản xạ, bộ lọc, phim phân cực / phim phân cực, màng bù / pha lệch pha, phim căn chỉnh, phim khuếch tán / phim, phim sáng / thấu kính lăng kính / phim bóng mờ / phim đen keo trắng, vv Các dẫn xuất liên quan bao gồm phim bảo vệ quang học, phim cửa sổ, vv
Các đặc điểm của phim quang là: bề mặt mịn và giao diện giữa các lớp phim thể hiện phân đoạn hình học; chỉ số khúc xạ của lớp phim có thể nhảy trên giao diện, nhưng nó liên tục trong lớp phim; nó có thể là môi trường trong suốt, nó cũng có thể là môi trường hấp thụ; nó có thể là đồng phục bình thường hoặc không đồng đều bình thường. Bộ phim ứng dụng phức tạp hơn nhiều so với bộ phim lý tưởng. Điều này là do: trong quá trình chuẩn bị, các tính chất quang và vật lý của màng lệch khỏi vật liệu khối, bề mặt và giao diện bị gồ ghề, dẫn đến sự phản xạ khuếch tán của chùm sáng; sự thâm nhập lẫn nhau giữa các lớp phim tạo thành giao diện khuếch tán; do sự tăng trưởng, cấu trúc, căng thẳng và các lý do khác của lớp phim, tất cả các loại không đồng nhất của bộ phim được hình thành; lớp phim có hiệu ứng thời gian phức tạp.
Phim phản chiếu nói chung có thể được chia thành hai loại, một loại là phim phản chiếu kim loại và loại còn lại là phim phản quang toàn điện môi. Ngoài ra, có một màng phản xạ điện môi kim loại kết hợp cả hai, có chức năng là tăng độ phản xạ của bề mặt quang học.
Nói chung, kim loại có hệ số tuyệt chủng tương đối lớn. Khi chùm sáng chiếu vào bề mặt kim loại từ không khí, biên độ của ánh sáng đi vào kim loại sẽ phân rã nhanh chóng, làm cho năng lượng ánh sáng đi vào kim loại giảm tương ứng, trong khi năng lượng ánh sáng phản xạ tăng. Hệ số tuyệt chủng càng cao, biên độ ánh sáng phân rã càng nhanh. Năng lượng ánh sáng đi vào kim loại càng ít thì độ phản xạ càng cao. Mọi người luôn chọn kim loại có hệ số tuyệt chủng lớn và tính chất quang ổn định làm vật liệu màng kim loại. Vật liệu mỏng kim loại thường được sử dụng ở vùng cực tím là nhôm, nhôm và bạc thường được sử dụng ở vùng nhìn thấy và vàng, bạc và đồng thường được sử dụng ở vùng hồng ngoại. Ngoài ra, crom và bạch kim cũng thường được sử dụng làm vật liệu màng cho một số bộ phim đặc biệt. Bởi vì nhôm, bạc, đồng và các vật liệu khác dễ bị oxy hóa trong không khí và làm giảm hiệu suất của chúng, chúng phải được bảo vệ bởi màng điện môi điện. Các vật liệu màng bảo vệ thường được sử dụng bao gồm oxit silic, magiê florua, silic điôxit, oxit nhôm, v.v.
Ưu điểm của màng phản chiếu kim loại là quá trình chuẩn bị đơn giản và phạm vi bước sóng làm việc rộng; Nhược điểm là tổn thất ánh sáng lớn và độ phản xạ không thể rất cao. Để cải thiện hơn nữa độ phản xạ của màng phản chiếu kim loại, một số lớp điện môi có độ dày nhất định có thể được mạ ở bên ngoài màng để tạo thành màng phản xạ điện môi kim loại. Cần chỉ ra rằng màng điện môi kim loại làm tăng độ phản xạ của một bước sóng nhất định (hoặc một vùng sóng nhất định), nhưng phá hủy đặc tính phản xạ trung tính của màng kim loại.