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快速了解常见的几种光学薄膜?

2022-05-06 金梦

光学薄膜在我们的生活中无处不在,从精密及光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜应用;比方说,平时戴的眼镜、数码相机、各式家电用品,或者是钞票上的防伪技术,皆能被称之为光学薄膜技术应用之延伸。倘若没有光学薄膜技术作为发展基础,近代光电、通讯或是镭射技术将无法有所进展,这也显示出光学薄膜技术研究发展的重要性。


镀膜车间


光学薄膜系指在光学元件或独立基板上,制镀上或涂布一层或多层介电质膜或金属膜或这两类膜的组合,以改变光波之传递特性,包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变。故经由适当设计可以调变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。


一般来说,光学薄膜的生产方式主要分为干法和湿法的生产工艺。所谓的干式就是没有液体出现在整个加工过程中,例如真空蒸镀是在一真空环境中,以电能加热固体原物料,经升华成气体后附着在一个固体基材的表面上,完成涂布加工。


日常生活中所看到装饰用的金色、银色或具金属质感的包装膜,就是以干式涂布方式制造的产品。但是在实际量产的考虑下,干式涂布运用的范围小于湿式涂布。湿式涂布一般的做法是把具有各种功能的成分混合成液态涂料,以不同的加工方式涂布在基材上,然后使液态涂料干燥固化做成产品。在本文中仅讨论湿式涂布技术的光学薄膜产业。


光学薄膜根据其用途分类、特性与应用可分为:反射膜、增透膜/减反射膜、分光膜、滤光膜等。



1、反射膜:


反射膜一般可分为两类,一类是金属反射膜,一类是全电介质反射膜。此外,还有将两者结合的金属电介质反射膜,功能是增加光学表面的反射率。


一般金属都具有较大的消光系数。当光束由空气入射到金属表面时,进入金属内的光振幅迅速衰减,使得进入金属内部的光能相应减少,而反射光能增加。消光系数越大,光振幅衰减越迅速,进入金属内部的光能越少,反射率越高。人们总是选择消光系数较大,光学性质较稳定的金属作为金属膜材料。在紫外区常用的金属薄材料是铝,在可见光区常用铝和银,在红外区常用金、银和铜,此外,铬和铂也常作一些特种薄膜的膜料。由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能,所以必须用电介质膜加以?;?。常用的?;つげ牧嫌幸谎趸?、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等。


金属反射膜的优点是制备工艺简单,工作的波长范围宽;缺点是光损大,反射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高,可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层,组成金属电介质反射膜。需要指出的是,金属电介质射膜增加了某一波长(或者某一波区)的反射率,却破坏了金属膜中性反射的特点。


镀金反射镜


铝箔反射膜Dike铝箔隔热卷材,又称阻隔膜、隔热膜、隔热箔、拔热膜、反射膜等。由铝箔贴面+聚乙烯薄膜+纤维编织物+金属涂膜通过热熔胶层压而成,铝箔卷材具有隔热保温、防水、防潮等功能。铝箔隔热卷材的日照吸收率(太阳辐射吸收系数)极低(0.07),具有卓越的隔热保温性能,可以反射掉93%以上的辐射热,被广泛应用于建筑屋面与外墙隔热保温。全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反,在光学表面上镀一层折射率高于基体材料的薄膜,就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的,每层膜的光学厚度为某一波长的四分一。在这种条件下,参加叠加的各界面上的反射光矢量,振动方向相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。


相对应的是一种防反射膜,主要功效是提高光线的衍射,使人们能够长时间的观看文字和图形。这就需要表面平滑反射少的防反射薄膜。



2、增透膜/减反射膜:


减反射膜又称增透膜,它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等学表面的反射光,从而增加这些元件的透光量,减少或消除系统的杂散光。


增透玻璃


减反射膜是以光的波动性和干涉现象为基础的。二个振幅相同,波长相同的光波叠加,那么光波的振幅增强;如果二个光波原由相同,波程相差,如果这二个光波叠加,那么互相抵消了。减反射膜就是利用了这个原理,在镜片的表面镀上减反射膜(AR-coating),使得膜层前后表面产生的反射光互相干扰,从而抵消了反射光,达到减反射的效果。最简单的增透膜是单层膜。一般情况下,采用单层增透膜很难达到理想的增透效果,为了在单波长实现零反射,或在较宽的光谱区达到好的增透效果,往往采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。


减反射膜的实际应用非常广泛,最常见的是镜片及太阳能电池-通过制备减反射膜来提高光伏组件的功率瓦值。目前晶体硅光伏电池使用的减反射膜材料是氮化硅,采用等离子增强化学气相淀积技术,使氨气和硅烷离子化,沉积在硅片的表面,具有较高的折射率,能起到较好的减反射效果。早期的光伏电池采用二氧化硅和二氧化钛膜作为减反射层。



3、分光膜:


根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜,主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜。


波长分光膜又叫双色分光膜,顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片,不同的是波长分光膜不仅要考虑透过光还要考虑反射光,二者都要求有一定形状的光谱曲线。


分光镜


光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜,用于可见光的宽带分光膜又叫中性分光膜,这种膜由于偏振的影响,二束光的偏振状态可以相差很多,但例如某些干涉仪则要求两束光都是消偏振的,这就需要设计和制备消偏振膜。


偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的,可以分成棱镜型和平板型两种。


棱镜型偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应,垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加,只要层数足够多就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光,而反射光束基本上是垂直方向振动的光,从而达到偏振分光的目的。棱镜型偏振膜工作的波长范围比较宽,偏振度也可以做得比较高,但它抗激光强度比较低。


平板型偏振膜主要是利用在斜入射时由电介质反射膜两个偏振分量的反射带带宽的不同而制成的。平板型偏振片工作的波长区域比较窄,但它可以做得很大,抗激光强度也比较高,所以经常用在强激光系统中。



4、滤光膜:


能把光谱中不需要的光过滤掉的薄膜叫滤光膜,常用于滤光片


滤光片


滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类。


光谱波段:紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片;


光谱特性:带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片;


膜层材料:软膜滤光片、硬膜滤光片;


硬膜滤光片不仅指薄膜硬度方面,更重要的是它的激光损伤阈值,所以它广泛应用于激光系统当中,面软膜滤光片则主要用于生化分析仪当中。


带通型: 选定波段的光通过,通带以外的光截止。其光学指标主要是中心波长(CWL),半带宽(FWHM)。分为窄带和宽带。比如窄带808滤光片NBF-808。


短波通型(又叫低波通):短于选定波长的光通过,长于该波长的光截止。 比如红外截止滤光片,IBG-650。


长波通型(又叫高波通):长于选定波长的光通过,短于该波长的光截止 比如红外透过滤光片,IPG-800。



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