光学薄膜特性分析

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1、什麼是光學薄膜：長久以來，「光學薄膜製程技術」一直是光學領域中不可忽略重要基礎技術，而且品質要求也越來越高，加上這幾年來在資訊顯示及光通訊科技快速發展之下，不論是在顯示設備中分、合色元件，又或是在光通訊主、被動元件開發製程上，薄膜製程技術都是不可忽略重要技術。而在顯示器技術、光通訊技術、生醫光電技術…等。從精密及光學設備、顯示器設備到日常生活中的光學薄膜應用；比方說，平時戴的眼鏡、數位相機、各式家電用品，或者是鈔票上的防偽技術，皆能被稱之為光學薄膜技術應用之延伸。倘若沒有光學薄膜技術作為發展基礎，近代光電、通訊或是雷射技術

2、發展速度，將無法有所進展，這也顯示出光學薄膜技術研究發展重要性。　一般來說，要使用多層薄膜時，必須根據設計者需求，藉用高低折射率薄膜堆疊技術，做為各類型光學薄膜設計之用，才能達到事先預期後評估的光學特性。比方說：抗反射鏡、高反射鏡、分光鏡、截止濾光鏡、帶通濾光鏡、帶止濾光鏡等；而在電腦分析軟、硬體發展健全的今日，不僅使光學薄膜在設計上變得更為便捷，且光學薄膜技術研究發展也將更為快速。　光學薄膜最主要關鍵問題，在於薄膜鍍膜工藝技術的改善？這關係到要如何精準地掌控每一層薄膜厚度與折射率，才能獲得預期光學性質和機械特性，甚至在製

3、程量產化及成本降低都有其助益。另外，包括：薄膜材料開發（包括：材料測試、化學純度、材料創新、材料型式）、先進鍍膜技術開發（包括：真空鍍膜機、監控技術）及薄膜的量測分析（膜層設計、厚度誤差分析技巧）等，都是光學薄膜工程上所要面對到的首要課題。光學薄膜(opticalthinfilms)是一類重要的光學元件。這一領域主要有以下幾方面的內容﹕薄膜的光學性質﹑力學性質以及其他有關性質的研究﹔薄膜的生長﹑薄膜的結構以及它們對薄膜性質的影響﹔光學薄膜元件的設計﹑製備及其性能的測試等。不過，在光學薄膜技術應用上，由於技術本身被歸納為廣泛

4、應用性質，不容易以某一或單一產品作為載具並加以區分；因此，在光學薄膜產品技術，最終應用則是在眾多光學元件上，若以光學元件各個相關應用市場來探究，更可看出主要附加價值與相關性。而主要的光學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。它們在國民經濟和國防建設中得到了廣泛的應用﹐獲得了科學技術工作者的日益重視。例如採用減反射膜後可使複雜的光學鏡頭的光通量損失成十倍地減小﹔採用高反射比的反射鏡可使激光器的輸出功率成倍提高﹔利用光學薄膜可提高硅光電池的效率和穩定性。目前業界最簡單的光學薄膜模型是表面光滑﹑各向同性的

5、均勻介質薄層。在這種情況下﹐可以用光的干涉理論來研究光學薄膜的光學性質。當一束單色平面波入射到光學薄膜上時﹐在它的兩個表面上發生多次反射和折射﹐反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律給出﹐反射光和折射光的振幅大小則由菲涅耳公式確定。相鄰兩反射或折射光束的位相差為式中為入射光波長﹐為薄膜的折射率﹐為光學薄膜的幾何厚度﹐為光在薄膜內部的折射角。多光束干涉的結果得到光學薄膜的反射係數為光學薄膜的反射位相變化為光學薄膜的反射率為式中 r1﹑r2分別為第一﹑第二界面的反射係數﹐在入射角確定的情況下﹐界面的反射係數僅由薄膜的光學常數

6、確定﹐而薄膜的位相差僅由薄膜的光學厚度決定﹐這樣光學薄膜的性質也就由光學薄膜的光學常數和厚度來確定。由式(4)可以看出﹐當δ為π的整數倍時出現極值。光學薄膜的簡單模型可以用來研究其反射﹑透射﹑位相變化和偏振等一般性質。如果要研究光學薄膜的損耗﹑損傷以及穩定性等特殊性質﹐簡單模型便無能為力了﹐這時必須考慮薄膜的結晶構造﹑體內結構和表面狀態﹐薄膜的各向異性和不均勻性﹐薄膜的化學成分﹑表面污染和界面擴散等等。考慮到這些因素後﹐那就不僅要考慮它的光學性質﹐還要研究它的物理性質﹑化學性質﹑力學性質和表面性質﹐以及各種性質之間的滲透和

7、影響。因此光學薄膜的研究就躍出光學範疇而成為物理﹑化學﹑固體和表面物理的邊緣學科。薄膜元件條件與應用如圖下光學薄膜應用圖下面介紹幾種常用的光學薄膜元件減反射膜又稱增透膜﹐它的主要功能是減少或消除透鏡﹑棱鏡﹑平面鏡等光學表面的反射光﹐從而增加這些元件的透光量﹐減少或消除系統的雜散光。最簡單的增透膜是單層膜﹐它是鍍在光學零件光學表面上的一層折射率較低的薄膜。當薄膜的折射率低於基體材料的折射率時﹐兩個界面的反射係數r1和r2具有相同的位相變化。如果膜層的光學厚度是某一波長的四分之一﹐相鄰兩束光的光程差恰好為﹐即振動方向相反﹐疊加

8、的結果使光學表面對該波長的反射光減少。適當選擇膜層的折射率﹐使得r和r相等﹐這時光學表面的反射光可以完全消除。一般情況下﹐採用單層增透膜很難達到理想的增透效果﹐為了在單波長實現零反射﹐或在較寬的光譜區達到好的增透效果﹐往往採用雙層﹑三層甚至更多層數的減反射膜。下圖Kg玻璃(n=1.52)上的增透膜的a﹑