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光学镀膜是指在光学零件表面上镀上一层(或多层)金属(或介质)薄膜的工艺过程.在光学零件表面镀膜的目的是为了达到减少或增加光的反射、分束、分色、滤光、偏振等要求.常用的镀膜法有真空镀膜和化学镀膜.
光学镀膜原理:
①真空镀膜:真空镀膜主要是指需要在更高真空下进行的涂料,包括真空离子蒸发,磁控溅射,MBE分子束外延,PLD激光溅射沉积等多种涂料,所以,蒸发和溅射有两种主要类型.将被镀材料制成基材,将电镀材料用作靶材或药材.衬底处于与靶相同的真空中.
蒸发涂层通常是加热目标,以使表面组分以自由基或离子的形式蒸发,并通过成膜方法(散射岛结构 – 梯形结构 – 层状生长)沉积在基材的表面上,薄膜.
②对于溅射状涂层,很容易理解目标材料是用电子或高能激光器轰击的,表面组分以自由基或离子的形式溅射,最后沉积在基底表面上最终形成一个薄膜.
光学薄膜的特点是:表面光滑,膜层之间的界面呈几何分割,膜层的折射率在界面上可以发生跃变,但在膜层内是连续的,可以是透明介质,也可以是光学薄膜
吸收介质:可以是法向均匀的,也可以是法向不均匀的,实际应用的薄膜要比理想薄膜复杂得多,这是因为,制备时,薄膜的光学性质和物理性质偏离大块材料,其表面和界面是粗糙的,从而导致光束的漫散射,膜层之间的相互渗透形成扩散界面,由于膜层的生长、结构、应力等原因,形成了薄膜的各向异性,膜层具有复杂的时间效应.
常见的光学镀膜材料有以下几类:
1、 金属(合金)类:锗、铬、铝、银、金等.
①锗
稀有金属,无毒无放射性,主要用于半导体工业塑料工业,红外光学器件,航天工业,光纤通讯等.透光范围2000NM— 14000NM,n=4甚至更大.
②铬
有时用在分光镜上并且通常用作”胶质层”来增强附着力,胶质层可能在550NM的范围内,但在铝镜膜导下面,30NM是增强附着力的有效值.
③铝
在紫外域中它是普通金属中反射性能最好的一种,其膜的有效厚度为50NM以上.
④银
如果蒸发速度足够快并且基板温度不很高时,银和铝一样具有良好的反射性,这是在高速低温下大量集结的结果,这一集结同时导致更大的吸收.
⑤金
在红外线100nm波长以上是已知材料中具有最高反射性的材料.
2、氧化物类 :三氧化二钇、二氧化铈、氧化镁、二氧化钛、二氧化硅、一氧化硅、二氧化锆、三氧化二铝、氧化铪等.
①三氧化二钇
使用电子枪蒸镀,该材料性能随膜厚而变化,在500nm时折射率约为1.8.用作铝保护膜其极受欢迎,特别相对于800-12000nm区域高入射角而言,可用作眼镜保护膜,且24小时暴露于湿气中.
②二氧化铈
使用高密度的钨舟皿蒸发,在200°C的基板上蒸着二氧化铈,得到–个约为2.2的折射率,在大约3000nm有一吸收带其折射率随基板温度的变化而发生显着变化,用氧离子助镀可取得n=2.35(500nm)的低吸收性薄膜.
③二氧化钛
折射率为2.21,500nm的透光范围,由于它的高折射率和相对坚固性,人们喜欢把这种高折射率材料用于防反膜,分光膜,冷光膜,滤光片,高反膜,眼镜膜,热反射镜等.
④二氧化硅
无色透明晶体,熔点高,硬度大,化学稳定性好.纯度高,用其制备高质量Si02镀膜,蒸发状态好,不出现崩点.按使用要求分为紫外、红外及可见光用.如果压力过大,薄膜将有气孔并且易碎,相反压力过低薄膜将有吸收并且折射率变大.
⑤二氧化锆
白色重质结晶态,具有高的折射率和耐高温性能,化学性质稳定,纯度高,用其制备高质量氧化锆镀膜,不出崩点,影响一面平面透镜的透光度有许多成因.镜面的粗糙度会造成入射光的漫射,降低镜片的透光率.此外材质的吸旋光性,也会造成某些入射光源的其中部分频率消散的特别严重.例如会吸收红色光的材质看起来就呈现绿色.不过这些加工不良的因素都可以尽可能地去除.
⑥氧化铪
在150摄氏度的基板上有用电子枪蒸着,折射率在2.0左右,用氧离子助镀可能取和得2.05- -2.1 稳定的折射率,在8000- – 12000NM区HFO2用作铝保护膜外层好过SiO2.
● 氟化物类 :氟化钍、氟化镁、铈氟化物、氟化钙、氟化钡等.
其中氟化镁材料特点:无色四方晶系粉末,纯度高,用其制备光学镀膜可提高透过率,不出崩点.
● 其他化合物类:硫化锌、碲化铅.
3、氟化物类
①氟化镁
作为1/4波厚抗反射膜普遍使用来作玻璃光学薄膜,且有大约120NM真实紫外线到大约7000nm的中部红外线区域里透过性能良好.
②氟化钙与氟化钡
它们的局限性都是缺乏完全致密性.透过性在高温时移到更长的波长,所以目前它们只能用在红外膜.
③氟化铅
在UV中可用作高折射率材料,在300nm时N=1.998,该材料与钼钽,钨舟接触时折射率将降低,因此需要用铂或陶瓷皿.
4、其他化合物类
①硫化锌
折射率为2.35,400-13000m的透光范围,具有良好的应力和良好的环境耐久性.主要应用于分光膜,冷光膜,装饰膜,滤光片,高反膜,红外膜.
②碲化铅
是一种具有高折射率的IR材料,作为薄膜材料在300–4000NM是透明的,在红外区N=5.1-5.5,该材料升华,基板板温度250摄氏度是有益的,健康预防是必要的,在高达40000NM时使用效果很好,别的材料常常用在超过普通的14000NM红外线边缘.
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