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1、 光学器件减反射膜的设计与制备摘 要光学薄膜作为现代光学的一个重要分支，已被广泛应用于工业、农业等各个领域，其在人们的日常生活中起着越来越重要的作用。减反射膜作为光学膜中最重要的一种，它的发展也得到了更广泛的关注。本文主要通过对光学薄膜特性的理论计算，包括薄膜的基本理论，单层薄膜的特性计算和多层薄膜的特性计算，来对光学薄膜的特性达到一定程度的认识。并通过对光学减反射膜的设计原理、选材及流程的掌握来对减反射膜有一个更深的了解。最终利用直流反应溅射法制备TiO2薄膜，摸索其制备工艺。利用透射光谱，采用“包络法”计算薄膜的折射率、厚度、吸收系数和消光系数，从而分析薄膜的光学性能。【关键词】光学薄膜
2、光学减反射膜 磁控溅射原理 TiO2薄膜 The design and preparation of the anti-reflection coating on optical deviceAbstract optical films which act as an important branch of modern optics has been widely used in agriculture, industry and other areas. It plays an increasingly important role in peoples daily life. anti-
3、reflection coating as the most important kind of optical films which development also had been widely concerned. This article mainly on the optic theory of the film, including films basic theory, the calculation of the characteristics of the single layer film and multilayer films in order to know mo
4、re about optical films nature. And through master the optical anti-reflection coatingdesign principles、material of choice and process to know more knowledge of anti-reflection coating. Eventually using direct response from the law covered to make TiO2 film, and to explore its workmanship. By using s
5、pectrum and adopting the way of development to calculate the refraction、thickness、Absorption coefficient and coefficient to analysis the nature of films.【Key words】optical film optical anti-reflection radiation principle TiO2 film 绪论光学薄膜作为现代光学的一个重要分支，己经被广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输、医学、军事、天文、红外物理学、激光技术等领域，在人们的
6、日常工作和生活中起着越来越重要的作用。在科技日新月异的今天，现代通讯、能源利用、宇航技术等领域的飞速发展，为光学薄膜的发展提出了更高的要求。自70年代以来，薄膜技术得到突飞猛进的发展。无论在学术上，还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。薄膜技术已经成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域，在新技术革命中具有举足轻重的作用。薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品的全方位开发与应用。从发展趋势看，国内外薄膜产业方兴未艾，多种迹象表明。薄膜技术在近期内，将有较大的突破。从而必将带动薄膜产业更大的发展。十余年来，在薄膜技术飞速发展，工业上有许多更大突破的同时，伴随有各种类型的新型材料的开发
7、，新功能的发现不断。所有这些都蕴藏极大的发展潜力，并为新的技术革命提供可靠的基础。现在薄膜技术和薄膜材料除大量用于电子器件和大规模集成电路之外，还可用于支取磁性膜及磁记录介质、绝缘膜、电介质膜、压电膜、光学膜、光导模、传感器膜，耐磨、抗蚀、自润滑膜，装饰膜以及各种特殊需要的功能等。减反射薄膜作为光学薄膜中最重要的一种，它的发展也得到了更广泛的关注，减反射薄膜的实用研究成为一项极有意义的工作。减反射膜，用于减少光学元件表面的反射，增加工作波段内光线的透过率。20世纪30年代发现的减反射膜促进了薄膜光学的早期发展。对于推动技术光学发展来说，在所有的光学薄膜中，减反射膜起着最重要的作用。直至今天，就
8、其生产的总量来说，它仍然超过所有其他类型的薄膜。传统的光学玻璃行业如眼镜、照明、汽车玻璃，以及现代光纤通信、光电仪器如热成像、微光夜视、CCD摄像中的光电传感器不断推陈出新，为提高工作波段光线透过率对减反射膜的设计和制备要求越来越高。在太阳能行业，为减少电池表面光的反射损失，增加光的透射，目前主要采用两种方法:(1)将电池表面腐蚀成绒面，增加光在电池表面的入射次数。(2)在电池表面镀一层或多层光学性质匹配的减反射膜。减反射膜的设计直接影响着太阳电池对入射光的反射率，对太阳电池效率的提高起着非常重要的作用。由此可见减反射膜的重要性，因此我们有必要对该问题进行一个具体的阐述和分析。本文主要分为三部
9、分：第一部分讲的是光学薄膜特性的理论计算；第二部分的主要内容是光学减反射膜材料选择和膜系的设计；第三部分则主要阐述了TiO2薄膜光学常数计算和单层SiO2减反射膜层得初步实现。1 光学薄膜的基本理论1.1 薄膜干涉光学薄膜是由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。光学薄膜多是依据光的干涉理论设计的，它可以用来得到各种各样的光学特性。它可以减少表面的反射以增加光学系统的透射率和对比度；或者增加表面反射以减少光摄、高的透射，以实现分色、合色的目的；也可以使不同偏振状态的光束具有不同
10、的传播特性，以达到偏振分束、偏振转换的功能。下面我们就利用光程差的概念来具体讨论薄膜的干涉问题。 入射媒质 膜层 基片界面1界面2 D A C B入射光束 图1-1 薄膜干涉如图1-1所示，1和2分别表示薄膜的上、下表面与其它介质的界面，和分别为介质的折射率，为薄膜的折射率，为薄膜的厚度。一单色光以入射角入射到薄膜的界面1，一部分在界面1上反射，振幅为，另一部分透过界面1，在界面2上反射，然后再透过界面1，振幅为。根据反射和折射定律，很容易证明，当界面1和2平行时，和两反射光相互平行。它们将在无穷远处会聚，产生干涉。实验室中，可利用凸透镜将其会聚于焦平面上来观察，当然也可用眼睛直接观察。反射光
11、和的干涉强度决定于它们的光程差。根据光程差的定义和几何关系，得和的光程差为： （1-1）根据折射定律，有 （1-2）将式（3-2）代入式（3-1），得 （1-3）相应的相位差为 （1-4）如果先不考虑光在界面1、2上反射时的相位跃变，则当光程差满足条件时，产生相长干涉，叠加后振幅最大，光强最大；当光程差满足条件时，产生相消干涉，叠加后振幅最小，光强最小。为了计算干涉叠加后的光强，设和两反射光的振动方程为 （1-5）所以，叠加后的合振动为 （1-6）其中，是合振幅，是合振动的初相位。二者和、关系如下 （1-7） （1-8）根据光强的定义，双光束干涉强度公式为 （1-9）其中，分别为合振动、和的强
12、度，式中的号由相位差确定。当光由光疏媒质射向光密媒质界面上反射时，将有的相位跃变（通常称为半波损失）。式中的号正是考虑到界面上反射时的相位跃变情况。1.2 单层薄膜的特性计算实际上，光束照射到平面薄膜上时，光束将在薄膜上、下两界面多次反射，因而产生一组反射光束和一组透射光束，如图3-2所示。 界面1界面2入射光束 图1-2 多光束干涉当薄膜表面的反射系数不高时，通常只考虑前两束反射光和的作用，忽略反射两次以上的微弱光强的反射光束作用，也就是把多光束干涉作为双光束干涉来处理。但是如果薄膜表面的反射率较高时，如此处理时不严格的，必须考虑一组反射光或透射光之间的多光束干涉。对于多光束干涉光强的计算方
13、法和双光束干涉完全相同，也是先将振动叠加，再计算强度，差别在于参与干涉的光束由两束增加到多束，采用复振幅叠加较为方便。为此，先计算各反射光束或透射光束的振幅和相位。设在1、2两界面上向入射媒质方向反射的光的振幅反射系数分别为，透射光的振幅透射系数为；向基片方向反射光的振幅反射系数分别为，透射光的透射系数分别为。当和介质没有吸收时，根据斯托克定律，有 （1-10） （1-11）根据叠加原理，反射光束叠加后的合振幅的反射系数为 （1-12）利用式（3-10）和（3-11），（3-12）式可写为 （1-13）反射光的强度可用反射率表示，为 （1-14）根据能量守恒原理，所以透射率为 （1-15）由上式可见，当时，所以透射光光强极大所满足的条件应为；当时，所以为透射光光强极小的条件。反射光的极大和极小条件恰好与透射光相反。1.3 多层膜系的特性计算一般减反膜可由简单的单层膜或多层膜系构成，前者仅能使某一波长的光反射率为零，而后者则可使某一波段的光反射率为零。对于常见光学器件来说，需要对可见光增透，所以应采用多层膜系结构。对于多层膜系的特性计算方法有递推法、矩阵法和矢量法15,16。虽然利用组合导纳的递推法或矩阵法计算膜系的反射率比较严格、准确，但计算太繁杂，用来设计减反膜不是很有效。设计多层膜系最简捷的途径是用矢量法，首先通过试行法设计比较满意的结构，然后用计算机
