Principio característico y clasificación de películas finas ópticas

Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología y la globalización económica, los seres humanos de hoy han entrado en la sociedad de la economía del conocimiento y la sociedad de la información. Y con el desarrollo de "Hecho en China", la fabricación óptica está en ascenso en la tierra de China continental, y su desarrollo es extremadamente rápido. La fabricación óptica de China ha comenzado a desempeñar un papel importante en el ámbito económico internacional, y la producción de vidrio óptico y piezas ópticas en China casi ocupa el primer lugar. La película óptica es una o más capas de película chapada en la superficie de las partes ópticas cambiando las características de la superficie de las partes ópticas. Puede ser película de metal, película dieléctrica o una combinación de estos dos tipos de películas. La película delgada óptica es una parte indispensable de todo tipo de tecnología fotoeléctrica avanzada. No solo puede mejorar el rendimiento del sistema, sino que también es un medio necesario para cumplir con el objetivo de diseño, el campo de aplicación de la película delgada óptica y todos los aspectos del sistema óptico, incluido el sistema láser, la comunicación óptica, la pantalla óptica, el almacenamiento óptico, etc. Los principales dispositivos ópticos de película delgada incluyen película reflectante, película antirreflectante, película de polarización, filtro de interferencia y espectroscopio, etc. Han sido ampliamente utilizados en la economía nacional y la construcción de la defensa nacional, y obtuvieron una atención cada vez mayor de los trabajadores científicos y técnicos.
En la actualidad, hay más de 60 tipos de variedades comunes de materiales de recubrimiento óptico, y sus variedades y funciones de aplicación aún se están desarrollando continuamente. En los últimos años, se ha convertido en un sistema de película metálica, cuando el grosor del oro, la plata, el cobre y el aluminio es de 7 ~ a 20um, su transmisión a la luz visible es del 50%, mientras que la de la luz infrarroja es inferior al 10%. Este tipo de película delgada se ha aplicado con éxito al panel de la nave espacial Apollo para transmitir parte de la luz visible, y casi toda la luz infrarroja se refleja para el control térmico. El siguiente artículo presenta principalmente el principio característico y la clasificación de las películas finas ópticas.
I. Definición de película óptica.
La película óptica es un tipo de material de medio óptico que se compone de medio en capas delgadas y propaga el haz de luz a través de la interfaz. La aplicación de la película óptica comenzó en la década de 1930 S. La película óptica se ha utilizado ampliamente en el campo de la tecnología óptica y fotoelectrónica, fabricando diversos instrumentos ópticos. La tira de preparación requiere partes altas y finas.
La definición de película óptica es: la capa delgada y uniforme de película dieléctrica unida a la superficie del dispositivo óptico en el proceso de propagación de la luz, la reflexión, la penetración (plegado) al pasar a través de la capa de película dieléctrica en capas) características como la emisión y polarización, para lograr las formas especiales de luz que deseamos en una o más bandas de onda, como toda la luz que pasa o toda la reflexión de la luz o la separación de polarización.
La película óptica está en todas partes en nuestra vida, desde equipos de precisión y ópticos, equipos de visualización hasta la aplicación de películas ópticas en la vida diaria; Por ejemplo, los anteojos, las cámaras digitales, todo tipo de electrodomésticos que se usan en tiempos normales, o la tecnología antifalsificación de los billetes se puede llamar la extensión de la aplicación de la tecnología de película óptica. Sin la tecnología de película delgada óptica como base del desarrollo, la tecnología moderna fotoeléctrica, de comunicación o láser no progresará, lo que también muestra la importancia de la investigación y el desarrollo de la tecnología de película delgada óptica.
La película óptica se refiere al recubrimiento o recubrimiento de una o más capas de película dieléctrica o película metálica o la combinación de estos dos tipos de películas en elementos ópticos o sustratos independientes para cambiar las características de transmisión de ondas de luz, incluida la transmisión, reflexión, absorción , dispersión, polarización y cambio de fase de la luz. Por lo tanto, mediante un diseño adecuado, la permeabilidad y la reflectividad de la superficie de los elementos en diferentes bandas de onda se pueden ajustar, y la luz en diferentes planos de polarización también puede tener diferentes características.
En términos generales, los modos de producción de películas delgadas ópticas se dividen principalmente en proceso seco y proceso húmedo. El llamado tipo seco significa que no aparece líquido en todo el proceso de procesamiento. Por ejemplo, la evaporación al vacío consiste en calentar materias primas sólidas con energía eléctrica en un entorno de vacío, después de la sublimación en gas, se une a la superficie de un material base sólido para completar el proceso de recubrimiento. La película de embalaje dorada, plateada o metálica para la decoración que se ve en la vida cotidiana es un producto hecho con recubrimiento seco. Sin embargo, considerando la producción en masa real, el rango de aplicación del recubrimiento seco es menor que el del recubrimiento húmedo. El método general de recubrimiento húmedo es mezclar componentes con diversas funciones en el recubrimiento líquido y aplicarlos sobre el material base en diferentes métodos de procesamiento, luego secar y solidificar el recubrimiento líquido para hacer el producto.
II Principio de interferencia de película delgada
1. La fluctuación de la luz.
En 1860, el físico estadounidense Maxwell desarrolló la teoría electromagnética, señalando que la luz es un tipo de onda electromagnética, lo que hace que la teoría de la onda se desarrolle a un nivel perfecto.
De acuerdo con la dualidad de luz de Bo Li, la luz es lo mismo que las ondas de radio, rayos X,? Los rayos son ondas electromagnéticas, pero sus frecuencias son diferentes. La relación entre la longitud de onda λ, la frecuencia u y la velocidad de propagación V de la onda electromagnética es la siguiente:
V = λ u
Dado que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas de varias frecuencias en el vacío es igual en Alemania, la longitud de onda de las ondas electromagnéticas con diferentes frecuencias también es diferente. La longitud de onda con alta frecuencia es corta, mientras que la longitud de onda con baja frecuencia es larga. Para la conveniencia de la comparación, de acuerdo con ondas de radio, rayos infrarrojos, luz visible, rayos ultravioleta, rayos X y? La longitud de onda (o frecuencia) de los rayos, etc., los organiza en un espectro en secuencia, que se llama espectro electromagnético.
En el espectro electromagnético, las ondas de radio tienen la longitud de onda más larga, que se puede dividir en onda larga, onda media, onda corta, onda ultracorta, microondas, etc. El segundo es el rayo infrarrojo, el rayo visible y el rayo ultravioleta, que colectivamente se llaman radiación de luz. Entre todas las ondas electromagnéticas, los ojos humanos solo pueden ver la luz visible. La longitud de onda de la luz visible es de aproximadamente 0,76 micras a 0,40 micras, lo que solo representa una pequeña parte del espectro electromagnético. El segundo es la radiografía. La onda electromagnética con la longitud de onda más corta es y Ray.
Como la luz es un tipo de onda electromagnética, debe mostrar sus características en el proceso de propagación-interferencia, difracción, polarización y otros fenómenos.
2. Interferencia de película delgada
La película puede ser un sólido transparente, líquido o una capa delgada de gas sujeta por dos piezas de vidrio. El primer haz de luz se refleja en la superficie superior de la película, la luz refractada se refleja en la superficie inferior de la película y el segundo haz se refleja en la superficie superior. Los dos haces están en el mismo lado de la película, separados de la misma vibración incidente, es luz coherente y pertenece a la interferencia de amplitud. Si la fuente de luz es una fuente de luz extendida (fuente de luz de superficie), la interferencia solo se puede observar en el área de superposición específica de los haces secos de dos fases, por lo que pertenece a la interferencia localizada. Para las películas planas cuyas dos superficies son paralelas entre sí, la franja de interferencia se encuentra en el infinito, que generalmente se observa en el plano focal de la imagen por medio de lentes convergentes; para películas en forma de cuña, la localización de franjas de interferencia está cerca de la película.
Tanto los experimentos como las teorías han demostrado que solo cuando dos columnas de ondas de luz tienen una cierta relación, se pueden generar franjas de interferencia. Estas relaciones se llaman condiciones coherentes. Las condiciones secas de la película delgada incluyen tres puntos: la frecuencia de las dos ondas de luz es la misma; la dirección de vibración de las dos ondas de luz es la misma; La diferencia de fase entre las dos ondas de luz permanece constante.
La fórmula de diferencia de trayectoria óptica de la luz seca de dos fases interferida por la película delgada es:
δ = ntcos (α) ± λ / 2
En la fórmula, n es el índice de refracción de la película; t es el grosor de la película en el punto del incidente; α es el ángulo de refracción en la película; λ / 2 se debe a que dos haces de luz coherente se encuentran en dos interfaces con diferentes propiedades (uno es el medio de densidad óptica al medio de densidad óptica, el otro es el medio de densidad óptica al medio de densidad óptica) diferencia de trayectoria óptica adicional causada por la reflexión superior. El principio de interferencia de película delgada se usa ampliamente en la inspección de la superficie óptica, la medición precisa de ángulos pequeños o linealidad, la preparación de película antirreflectante y el filtro de interferencia, etc.
La luz se irradia por el cambio del estado de movimiento del átomo o molécula original en la fuente de luz. La onda de luz emitida por cada átomo o molécula es solo una columna corta, la duración es de aproximadamente mil millones de segundos. Para dos fuentes de luz independientes, no es fácil cumplir las tres condiciones de interferencia, como la misma fase o la diferencia de fase constante en mercados especiales, por lo tanto, dos fuentes de luz generales independientes no pueden formar una fuente de luz coherente. Además, incluso la luz emitida por diferentes partes de la misma fuente de luz no interferirá generalmente porque son emitidas por diferentes átomos o moléculas.
3. Clasificación característica de la película óptica.
Los principales dispositivos ópticos de película delgada incluyen película reflectante, película antirreflectante, película de polarización, filtro de interferencia, espectroscopio, etc., que se utilizan ampliamente en la economía nacional y la construcción de la defensa nacional, y ha recibido una atención cada vez mayor por parte de los trabajadores científicos y técnicos. Por ejemplo, el uso de una película antirreflectante puede reducir la pérdida de flujo luminoso de lentes ópticas complejas en diez veces; el uso del espejo de alta relación de película de reflexión puede duplicar la potencia de salida del láser; El uso de película delgada óptica puede mejorar la eficiencia y la estabilidad de la batería de silicio.
El modelo de película óptica más simple es una capa de película dieléctrica uniforme con superficie lisa y superficie isotrópica. En este caso, la teoría de la interferencia de la luz puede estudiar las propiedades ópticas de las películas delgadas ópticas. Cuando una onda plana de luz monocromática incide en la película óptica, se reflejará y refractará varias veces en sus dos superficies. Las direcciones de la luz reflejada y la luz refractada están dadas por la ley de reflexión y refracción, la amplitud de la luz reflejada está determinada por la fórmula de Fresnel.
Las películas ópticas se pueden dividir: película reflectante, película antirreflectante / película antirreflectante, filtro, película polarizadora / polarizadora, película de compensación / placa de diferencia de fase, película de alineación, película / película de difusión, película brillante / lente prismática / condensador, película sombreadora / negro y pegamento blanco, etc. Los derivados relacionados incluyen película protectora óptica, película para ventanas, etc.
Las características de la película óptica son: la superficie es lisa y la interfaz entre las capas de película presenta segmentación geométrica; el índice de refracción de la capa de película puede saltar sobre la interfaz, pero es continuo en la capa de película; puede ser un medio transparente, también puede ser un medio de absorción; puede ser normal uniforme o normal desigual. La película aplicada es mucho más complicada que la película ideal. Esto se debe a que: durante la preparación, las propiedades ópticas y físicas de la película se desvían del material a granel, y la superficie y la interfaz son rugosas, lo que conduce a la reflexión difusa del haz de luz; la penetración mutua entre las capas de película forma la interfaz de difusión; Debido al crecimiento, estructura, tensión y otras razones de la capa de película, se forman todo tipo de heterogeneidad de la película; La capa de película tiene un efecto de tiempo complejo.
La película reflectante generalmente se puede dividir en dos tipos, una es una película reflectante de metal y la otra es una película reflectante totalmente dieléctrica. Además, hay una película reflectante dieléctrica de metal que combina los dos, cuya función es aumentar la reflectividad de la superficie óptica.
En general, los metales tienen un coeficiente de extinción relativamente grande. Cuando el haz de luz incide en la superficie metálica del aire, la amplitud de la luz que ingresa al metal disminuye rápidamente, lo que hace que la energía de la luz que ingresa al metal disminuya de manera correspondiente, mientras que la energía de la luz reflejada aumenta. Cuanto más alto es el coeficiente de extinción, más rápido disminuye la amplitud de la luz. Mientras menos energía luminosa ingrese al metal, mayor será la reflectividad. La gente siempre elige metales con gran coeficiente de extinción y propiedades ópticas estables como materiales de película metálica. El material delgado de metal que se usa comúnmente en la región ultravioleta es el aluminio, el aluminio y la plata se usan comúnmente en la región visible, y el oro, la plata y el cobre se usan comúnmente en la región infrarroja. Además, el cromo y el platino también se usan a menudo como materiales de membrana para algunas películas especiales. Debido a que el aluminio, la plata, el cobre y otros materiales son fáciles de oxidar en el aire y reducen su rendimiento, deben protegerse con una membrana dieléctrica eléctrica. Los materiales de película protectora comúnmente utilizados incluyen óxido de silicio, fluoruro de magnesio, dióxido de silicio, óxido de aluminio, etc.
La ventaja de la película reflectante de metal es que el proceso de preparación es simple y el rango de longitud de onda de trabajo es amplio; La desventaja es que la pérdida de luz es grande y la reflectividad no puede ser muy alta. Con el fin de mejorar aún más la reflectividad de la película reflectante metálica, se pueden colocar varias capas de capa dieléctrica con un cierto espesor en el exterior de la película para formar la película reflectante dieléctrica metálica. Cabe señalar que la película dieléctrica de metal aumenta la reflectividad de una determinada longitud de onda (o una determinada región de onda), pero destruye la característica de reflexión neutra de la película de metal.