光學鍍膜的物理原理和技術實現(xiàn)

需要增透減反技術可以聯(lián)系我們上海工廠18917106313

上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務。

光學鍍膜技術的物理原理和技術實現(xiàn)。

1. 光學鍍膜的物理原理

• 單層光學薄膜

  我們都知道光學薄膜效應，比如等厚干涉和等傾干涉，這些都在高中物理中有所提及。請看下圖：

我們都知道光也是電磁波，它可以通過波長/頻率、振幅、相位等一些列參數(shù)來描述。我們也知道，同向同頻同一空間的波會存在相干性，那么通過單層薄膜兩面的的反射光或者透射光，就存在干涉效應。干涉效應用上面的圖來說明就是相位相同，就振幅相長，相位差180度，則振幅相消。如果反射光振幅相消，這個薄膜對這束入射光來說就是增透膜，相對應的，透射光必然振幅相長，因為能量守恒原理的存在。反之，則是高反膜（注：這里特指介質(zhì)膜，金屬高反膜我們在后續(xù)章節(jié)展開介紹。），透射振幅相消，反射振幅相長。

對于單層膜系統(tǒng)來說，只有一層介質(zhì)，而通常介質(zhì)的兩邊是空氣，即低折射率介質(zhì)。那么我們要設計一個多層膜系統(tǒng)需要怎么做呢？我們不可能把空氣層疊加在膜與膜之間。所以，在多層膜系統(tǒng)中，我們的一個單層膜系統(tǒng)通常有三層，分別是兩個低折射率介質(zhì)中間夾著一個高折射率介質(zhì)層。

• 多層薄膜系統(tǒng)的數(shù)學原理——傅立葉變換

  通常來說，我們的光學薄膜都是需要實現(xiàn)一定的光譜要求。比如某個波段的增透效果，或者某個波段的反射效果，又或者某個波段高透，而其他波段截止。

  下圖是一個傅立葉變換的示意圖。圖一顯示了一個波長較長的正弦波疊加一個波長較短的正弦波之后，形成了一個近似梯形波形，但梯形的頂部波動較大。圖二是在圖一基礎上又多疊加了兩個波長更短的正弦波，我們看到*終的波形越來越趨近于梯形。

請看*后一張圖，正弦波的數(shù)量疊加到8層之后，*終的波形越來越趨近于矩形波。這就是傅立葉變換的模型，理論上，任何波形都可以通過若干層傅立葉變換之后，轉(zhuǎn)換成若干層正弦波的疊加。

而我們光學鍍膜領域，需要實現(xiàn)某種光譜要求，只需要將目標光譜做傅立葉變換之后，將其分解為若干級傅立葉變換出來的正弦波，疊加之后就會生成我們所需要的光譜。

一個傅立葉變換的正弦波，實際上就是通過我們的一個單層膜系統(tǒng)來實現(xiàn)的，我們叫它諧振腔。一個*簡單的諧振腔通常就是由三層介質(zhì)層組成，兩個低射射率層夾著一個高折射率層。

問題：如果我們需要一個非常陡峭的矩形波，應該如何設計？

從上圖我們可以看出，當傅立葉變換級數(shù)只有2級或者4級時，模擬出的曲線近似于梯形，而當傅立葉級數(shù)變?yōu)?級時，*終的曲線越來越趨近于矩形，上升和下降沿隨著級數(shù)的增加，越來越陡峭了。

理論上，只要我們的膜層足夠厚，我們可以模擬出任何想要實現(xiàn)的光譜要求，膜層的厚度決定了其制造成本，*終一個好的膜系設計一定是膜層厚度和光譜要求妥協(xié)的結果。

2. 光學鍍膜的技術實現(xiàn) 

通常來說，我們在真空腔里，通過蒸發(fā)或者濺射的方式，將膜料沉積在基材（比如玻璃）表面。

鍍膜的過程非常近似于泡泡龍游戲，我們需要非常均勻的將材料鍍在基材表面。但由于粒子的尺度是原子，我們無法也沒有必要控制單個原子（或離子）降落在基材的某一特定位置。我們從技術上需要做的是，提供一個高真空環(huán)境，對于蒸鍍工藝來說，我們需要提供一個加熱源（通常是電子槍），熔化/汽化膜料形成膜料蒸汽，粒子在基材表面沉積并牢牢的與基材表面原子形成化學鍵。對于濺射工藝來說，這種工藝往往是針對沸點較高的鍍膜材料，我們通過高速氬離子轟擊靶材表面，濺射出靶材粒子，氬粒子在接觸靶材表面之后，得到一個電子變成氬氣不與任何物質(zhì)反應，而濺射出來的靶材粒子將高速撞擊在基材表面，并被基材表面原子所俘獲。

總結：本文介紹了光學鍍膜技術的物理原理和技術實現(xiàn)。日常生活中我們見到或者見不到的各種光學薄膜，都是通過一定的膜系設計，選擇合適的鍍膜材料和鍍膜工藝，通過相應的鍍膜機將材料沉積在基材表面。

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