Principio caratteristico e classificazione dei film ottici sottili

Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia e la globalizzazione economica, gli esseri umani di oggi sono entrati nella società dell'economia della conoscenza e nella società dell'informazione. E con lo sviluppo del "Made in China", la produzione ottica è in ascesa nella terra della Cina continentale e il suo sviluppo è estremamente rapido. La produzione ottica cinese ha iniziato a svolgere un ruolo importante nell'arena economica internazionale e la produzione di vetro ottico e parti ottiche in Cina è quasi al primo posto. La pellicola ottica è uno o più strati di pellicola placcati sulla superficie delle parti ottiche modificando le caratteristiche della superficie delle parti ottiche. Può essere un film metallico, un film dielettrico o una combinazione di questi due tipi di film. La pellicola ottica sottile è una parte indispensabile di tutti i tipi di tecnologia fotoelettrica avanzata. Può non solo migliorare le prestazioni del sistema, ma è anche un mezzo necessario per raggiungere l'obiettivo di progettazione, il campo di applicazione del film sottile ottico e tutti gli aspetti del sistema ottico, inclusi sistema laser, comunicazione ottica, display ottico, memoria ottica, ecc. i principali dispositivi ottici a film sottile includono film riflettente, film antiriflesso, film di polarizzazione, filtro per interferenze e spettroscopio, ecc. Sono stati ampiamente utilizzati nell'economia nazionale e nella costruzione della difesa nazionale e hanno attirato sempre più l'attenzione degli operatori scientifici e tecnici.
Al momento, ci sono più di 60 tipi di varietà comuni di materiali per rivestimento ottico e le loro varietà e funzioni applicative sono ancora in continuo sviluppo. Negli ultimi anni si è sviluppato in un sistema a film metallico, quando lo spessore di oro, argento, rame e alluminio è 7 ~ A 20um, la sua trasmissione alla luce visibile è del 50%, mentre quella della luce infrarossa è inferiore al 10%. Questo tipo di film sottile è stato applicato con successo al pannello del veicolo spaziale Apollo per trasmettere parte della luce visibile e quasi tutta la luce infrarossa viene riflessa per il controllo termico. Il seguente articolo introduce principalmente il principio caratteristico e la classificazione dei film ottici sottili.
I. Definizione di pellicola ottica
La pellicola ottica è un tipo di materiale di supporto ottico composto da un mezzo a strati sottili e che diffonde il fascio di luce attraverso l'interfaccia. L'applicazione della pellicola ottica è iniziata negli anni '30 S. La pellicola ottica è stata ampiamente utilizzata nel campo dell'ottica e della tecnologia dei fotoelettroni, producendo vari strumenti ottici. La striscia di preparazione richiede parti alte e fini.
La definizione di pellicola ottica è: lo strato di pellicola dielettrica sottile e uniforme attaccato alla superficie del dispositivo ottico nel processo del percorso di propagazione della luce, la riflessione, la penetrazione (piegatura) quando passa attraverso lo strato di pellicola dielettrica stratificato) caratteristiche come l'emissione e polarizzazione, in modo da ottenere le forme speciali di luce che desideriamo in una o più bande d'onda, come tutta la luce che passa attraverso o tutta la riflessione della luce o la separazione della polarizzazione.
La pellicola ottica è ovunque nella nostra vita, dalle apparecchiature di precisione e ottiche, dalle apparecchiature di visualizzazione all'applicazione della pellicola ottica nella vita quotidiana; ad esempio, gli occhiali, le fotocamere digitali, tutti i tipi di elettrodomestici indossati in tempi ordinari o la tecnologia anti-contraffazione delle banconote possono essere chiamati l'estensione dell'applicazione della tecnologia del film ottico. Senza la tecnologia ottica a film sottile come base di sviluppo, la moderna tecnologia fotoelettrica, di comunicazione o laser non farà progressi, il che dimostra anche l'importanza della ricerca e dello sviluppo della tecnologia ottica a film sottile.
Il film ottico si riferisce al rivestimento o al rivestimento di uno o più strati di film dielettrico o film metallico o alla combinazione di questi due tipi di film su elementi ottici o substrati indipendenti per modificare le caratteristiche di trasmissione delle onde luminose, tra cui trasmissione, riflessione, assorbimento , scattering, polarizzazione e cambiamento di fase della luce. Pertanto, attraverso una progettazione adeguata, la permeabilità e la riflettività della superficie degli elementi in diverse bande d'onda possono essere regolate e la luce in diversi piani di polarizzazione può anche avere caratteristiche diverse.
In generale, le modalità di produzione dei film sottili ottici sono principalmente suddivise in processo a secco e processo a umido. Il cosiddetto tipo a secco significa che nessun liquido appare nell'intero processo di lavorazione. Ad esempio, l'evaporazione sotto vuoto consiste nel riscaldare materie prime solide con energia elettrica in un ambiente sotto vuoto, dopo sublimazione in gas, viene attaccato alla superficie di un materiale di base solido per completare il processo di rivestimento. Il film di imballaggio in oro, argento o metallo per la decorazione visto nella vita quotidiana è un prodotto realizzato con rivestimento a secco. Tuttavia, considerando l'effettiva produzione in serie, il campo di applicazione del rivestimento a secco è inferiore a quello del rivestimento a umido. Il metodo generale di rivestimento a umido consiste nel mescolare componenti con varie funzioni nel rivestimento liquido e applicarli sul materiale di base in diversi metodi di lavorazione, quindi asciugare e solidificare il rivestimento liquido per realizzare il prodotto.
II. Principio di interferenza con film sottile
1. La fluttuazione della luce
Nel 1860, il fisico americano Maxwell sviluppò la teoria elettromagnetica, sottolineando che la luce è una specie di onda elettromagnetica, che fa sviluppare la teoria delle onde a un livello perfetto.
Secondo la dualità Bo Li della luce, la luce è la stessa delle onde radio, dei raggi X,? I raggi sono onde elettromagnetiche, ma le loro frequenze sono diverse. La relazione tra lunghezza d'onda λ, frequenza u e velocità di propagazione V dell'onda elettromagnetica è la seguente:
V = λ u
Poiché la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche di varie frequenze nel vuoto è uguale in Germania, anche la lunghezza d'onda delle onde elettromagnetiche con frequenze diverse è diversa. La lunghezza d'onda con alta frequenza è breve, mentre la lunghezza d'onda con bassa frequenza è lunga. Per comodità di confronto, in base alle onde radio, ai raggi infrarossi, alla luce visibile, ai raggi ultravioletti, ai raggi X e? La lunghezza d'onda (o frequenza) dei raggi, ecc., Li dispone in uno spettro in sequenza, chiamato spettro elettromagnetico.
Nello spettro elettromagnetico, le onde radio hanno la lunghezza d'onda più lunga, che può essere divisa in onda lunga, onda media, onda corta, onda ultracorta, microonde e così via. Il secondo è il raggio infrarosso, il raggio visibile e il raggio ultravioletto, che sono collettivamente chiamati radiazioni luminose. Tra tutte le onde elettromagnetiche, solo la luce visibile può essere vista dagli occhi umani. La lunghezza d'onda della luce visibile è di circa 0,76 micron a 0,40 micron, che rappresenta solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico. Il secondo è la radiografia. L'onda elettromagnetica con la lunghezza d'onda più corta è y Ray.
Poiché la luce è una specie di onda elettromagnetica, dovrebbe mostrare le sue caratteristiche nel processo di propagazione-interferenza, diffrazione, polarizzazione e altri fenomeni.
2. Interferenza con film sottile
Il film può essere un solido trasparente, liquido o un sottile strato di gas bloccato da due pezzi di vetro. Il primo raggio di luce viene riflesso dalla superficie superiore del film, la luce rifratta viene riflessa dalla superficie inferiore del film e il secondo raggio viene riflesso dalla superficie superiore. I due raggi sono sullo stesso lato del film, separati dalla stessa vibrazione incidente, è una luce coerente e appartiene all'interferenza di ampiezza. Se la sorgente luminosa è una sorgente luminosa estesa (sorgente luminosa superficiale), l'interferenza può essere osservata solo nell'area specifica sovrapposta dei fasci secchi bifase, quindi appartiene all'interferenza localizzata. Per i film planari le cui due superfici sono parallele tra loro, la frangia di interferenza si trova all'infinito, che di solito si osserva nel piano focale dell'immagine per mezzo di lenti convergenti; per i film a forma di cuneo, la localizzazione della frangia di interferenza si trova vicino al film.
Sia gli esperimenti che le teorie hanno dimostrato che solo quando due colonne di onde luminose hanno una certa relazione è possibile generare strisce di interferenza. Queste relazioni sono chiamate condizioni coerenti. Le condizioni di asciutto del film sottile comprendono tre punti: la frequenza delle due onde luminose è la stessa; la direzione di vibrazione delle due onde luminose è la stessa; la differenza di fase tra le due onde luminose rimane costante.
La formula della differenza del percorso ottico della luce secca a due fasi interferita dal film sottile è:
δ = ntcos (α) ± λ / 2
Nella formula, n è l'indice di rifrazione del film; t è lo spessore del film nel punto dell'incidente; α è l'angolo di rifrazione nel film; λ / 2 è perché due fasci di luce coerente si trovano su due interfacce con proprietà diverse (uno è un mezzo di densità ottica e un mezzo di densità ottica, l'altro è un mezzo di densità ottica e un mezzo di densità ottica) ulteriore differenza del percorso ottico causata dalla riflessione superiore. Il principio dell'interferenza del film sottile è ampiamente utilizzato nell'ispezione della superficie ottica, nella misurazione precisa dell'angolo o della linearità minuscoli, nella preparazione del film antiriflesso e nel filtro interferenze, ecc.
La luce viene irradiata dal cambiamento dello stato di movimento dell'atomo o della molecola originale nella sorgente luminosa. L'onda luminosa emessa da ciascun atomo o molecola è solo una colonna corta, la durata è di circa 1 miliardo di secondi. Per due sorgenti luminose indipendenti, non è facile soddisfare le tre condizioni di interferenza, come la stessa fase o differenza di fase costante in mercati speciali, pertanto due sorgenti luminose generali indipendenti non possono formare una sorgente luminosa coerente. Inoltre, anche la luce emessa da parti diverse della stessa sorgente luminosa non interferirà in generale perché sono emesse da atomi o molecole differenti.
3. Classificazione caratteristica del film ottico
I principali dispositivi ottici a film sottile includono film riflettente, film antiriflesso, film di polarizzazione, filtro di interferenza, spettroscopio e così via, che sono ampiamente utilizzati nell'economia nazionale e nella costruzione della difesa nazionale, hanno guadagnato una crescente attenzione da parte di operatori scientifici e tecnici. Ad esempio, l'uso del film antiriflesso può ridurre di dieci volte la perdita di flusso luminoso di lenti ottiche complesse; l'uso di uno specchio ad alto rapporto di riflessione può raddoppiare la potenza di uscita del laser; l'utilizzo di un film sottile ottico può migliorare l'efficienza e la stabilità della batteria al silicio.
Il modello di pellicola ottica più semplice è uno strato di pellicola dielettrica uniforme con superficie liscia e superficie isotropica. In questo caso, le proprietà ottiche dei film sottili ottici possono essere studiate dalla teoria dell'interferenza della luce. Quando un'onda piana di luce monocromatica è incidente sulla pellicola ottica, verrà riflessa e rifratta più volte sulle sue due superfici. Le direzioni della luce riflessa e della luce rifratta sono date dalla legge della riflessione e della rifrazione, l'ampiezza della luce riflessa è determinata dalla formula di Fresnel.
Le pellicole ottiche possono essere divise: pellicola riflettente, pellicola antiriflesso / pellicola antiriflesso, filtro, pellicola polarizzatore / polarizzatore, pellicola di compensazione / piastra di differenza di fase, pellicola di allineamento, pellicola / pellicola di diffusione, pellicola illuminante / lente prismatica / condensatore, pellicola protettiva / nero e colla bianca, ecc. Derivati correlati includono pellicola protettiva ottica, pellicola per vetri, ecc.
Le caratteristiche del film ottico sono: la superficie è liscia e l'interfaccia tra gli strati del film presenta una segmentazione geometrica; l'indice di rifrazione dello strato di pellicola può saltare sull'interfaccia, ma è continuo nello strato di pellicola; può essere un mezzo trasparente, può anche essere un mezzo di assorbimento; può essere normale uniforme o normale irregolare. Il film applicato è molto più complicato del film ideale. Questo perché: durante la preparazione, le proprietà ottiche e fisiche del film si discostano dal materiale sfuso e la superficie e l'interfaccia sono ruvide, il che porta al riflesso diffuso del raggio luminoso; la penetrazione reciproca tra gli strati del film costituisce l'interfaccia di diffusione; a causa della crescita, della struttura, dello stress e di altri motivi dello strato del film, si formano tutti i tipi di eterogeneità del film; lo strato di pellicola ha un effetto temporale complesso.
Il film riflettente può essere generalmente diviso in due tipi, uno è un film riflettente in metallo e l'altro è un film riflettente interamente dielettrico. Inoltre, c'è un film riflettente dielettrico in metallo che unisce i due, la cui funzione è quella di aumentare la riflettività della superficie ottica.
In generale, i metalli hanno un coefficiente di estinzione relativamente elevato. Quando il raggio di luce è incidente sulla superficie del metallo dall'aria, l'ampiezza della luce che entra nel metallo decade rapidamente, il che fa diminuire l'energia della luce che entra nel metallo, mentre aumenta l'energia della luce riflessa. Più alto è il coefficiente di estinzione, più veloce decade l'ampiezza della luce. Meno energia luminosa penetra nel metallo, maggiore è la riflettività. Le persone scelgono sempre metalli con un elevato coefficiente di estinzione e proprietà ottiche stabili come materiali in film metallico. Il materiale metallico sottile comunemente usato nella regione degli ultravioletti è l'alluminio, l'alluminio e l'argento sono comunemente usati nella regione visibile e l'oro, l'argento e il rame sono comunemente usati nella regione dell'infrarosso. Inoltre, il cromo e il platino sono spesso usati come materiali di membrana per alcuni film speciali. Poiché alluminio, argento, rame e altri materiali sono facili da ossidare nell'aria e ne riducono le prestazioni, devono essere protetti da una membrana dielettrica elettrica. I materiali di film protettivo comunemente usati includono ossido di silicio, fluoruro di magnesio, biossido di silicio, ossido di alluminio, ecc.
Il vantaggio del film riflettente in metallo è che il processo di preparazione è semplice e la gamma di lunghezze d'onda di lavoro è ampia; lo svantaggio è che la perdita di luce è grande e la riflettività non può essere molto elevata. Al fine di migliorare ulteriormente la riflettività del film riflettente in metallo, diversi strati di strato dielettrico con un certo spessore possono essere placcati all'esterno del film per formare il film riflettente dielettrico in metallo. Va sottolineato che il film dielettrico metallico aumenta la riflettività di una certa lunghezza d'onda (o una certa regione d'onda), ma distrugge la caratteristica della riflessione neutra del film metallico.