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        快速了解常見的幾種光學薄膜?

        2022-05-06 金夢

        光學薄膜在我們的生活中無處不在,從精密及光學設備、顯示器設備到日常生活中的光學薄膜應用;比方說,平時戴的眼鏡、數碼相機、各式家電用品,或者是鈔票上的防偽技術,皆能被稱之為光學薄膜技術應用之延伸。倘若沒有光學薄膜技術作為發展基礎,近代光電、通訊或是鐳射技術將無法有所進展,這也顯示出光學薄膜技術研究發展的重要性。


        鍍膜車間


        光學薄膜系指在光學元件或獨立基板上,制鍍上或涂布一層或多層介電質膜或金屬膜或這兩類膜的組合,以改變光波之傳遞特性,包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改變。故經由適當設計可以調變不同波段元件表面之穿透率及反射率,亦可以使不同偏振平面的光具有不同的特性。


        一般來說,光學薄膜的生產方式主要分為干法和濕法的生產工藝。所謂的干式就是沒有液體出現在整個加工過程中,例如真空蒸鍍是在一真空環境中,以電能加熱固體原物料,經升華成氣體后附著在一個固體基材的表面上,完成涂布加工。


        日常生活中所看到裝飾用的金色、銀色或具金屬質感的包裝膜,就是以干式涂布方式制造的產品。但是在實際量產的考慮下,干式涂布運用的范圍小于濕式涂布。濕式涂布一般的做法是把具有各種功能的成分混合成液態涂料,以不同的加工方式涂布在基材上,然后使液態涂料干燥固化做成產品。在本文中僅討論濕式涂布技術的光學薄膜產業。


        光學薄膜根據其用途分類、特性與應用可分為:反射膜、增透膜/減反射膜、分光膜、濾光膜等。



        1、反射膜:


        反射膜一般可分為兩類,一類是金屬反射膜,一類是全電介質反射膜。此外,還有將兩者結合的金屬電介質反射膜,功能是增加光學表面的反射率。


        一般金屬都具有較大的消光系數。當光束由空氣入射到金屬表面時,進入金屬內的光振幅迅速衰減,使得進入金屬內部的光能相應減少,而反射光能增加。消光系數越大,光振幅衰減越迅速,進入金屬內部的光能越少,反射率越高。人們總是選擇消光系數較大,光學性質較穩定的金屬作為金屬膜材料。在紫外區常用的金屬薄材料是鋁,在可見光區常用鋁和銀,在紅外區常用金、銀和銅,此外,鉻和鉑也常作一些特種薄膜的膜料。由于鋁、銀、銅等材料在空氣中很容易氧化而降低性能,所以必須用電介質膜加以保護。常用的保護膜材料有一氧化硅、氟化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁等。


        金屬反射膜的優點是制備工藝簡單,工作的波長范圍寬;缺點是光損大,反射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進一步提高,可以在膜的外側加鍍幾層一定厚度的電介質層,組成金屬電介質反射膜。需要指出的是,金屬電介質射膜增加了某一波長(或者某一波區)的反射率,卻破壞了金屬膜中性反射的特點。


        鍍金反射鏡


        鋁箔反射膜Dike鋁箔隔熱卷材,又稱阻隔膜、隔熱膜、隔熱箔、拔熱膜、反射膜等。由鋁箔貼面+聚乙烯薄膜+纖維編織物+金屬涂膜通過熱熔膠層壓而成,鋁箔卷材具有隔熱保溫、防水、防潮等功能。鋁箔隔熱卷材的日照吸收率(太陽輻射吸收系數)極低(0.07),具有卓越的隔熱保溫性能,可以反射掉93%以上的輻射熱,被廣泛應用于建筑屋面與外墻隔熱保溫。全電介質反射膜是建立在多光束干涉基礎上的。與增透膜相反,在光學表面上鍍一層折射率高于基體材料的薄膜,就可以增加光學表面的反射率。最簡單的多層反射是由高、低折射率的二種材料交替蒸鍍而成的,每層膜的光學厚度為某一波長的四分一。在這種條件下,參加疊加的各界面上的反射光矢量,振動方向相同。合成振幅隨著薄膜層數的增加而增加。


        相對應的是一種防反射膜,主要功效是提高光線的衍射,使人們能夠長時間的觀看文字和圖形。這就需要表面平滑反射少的防反射薄膜。



        2、增透膜/減反射膜:


        減反射膜又稱增透膜,它的主要功能是減少或消除透鏡、棱鏡、平面鏡等學表面的反射光,從而增加這些元件的透光量,減少或消除系統的雜散光。


        增透玻璃


        減反射膜是以光的波動性和干涉現象為基礎的。二個振幅相同,波長相同的光波疊加,那么光波的振幅增強;如果二個光波原由相同,波程相差,如果這二個光波疊加,那么互相抵消了。減反射膜就是利用了這個原理,在鏡片的表面鍍上減反射膜(AR-coating),使得膜層前后表面產生的反射光互相干擾,從而抵消了反射光,達到減反射的效果。最簡單的增透膜是單層膜。一般情況下,采用單層增透膜很難達到理想的增透效果,為了在單波長實現零反射,或在較寬的光譜區達到好的增透效果,往往采用雙層、三層甚至更多層數的減反射膜。


        減反射膜的實際應用非常廣泛,最常見的是鏡片及太陽能電池-通過制備減反射膜來提高光伏組件的功率瓦值。目前晶體硅光伏電池使用的減反射膜材料是氮化硅,采用等離子增強化學氣相淀積技術,使氨氣和硅烷離子化,沉積在硅片的表面,具有較高的折射率,能起到較好的減反射效果。早期的光伏電池采用二氧化硅和二氧化鈦膜作為減反射層。



        3、分光膜:


        根據一定的要求和一定的方式把光束分成兩部分的薄膜,主要包括波長分光膜、光強分光膜和偏振分光膜。


        波長分光膜又叫雙色分光膜,顧名思義它是按波長區域把光束分成兩部分的薄膜。這種膜可以是一種截止濾光片或帶通濾光片,不同的是波長分光膜不僅要考慮透過光還要考慮反射光,二者都要求有一定形狀的光譜曲線。


        分光鏡


        光強分光膜是按照一定的光強比把光束分成兩部分的薄膜,用于可見光的寬帶分光膜又叫中性分光膜,這種膜由于偏振的影響,二束光的偏振狀態可以相差很多,但例如某些干涉儀則要求兩束光都是消偏振的,這就需要設計和制備消偏振膜。


        偏振分光膜是利用光斜入射時薄膜的偏振效應制成的,可以分成棱鏡型和平板型兩種。


        棱鏡型偏振膜利用布儒斯特角入射時界面的偏振效應,垂直分量振動的光則隨薄膜層數的增加而增加,只要層數足夠多就可以實現透過光束基本是平行方向振動的光,而反射光束基本上是垂直方向振動的光,從而達到偏振分光的目的。棱鏡型偏振膜工作的波長范圍比較寬,偏振度也可以做得比較高,但它抗激光強度比較低。


        平板型偏振膜主要是利用在斜入射時由電介質反射膜兩個偏振分量的反射帶帶寬的不同而制成的。平板型偏振片工作的波長區域比較窄,但它可以做得很大,抗激光強度也比較高,所以經常用在強激光系統中。



        4、濾光膜:


        能把光譜中不需要的光過濾掉的薄膜叫濾光膜,常用于濾光片


        濾光片


        濾光片產品主要按光譜波段、光譜特性、膜層材料、應用特點等方式分類。


        光譜波段:紫外濾光片、可見濾光片、紅外濾光片;


        光譜特性:帶通濾光片、截止濾光片、分光濾光片、中性密度濾光片、反射濾光片;


        膜層材料:軟膜濾光片、硬膜濾光片;


        硬膜濾光片不僅指薄膜硬度方面,更重要的是它的激光損傷閾值,所以它廣泛應用于激光系統當中,面軟膜濾光片則主要用于生化分析儀當中。


        帶通型: 選定波段的光通過,通帶以外的光截止。其光學指標主要是中心波長(CWL),半帶寬(FWHM)。分為窄帶和寬帶。比如窄帶808濾光片NBF-808。


        短波通型(又叫低波通):短于選定波長的光通過,長于該波長的光截止。 比如紅外截止濾光片,IBG-650。


        長波通型(又叫高波通):長于選定波長的光通過,短于該波長的光截止 比如紅外透過濾光片,IPG-800。



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