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光学薄膜技术发展的简单历史回顾
9 z9 G" U! T3 }& u: |4 X6 m 光学薄膜的技术发展可以追溯到200年前左右【1-8]，在1817年，德国人首
# i1 L# i1 P6 ~) J先发明了化学镀膜，夫琅和费制成了第一批减反射膜，推动了薄膜光学的早期发
{: x* I# R# x' b8 [2 Y展，1832年，菲涅尔提出了反射与折射定律 (至今仍称为非涅尔定律)，它是研
4 P- H; t W7 I: O! z究薄膜系统内干涉的基础。1873年，麦克斯韦 《论电与磁》的问世，奠定了光
/ B, E& F6 S& `4 A- ?3 j学薄膜的理论基础.1930年油扩散泵发明了，使得工业制造各种薄膜成为实际8 d, b# c7 Q' `
可能，接着在实验室制造出单层反射膜、增透膜、分光膜和金属的法布里一拍罗
0 m1 j6 ?* K f) u6 i$ C7 }干涉滤光片。到了1950年以后，由于真空镀膜技术的飞速发展，世界各地的光3 \ }4 _5 [# H- g7 Y# \
学加工企业淘汰了化学镀膜，全面采用真空镀膜，极大地推动了光学薄膜的应用9 n) l0 G8 M" G+ z! d9 V
和发展。对于国内的情况.二十世纪五十年代我国大部分光学单位只能镀一些金
$ E* `4 S$ L# [% k7 a8 I$ W2 Q属膜和单层氟化镁减反射膜，膜层厚度只凭经验或观察颜色来判断，对复杂的激" ]; l, y5 ?7 i' X! W
光技术中应用的光学薄膜不适应，二十世纪六十年代初我国镀膜机设备厂也只能
0 |& A& ^! l7 w# ^生产简单的真空设备，而带有基片旋转的镀膜机还很少见到。到了二十世纪七十
* F5 L) a, T0 V年代，我国才有试制电子束蒸发的镀膜设备.但是自上世纪八十年代以来，我国
1 ]* G; Q: z+ {+ D的镀膜技术有了全面的发展，逐步出现了离子镀膜和大面积溅射镀膜等技术。光学薄膜的应用% D4 x( w; Z' S; e$ h! [
随着信息技术的发展，光学薄膜的应用[9-24』范围越来越广，几乎涵盖了科, Z4 E3 ? L: @9 `" S1 z/ R. s
学研究、工业技术、文教卫生、医疗、航空航天、国防军事、图像信息产业、激
- @! j5 o9 ?+ K' g7 h6 m# \光及光纤通信及人民生活中所有要用到光电器件的领域。它的作用就象数学对于
. F+ M$ K+ y/ y; R其他学科的作用一样，光学薄膜技术是一个基础性的技术，它是各种先进光电技术的基础，也是制约各种尖端光电技术发展的瓶颈。从航人、卫星等空间探测器
6 N% Z3 V# a0 ?1 P$ J* {到集成电路、生物芯片、激光器件、液晶显示到集成光学在很大程度上取决于薄! S; a# c9 o3 L2 }
膜技术的发展。
* C- W e* @6 ^" {.3.1图像信息应用' b9 q/ {+ f5 @' P/ m! L
在图像信息产业中，背投影电视和液晶投影仪等高档图像处理设备具有分辨
& p7 M. {0 K9 R6 I力和清晰度高、显示图像质量好、体积小、重量轻等优点而被广泛使用。不论采4 g. x2 f4 l1 M8 _+ f
用哪种图像发生源，系统都包含了由照明系统、分光系统、调制面板、合光系统3 N S( L/ x5 J' b7 p o
及投影镜头组成的光学引擎.而组成光学引擎的薄膜元件的性能好坏直接影响整
1 E$ O. k) w1 q3 g0 @: B个投影系统的成像质量.这些薄膜元件中通常包含以下几种光学薄膜汇17]:
' o& i. m# c: n, h _ (1)冷光膜 (冷镜):反射可见光，透过红外光，用来剔除光源中产生热# n7 H$ G/ S p6 B3 G! E1 _
的红外光。
2 t" q; K* U* z: }7 ^! N: t (2) UV-IR滤光片:此截止滤光片是进一步滤去红外和影响LCD寿命的紫外% H p) |; Y* v3 [* ~1 b4 t. b, M
光。 (3)分色膜:它把光源的白光分成红绿蓝三基色。
4 @/ B! |: V/ r! m% i (4)偏振分色膜:由于偏振度的提高，使得系统的对比度得到改善。 g- c$ @& A5 p2 L
(5)合色膜:它把经过LCD调制的红绿蓝三单色的图像合成彩色图像。
$ f3 e6 f2 Z" Z9 n/ u$ J (6)增透膜:降低光能损失，减小杂散光，提高清晰度。" `( M: W5 l7 G, _
(7)反光膜:折反光路用。* S" I3 e, b5 P, {& g2 K- v
其中紫外红外截止滤光片((UV -IR Filter)能抑制投影系统中因高功率宽光谱
4 I0 x' \7 U6 d* C光源而产生的紫外、红外辐射所带来的对整个液晶显示系统的损坏。因此它的好
; I" `# F4 C' u; v坏直接影响到系统的寿命，现在此类薄膜滤光片通用的光学性能参数指标见表
2 E7 |0 s) ^7 m1一la- J9 Q1 p' ~4 j$ a6 j, i- a
表1-1紫外红外截比滤光片的光学性能参数的例子# q( t: D' _' c \' X0 p7 m
透过率
: g2 q: o" @- {5 g4 H6 J波长(11111)8 [0 R+ t1 O; w) {
300^-390
! l T% m1 l N# j6 j( R; |# t8 p6 B<_1%& p2 L0 ] b2 o( Q' S% x. r+ p
412 -428 50%2 T6 F9 T4 A0 Q7 x# T
440^-680
9 f+ u- J3 ~' I: Z& }* ~' F>_93%
* {" b: N' F" r& z: ]% _% ~700^740 50%7 p2 I7 c" J% P. f
800^-1200
( @- j* ?! ?$ ^' ~+ b i% |梦%术的基础，也是制约各种尖端光电技术发展的瓶颈。从航人、卫星等空间探测器
7 {$ O& @" l [/ D5 N# l到集成电路、生物芯片、激光器件、液晶显示到集成光学在很大程度上取决于薄; a3 Y- o) I$ D1 p
膜技术的发展。
3 ]2 {% M- y2 r K.3.1图像信息应用
1 p4 I) ~9 \/ q* f4 H# [; F 在图像信息产业中，背投影电视和液晶投影仪等高档图像处理设备具有分辨; ]+ u8 M3 f8 c2 f1 x
力和清晰度高、显示图像质量好、体积小、重量轻等优点而被广泛使用。不论采
, w* F$ b, [: R用哪种图像发生源，系统都包含了由照明系统、分光系统、调制面板、合光系统 r/ A4 \. b4 E+ v5 o
及投影镜头组成的光学引擎.而组成光学引擎的薄膜元件的性能好坏直接影响整
0 [( ~$ O3 i9 i8 a; t0 u. }个投影系统的成像质量.这些薄膜元件中通常包含以下几种光学薄膜汇17]:
9 |/ J1 G1 Z0 R (1)冷光膜 (冷镜):反射可见光，透过红外光，用来剔除光源中产生热7 b6 W. W7 \5 e. g4 y8 T
的红外光。. E7 p6 ~) s" U b% a! h, I
(2) UV-IR滤光片:此截止滤光片是进一步滤去红外和影响LCD寿命的紫外) [4 C- P+ Y8 n# d
光。
) Z* F* u6 X2 l( h2 q6 S (3)分色膜:它把光源的白光分成红绿蓝三基色。
9 J3 }. Q1 H8 v: Z" V) @! p( A (4)偏振分色膜:由于偏振度的提高，使得系统的对比度得到改善。$ W, @ w. ]' v5 [% Y
(5)合色膜:它把经过LCD调制的红绿蓝三单色的图像合成彩色图像。8 }1 H0 Z- ^* S! t; x- k9 l: f
(6)增透膜:降低光能损失，减小杂散光，提高清晰度。 其中紫外红外截止滤光片((UV -IR Filter)能抑制投影系统中因高功率宽光谱& \2 A, N: s" I z3 q
光源而产生的紫外、红外辐射所带来的对整个液晶显示系统的损坏。因此它的好
" m5 u- l) D5 w( C$ a# q! O* ]坏直接影响到系统的寿命，现在此类薄膜滤光片通用的光学性能参数指标见表* h$ j+ ?2 m( h
1一la5 \, T, r# J2 k. s9 w
表1-1紫外红外截比滤光片的光学性能参数的例子
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波长(11111)
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n/ r) h; a2 O5 X/ j1 o/ H. Z) `6 r梦% hi然此类薄膜属于经典的光学薄膜，但}V4到性能很好的产品还需要考虑到:
! W8 A! i. p* X4 ^8 J+ e7 g& o(1) 1要有宽的红外和紫外波段的反射以及可见光范围内的高透过率。(2)减少光
5 |% @2 }, }0 p8 @# s4 N谱的抖动，提高截止特性。(3)没有颜色失真。(4)良好的化学、温度和机械稳4 u- c* u1 ~7 k9 o) Q. Z* X4 V
定性.(5)另外还要求反射特性不受到基底的影响。
; s1 V& b* S' e6 e& ]. T1.3.2光通信应用
q, X. l0 h9 r' o光学薄膜器件广泛地应用于光通信网络中[12-15],随着信息时代的到来，
9 _$ P0 H7 x' @5 v' M国际互联网和各种信息业务迅速发展，尤其是视频和音频等多媒体业务的发展，
2 Q8 t& n% n; ~3 a/ m& U0 u对光纤通信网络带宽和容量的需求越来越高。使得对制备多腔的窄带滤波器的要
5 y& E, K# K9 w求提出了前所未有的分辨率和稳定性，己经制备出滤波器的层数超过了四百层1 l/ K/ e3 S& R. G( z, }
[2]。光通信技术的发展对光学薄膜的设计和工艺均提出了越来越高的要求〔131.6 Z& S* @. { [6 A# M/ |$ m
在光通信中的光源是山激光器产生，而激光器中的激光谐振腔反射镜的质量
5 ?0 g8 f) N- M1 O是决定激光器输出功率大小和寿命的主要因素之一[21],因此，提高激光反射镜/ E, e; }" n0 x/ \% T
的反射率，哪怕是提高0.1%亦十分重要 (提高反射率0.1%,激光输出功率可提
$ w1 ]- |' Z; |高10%).而对于激光输出藕合镜，因为它既要反射擞光又要透射激光，所以它
4 ?6 m$ _5 h- k% M的反射率应符合激光器设计的要求，使得激光器工作在最佳的祸合模式。这些反* u! s& X5 {6 D; `. w* h
射镜均需要采用高精度无损耗抗高强度激光的硬膜(多层介质膜)生产工艺才能
0 e8 M% r! ?9 i达到，同时这种抗高强度激光的高反膜反射率要在99.9%以上。 光纤通信设备中用到大量的光无源器件【15,18-20]，光无源器件包括光纤连
, H7 w. T6 G; a5 ~5 g+ e接器、光衰减器、光祸合器、光波分复用器、光隔离器、光开关和光调制器等等。; u7 _) Q* C: ]7 U2 y/ D" @; ]
而这些器件中有很多相关部件与薄膜有关。下面简单介绍光纤连接器、光波分复5 F, T A$ i+ K- {6 {! e- a. Z
用器和光隔离器:
! R, \# j. K+ y9 x& j+ K- ~) [ (1)光纤连接器:大容量光纤通信对连接器的性能指标要求越来越高，现在常5 u. r9 H1 \/ @: Y
用的连接器插入损耗在0.1 dB-0.5 dB之间，平均值为0.3 dB,随着新技术、新工
6 c9 K6 ^0 g) B/ R8 H0 J; Z) \/ T艺的应用可望降低到O.IdB，大大提高回波损耗。如果采用镀膜工艺在球面上镀0 r$ R; E9 H0 w J
制增透膜，使回波损耗提高到70 dB以上。常见的增透膜材料有Si021 MgF2,
0 ~0 _6 ~1 d% \0 K- BZn02,A1203, Ce02. Ti02和Ta205等。
/ h' a' Q. v% g% o (2)9 ~* m* u" I: q7 a
光波分复用器 (WDM):波分复用是指在一根光纤中同时传输多个不同频率、(波长)的光信号，以增加系统的传输容量。波分复用器在宽带高速光通信系
# ^; d! C: O9 N0 n9 U* F统、接入网、全光网络等领域中被广泛应用。当今广泛应用的WDM器件有干涉' V0 W- v. K8 u4 n+ b/ |0 ]
膜型、辊合型、嵌入式及多波长波分复用器。干涉膜型波分复用器采用了多层介2 d( B( H) ~5 F: k: X; m% o# `7 n3 W
质膜，它们一般制成截止滤波片，或带通涟波片，如1310/1550 rim的波分复用/ L0 N5 T, P; C
器是长波通和带通滤波器。使用超窄带滤波器就可以构成密集型波分复用器
0 B. ^3 g/ X+ Z6 n; [4 d! F) M (DWDM)，复用间隔可小至lnm。其波长随温度变化小于0.004 nm/C0。这些
' J& f: m& H j. P$ D5 n/ ^滤波器需要在衬底上镀制多层膜，多层膜的厚度要精确控制。波分复用滤光片的
- }/ f/ n4 W7 H( E3 ^2 [, X膜系一般采用1/4波长的厚度、多个F-P腔的形式。镀膜的材料采用高低折射率
+ i2 h5 X5 G9 g8 a, G/ b的两种材P -MI: SiO2, Ti024'[I Nb2O5等。: X9 U1 v% ~3 L' O- N" J
(3)光隔离器:光隔离器是一种只允许光线沿光路正向传播的非互易性无源器
2 z/ @& {3 V2 N0 a6 I/ s件，被广泛地应用于激光器、光纤放大器、光纤CATV网、相干光通信、光纤陀; X' N6 ~* S$ l/ I# l% [
螺仪及磁光记录等方面。高质量的在线式偏振光隔离器的典型参数为插入损耗小3 i1 G1 M1 K5 q' {7 J
于0.5 dB，反向隔离度大于50 dB，回波损耗大于50-65 dB。采用的光学元件均要
& _9 U; C1 V1 p使用到镀膜工艺，以增加这些光学元件传输性能，甚至有的元件就是用薄膜制成9 u$ _* g _* M0 x0 n& C V+ I
的，如偏振片、波导型隔离器。1.3.3遥感、航天和卫星应用# N# ?$ x: G: o% H5 _8 N! Y
在遥感技术中，由于光束的波长越长，它受到大气中粒子散射的影响就越小，
* }6 F/ g4 u) k7 O! y4 c4 E为了实现将400-900 nm波长的光波反射，而将900-14000 nn 波长的光波透射，
) \9 r: U8 B' J4 L: g0 _ |% q. v0 b" c y需要使用一块分光棱镜，使得获得的图像更加清晰，所以该分光棱镜是遥感仪的# m: P+ Y! ^9 r
关键元件之一，而分光棱镜也需要镀膜才能实现上述的功能[22].8 a" o+ l3 ?3 e% |/ C
在航天、卫星等空间探测器中，薄膜也是不可缺少的，例如沉积在锗基片4 d4 N* E; p/ {
上的硫化锌红外增透膜，广泛地应用于人造卫星上的红外地球敏感光学系统，其& D7 o/ ]! D/ v" u7 }3 T
工作波长是1416.250 I4 [9 k/ O" [
Wn[231。在最先进的光谱照相机中，薄膜元件也是决定其
6 t4 L* X( @, d3 V; f7 t4 ^ {: K成像质量的光学元件1.3.4国防应用
2 y4 E- [& E) t3 K0 X- O# O 在国防领域.光学薄膜与国防科技的关系颇为密切[24]，光学薄膜会有这
& \1 a" l6 g/ O% Y3 C [2 L样的蓬勃发展是与它在军事上有不可缺少的需要密切相关的。如防反射膜，它增
/ u1 N/ Y+ k* i0 U' L# E加了光学组件的透射率，使双筒望远镜能看得更清楚，使进入侦测器的光信号强7 [0 d, C4 K( y# q% B- h8 Z
度增加。这在红外线光学系统中表现得更为明显.而金属反射膜，它使反射式望4 x9 f; I. t! H3 W g; A( l
远镜变得非常易行有用;它能改变光的路径，如潜望镜，它使在隐藏中观测敌情
, G0 q# M: y0 u% z) T7 Z2 E变成非常简单.第二次世界大战后，山于导弹的开发，各种光网及红外滤光薄膜
; d- ?% @0 B1 e5 u的研制变得非常重要，待激光发明后，军事上对光学薄膜的需求更是有增无减，) D' A# t4 [8 [4 P
而且品质要求更高，种类也更多.例如:在光纤制导的导弹中用到的摄像机的镜3 M. U8 k0 v4 C
头、光纤的连接器件以及在利用惯性导航的导弹中的光纤陀螺仪都离不开薄膜技
5 @% x0 J* O8 H/ j$ C1 k, m术〔251. |
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窥视卡
雷达卡
发表于 2007-4-6 03:09:05
提升卡
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发表于 2007-4-6 23:59:35
