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光学薄膜的基本原理介绍

更新日期:2007-08-18  作者:  来源:光学精密机械网(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

光學工業除了鏡片的研磨,系統之設計以外,有一項科技是發展高級光學儀器所不可缺的,就是光學薄膜的蒸鍍技術。何謂光學薄膜,就是在鏡片上鑲上一層或多層非常薄的特殊材料,使鏡片能達到某種特定的光學效果。我們所常見的太陽眼鏡,抗反射鏡片就是一個光學薄膜在日常生活上最簡單的應用 。其他如各種反射鏡、濾光鏡、各式鏡頭及雷射鏡片,都要用到光學薄膜這一項技術。

光學薄膜的基本原理是利用光線的干涉效應,當光線入射於不同折射係數物質所鍍成的薄膜,產生某種特殊光學特性。光學薄膜就其所鍍材料之不同,大體可分為金屬膜和非金屬膜。金屬膜:主要是作為反射鏡和半反射鏡用。在各種平面或曲面反射鏡,或各式稜鏡等,都可依所需鍍上Al、Ag、Au、Cu等 各種不同的材料。不同的材料在光譜上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可見光、近紅外光有良好的反射率,是鍍反射鏡最常使用的材料之一。Ag膜在可見光和近紅外光部份的反射率比AI膜更高,但因其易氧化而失去光澤,只能短暫的維持高反射率,所以只能用在內層反射用,或另加保護膜。非金屬膜:用途非常廣泛,例如抗反射鏡片.單一波長濾光片、長或短波長通過濾光片、熱光鏡、冷光鏡、各種雷射鏡片等,都是利用多種不同的非金屬材料,蒸鍍在研磨好之鏡盃上,層數由單層到數十、百層不等,視需要的不同,而有不同的設計和方法。目前這些薄膜中被應用得最廣泛,最商業化,也是一般人接觸到最多的,就是抗反射膜。例如眼鏡、照相機鏡頭、顯微鏡等等都是在鏡片上鍍抗反射膜。因為若是不加以抗反射無法得到清晰明亮的影像了,因此如何增加其透射光線就是一個非常重要的課題。

利用光波干涉原理,在鏡片的表面鍍上一層薄膜,厚度為1/4 波長的光學厚度,使光線不再只被玻璃─空氣界面反射,而是空氣─薄膜薄膜─玻璃二個界面反射,因此產生干涉現象,可使反射光減少。若鍍二層的抗反射膜,使反射率更低,但是鍍一層或二層都有缺點:低反射率的波帶不移寬,不能在可見光範圍都達到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen三位首先發表以1/4一1/2一1/4波長光學厚度作三層抗反射膜可以得到寬波帶低反射率的抗反射膜。多層抗反射膜除了寬波帶的,也可做到窄波帶的。也就是針對其一波長如氨氟雷射632.8nm波長,要求極高的透射,可使63Z.8nm這一波長透射率高達99.8%以上,用之於雷射儀器。但若需要對某一波長的光線有看極高的反射率需要用高低不同折射係數的材料反覆蒸鍍數十層才可達到此效果。  

光學薄膜的製造是以真空蒸鍍方式製作,大體可分為三種方式:熱電阻式、電子槍式和濺射方式。最普通的方式為熱電阻式,是將蒸鍍材料在真空蒸鍍機內置於電阻絲或片上,在高真空的情況下,加熱使材料成為蒸氣,直接鍍於鏡片上。由於有許多高熔點的材料,不易使用此種方式使之熔化、蒸鍍。而以電子槍改進此缺點,其方法是以高壓電子束直接打擊材料,由於能量集中可以蒸鍍高熔點的材料。另一方式為濺射方式,是以高壓使惰性氣體離子化,打擊材料使之直接濺射至鏡片,以此方式所作薄漠的附著力最好。

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