Principe caractéristique et classification des couches minces optiques

Avec le développement de la science et de la technologie et la mondialisation économique, les êtres humains d'aujourd'hui sont entrés dans la société de l'économie du savoir et de la société de l'information. Et avec le développement de "Made in China", la fabrication optique est en hausse sur les terres de Chine continentale et son développement est extrêmement rapide. La fabrication d'optiques en Chine a commencé à jouer un rôle important sur la scène économique internationale, et la production de verre optique et de pièces d'optique en Chine s'est presque classée au premier rang. Un film optique est une ou plusieurs couches de film plaquées sur la surface de pièces optiques en modifiant les caractéristiques de surface des pièces optiques. Il peut s'agir d'un film métallique, d'un film diélectrique ou d'une combinaison de ces deux types de films. Le film mince optique est un élément indispensable de tous les types de technologie photoélectrique avancée. Il peut non seulement améliorer les performances du système, mais est également un moyen nécessaire pour atteindre l'objectif de conception, le domaine d'application des couches minces optiques et tous les aspects du système optique, notamment le système laser, la communication optique, l'affichage optique, le stockage optique, etc. Les principaux dispositifs optiques à couche mince comprennent les films réfléchissants, les films antireflet, les films polarisants, les filtres d'interférence et les spectroscopes, etc. Ils ont été largement utilisés dans les domaines de l'économie nationale et de la défense nationale et ont attiré de plus en plus l'attention des scientifiques et des techniciens.
À l'heure actuelle, il existe plus de 60 types de variétés courantes de matériaux de revêtement optiques, et leurs variétés et leurs fonctions d'application sont en constante évolution. Ces dernières années, il s’est développé en système de film métallique, lorsque l’épaisseur de l’or, de l’argent, du cuivre et de l’aluminium est de 7 ~. A 20 h, sa transmittance à la lumière visible est de 50%, tandis que celle de la lumière infrarouge est inférieure à 10%. Ce type de film mince a été appliqué avec succès sur le panneau du vaisseau spatial Apollo pour transmettre une partie de la lumière visible, et presque toute la lumière infrarouge est réfléchie pour le contrôle thermique. L'article suivant introduit principalement le principe caractéristique et la classification des couches minces optiques.
I. Définition du film optique
Le film optique est un type de matériau de support optique composé d'un support en couche mince et propageant le faisceau lumineux à travers l'interface. L’application du film optique a commencé dans les années 1930. Le film optique a été largement utilisé dans le domaine de l’optique et de la technologie des photoélectrons, dans la fabrication de divers instruments optiques. La bande de préparation nécessite des parties hautes et fines.
La définition du film optique est la suivante: couche mince et uniforme de film diélectrique attachée à la surface du dispositif optique lors du processus de propagation de la lumière, réflexion, pénétration (pliage) lors du passage dans la couche de film diélectrique en couches), telles que l'émission et la polarisation, de manière à obtenir les formes spéciales de lumière souhaitées dans une ou plusieurs bandes de fréquences, telles que la totalité de la lumière qui traverse ou toute la réflexion de la lumière ou la séparation de polarisation.
Les films optiques sont omniprésents dans notre vie, des équipements de précision et optiques aux équipements d’affichage, en passant par l’application du film optique au quotidien; par exemple, les lunettes, les appareils photo numériques, tous les types d’appareils électroménagers portés à l’époque, ou la technologie anti-contrefaçon sur les billets de banque peuvent être appelées l’extension de l’application de la technologie des films optiques. Sans la technologie du film mince optique en tant que base du développement, la technologie moderne du photoélectrique, de la communication ou du laser ne progressera pas, ce qui montre également l’importance de la recherche-développement sur la technologie du film mince optique.
Le film optique désigne le revêtement ou le revêtement d’une ou de plusieurs couches de film diélectrique ou de film métallique ou la combinaison de ces deux types de films sur des éléments optiques ou des substrats indépendants pour modifier les caractéristiques de transmission des ondes lumineuses, notamment la transmission, la réflexion, l’absorption. , diffusion, polarisation et changement de phase de la lumière. Par conséquent, grâce à une conception appropriée, la perméabilité et la réflectivité de la surface des éléments dans différentes bandes de fréquences peuvent être ajustées et la lumière dans différents plans de polarisation peut également présenter des caractéristiques différentes.
De manière générale, les modes de production des films minces optiques sont principalement divisés en processus à sec et en processus humide. Le type dit sec signifie qu'aucun liquide n'apparaît dans l'ensemble du processus de traitement. Par exemple, l’évaporation sous vide consiste à chauffer des matières premières solides avec de l’énergie électrique dans un environnement sous vide. Après la sublimation en gaz, elles sont fixées à la surface d’un matériau de base solide pour compléter le processus de revêtement. Le film d’emballage de décoration en or, en argent ou en métal que l’on voit au quotidien est un produit fabriqué par revêtement à sec. Toutefois, compte tenu de la production de masse réelle, la plage d'application du revêtement sec est inférieure à celle du revêtement humide. La méthode générale de revêtement par voie humide consiste à mélanger des composants ayant diverses fonctions dans un revêtement liquide et à les appliquer sur le matériau de base selon différentes méthodes de traitement, puis à sécher et à solidifier le revêtement liquide pour obtenir le produit.
II. Principe de l'interférence de film mince
1. La fluctuation de la lumière
En 1860, le physicien américain Maxwell développa la théorie électromagnétique, soulignant que la lumière était une sorte d’onde électromagnétique, ce qui la poussait à se développer à un niveau parfait.
Selon la dualité de lumière Bo Li, la lumière est la même chose que les ondes radio, les rayons X,? Les rayons sont des ondes électromagnétiques, mais leurs fréquences sont différentes. La relation entre la longueur d'onde λ, la fréquence u et le taux de propagation V de l'onde électromagnétique est la suivante:
V = λ u
La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques de différentes fréquences dans le vide étant identique en Allemagne, la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de fréquences différentes est également différente. La longueur d'onde à haute fréquence est courte, tandis que la longueur d'onde à basse fréquence est longue. Pour faciliter la comparaison, en fonction des ondes radio, des rayons infrarouges, de la lumière visible, des rayons ultraviolets, des rayons X et? La longueur d'onde (ou fréquence) des rayons, etc., les arrange en un spectre en séquence, appelé spectre électromagnétique.
Dans le spectre électromagnétique, les ondes radio ont la plus grande longueur d’onde, qui peut être divisée en onde longue, moyenne, courte, ultra-courte, micro-ondes, etc. Le second est le rayon infrarouge, le rayon visible et le rayon ultraviolet, appelés collectivement rayonnement lumineux. Parmi toutes les ondes électromagnétiques, seule la lumière visible peut être vue par les yeux humains. La longueur d'onde de la lumière visible est d'environ 0,76 µm à 0,40 µm, ce qui ne représente qu'une petite partie du spectre électromagnétique. La seconde est la radiographie. L'onde électromagnétique dont la longueur d'onde est la plus courte est y Ray.
Puisque la lumière est une sorte d’onde électromagnétique, elle devrait montrer ses caractéristiques lors du processus de propagation-interférence, de diffraction, de polarisation et d’autres phénomènes.
2. Interférence de film mince
Le film peut être un solide transparent, liquide ou une fine couche de gaz bloquée par deux morceaux de verre. Le premier faisceau de lumière est réfléchi par la surface supérieure du film, la lumière réfractée est réfléchie par la surface inférieure du film et le second faisceau est réfléchi par la surface supérieure. Les deux faisceaux sont du même côté du film, séparés de la même vibration incidente, il s’agit d’une lumière cohérente et appartient à l’interférence d’amplitude. Si la source de lumière est une source de lumière étendue (source de lumière de surface), des interférences ne peuvent être observées que dans la zone de chevauchement spécifique des faisceaux secs biphasés. Elle appartient donc à une interférence localisée. Pour les films plans dont les deux surfaces sont parallèles, la frange d'interférence est située à l'infini, ce qui est généralement observé dans le plan focal de l'image au moyen d'une lentille convergente; pour les films en forme de coin, la localisation des franges d’interférence est proche du film.
Les expériences et les théories ont prouvé que des bandes d'interférence ne peuvent être générées que lorsque deux colonnes d'ondes lumineuses ont une certaine relation. Ces relations sont appelées conditions cohérentes. Les conditions sèches du film mince comprennent trois points: la fréquence des deux ondes lumineuses est la même; la direction de la vibration des deux ondes lumineuses est la même; la différence de phase entre les deux ondes lumineuses reste constante.
La formule de différence de chemin optique de la lumière sèche à deux phases gênée par le film mince est la suivante:
δ = ntcos (α) ± λ / 2
Dans la formule, n est l'indice de réfraction du film; t est l'épaisseur du film au point incident; α est l'angle de réfraction dans le film; λ / 2 est dû au fait que deux faisceaux de lumière cohérente se trouvent à deux interfaces avec des propriétés différentes (l’un est de densité optique à moyenne densité, l’autre est de densité optique à moyenne densité), une différence de chemin optique supplémentaire provoquée par la réflexion supérieure. Le principe d'interférence de film mince est largement utilisé pour l'inspection de la surface optique, la mesure précise d'un angle ou d'une linéarité minuscule, la préparation d'un film antireflet et d'un filtre d'interférence, etc.
La lumière est émise par le changement d'état de mouvement de l'atome ou de la molécule d'origine dans la source de lumière. L'onde lumineuse émise par chaque atome ou molécule n'est qu'une colonne courte, la durée est d'environ 1 milliard de secondes. Pour deux sources lumineuses indépendantes, il n'est pas facile de remplir les trois conditions d'interférence, telles qu'une même phase ou une différence de phase constante sur des marchés particuliers. Par conséquent, deux sources lumineuses générales indépendantes ne peuvent pas former une source lumineuse cohérente. De plus, même la lumière émise par différentes parties de la même source de lumière n'interférera généralement pas, car elles sont émises par des atomes ou des molécules différents.
3. Classification caractéristique du film optique
Les principaux dispositifs optiques à couche mince comprennent un film réfléchissant, un film antireflet, un film de polarisation, un filtre interférentiel, un spectroscope, etc., qui sont largement utilisés dans l'économie nationale et la construction de défense nationale. Ils suscitent de plus en plus l'attention des scientifiques et des techniciens. Par exemple, l'utilisation d'un film antireflet peut réduire de dix fois la perte de flux lumineux d'une lentille optique complexe; l'utilisation d'un miroir à rapport de film à réflexion élevée peut doubler la puissance de sortie du laser; L'utilisation d'un film mince optique peut améliorer l'efficacité et la stabilité de la batterie au silicium.
Le modèle de film optique le plus simple est une couche de film diélectrique uniforme à surface lisse et à surface isotrope. Dans ce cas, les propriétés optiques des couches minces optiques peuvent être étudiées par la théorie de l'interférence de la lumière. Lorsqu'une onde plane de lumière monochromatique est incidente sur le film optique, celle-ci sera réfléchie et réfractée plusieurs fois sur ses deux surfaces. Les directions de la lumière réfléchie et de la lumière réfractée sont données par la loi de réflexion et de réfraction, l'amplitude de la lumière réfléchie est déterminée par la formule de Fresnel.
Les films optiques peuvent être divisés: film réfléchissant, film antireflet / antireflet, filtre, film polariseur / polariseur, film de compensation / plaque de différence de phase, film d'alignement, film de diffusion / film, film éclaircissant / prisme / condensateur, film d'ombrage / noir et colle blanche, etc. Les dérivés associés incluent les films de protection optiques, les films pour fenêtres, etc.
Les caractéristiques du film optique sont les suivantes: la surface est lisse et l'interface entre les couches du film présente une segmentation géométrique; l'indice de réfraction de la couche de film peut sauter sur l'interface, mais il est continu dans la couche de film; il peut s'agir d'un support transparent, il peut également s'agir d'un support d'absorption; il peut être normal uniforme ou normal inégal. Le film appliqué est beaucoup plus compliqué que le film idéal. En effet, lors de la préparation, les propriétés optiques et physiques du film s'écartent du matériau en vrac et la surface et l'interface sont rugueuses, ce qui conduit à la réflexion diffuse du faisceau lumineux. la pénétration mutuelle entre les couches de film constitue l'interface de diffusion; En raison de la croissance, de la structure, des contraintes et d’autres raisons liées à la couche de film, toutes sortes d’hétérogénéités du film se forment; la couche de film a un effet de temps complexe.
Un film réfléchissant peut généralement être divisé en deux types, l’un est un film réfléchissant en métal et l’autre est un film réfléchissant entièrement diélectrique. De plus, il existe un film réflecteur diélectrique en métal combinant les deux, dont la fonction est d’augmenter la réflectivité de la surface optique.
En général, les métaux ont un coefficient d'extinction relativement élevé. Lorsque le faisceau lumineux tombe de l'air sur la surface métallique, l'amplitude de la lumière pénétrant dans le métal décroît rapidement, ce qui entraîne une diminution correspondante de l'énergie lumineuse pénétrant dans le métal et une augmentation de l'énergie lumineuse réfléchie. Plus le coefficient d'extinction est élevé, plus l'amplitude de la lumière diminue rapidement. Moins l'énergie lumineuse pénètre dans le métal, plus la réflectivité est élevée. Les gens choisissent toujours des métaux avec un coefficient d'extinction élevé et des propriétés optiques stables en tant que matériaux de film métallique. Le matériau mince en métal couramment utilisé dans la région ultraviolette est l'aluminium, l'aluminium et l'argent étant couramment utilisés dans la région visible, et l'or, l'argent et le cuivre étant couramment utilisés dans la région infrarouge. De plus, le chrome et le platine sont souvent utilisés comme matériaux de membrane pour certains films spéciaux. L'aluminium, l'argent, le cuivre et d'autres matériaux pouvant s'oxyder facilement dans l'air et réduisant leurs performances, ils doivent être protégés par une membrane diélectrique électrique. Les matériaux de film protecteur couramment utilisés comprennent l'oxyde de silicium, le fluorure de magnésium, le dioxyde de silicium, l'oxyde d'aluminium, etc.
L'avantage du film réfléchissant les métaux est que le processus de préparation est simple et que la plage de longueurs d'onde de travail est large; L'inconvénient est que la perte de lumière est importante et que la réflectivité ne peut pas être très élevée. Afin d'améliorer davantage la réflectivité du film réfléchissant métallique, plusieurs couches de couche diélectrique d'une certaine épaisseur peuvent être plaquées sur l'extérieur du film pour former le film réfléchissant diélectrique métallique. Il convient de noter que le film de métal diélectrique augmente la réflectivité d'une certaine longueur d'onde (ou d'une certaine région d'onde), mais détruit la caractéristique de réflexion neutre du film de métal.