עיקרון מאפיין ומיון של סרטים דקים אופטיים

עם התפתחות המדע והטכנולוגיה והגלובליזציה הכלכלית, בני האדם של ימינו נכנסו לחברת כלכלת הידע ולחברת המידע. ועם פיתוחה של "תוצרת סין", ייצור אופטי נמצא בעלייה בארץ סין היבשתית, והתפתחותו מהירה ביותר. הייצור האופטי של סין החל למלא תפקיד חשוב בזירה הכלכלית הבינלאומית, והתפוקה של זכוכית אופטית וחלקים אופטיים בסין כבר כמעט במקום הראשון. סרט אופטי הוא שכבה אחת או יותר של סרט מצופה על פני חלקים אופטיים על ידי שינוי מאפייני השטח של חלקים אופטיים. זה יכול להיות סרט מתכת, סרט דיאלקטרי או שילוב של שני סוגים אלה של סרטים. סרט דק אופטי הוא חלק בלתי נפרד מכל סוגי הטכנולוגיות הפוטואלקטריות המתקדמות. זה לא יכול רק לשפר את ביצועי המערכת, אלא גם הוא אמצעי הכרחי כדי לעמוד ביעד התכנון, שדה היישום של סרט דק אופטי וכל ההיבטים של מערכת אופטית, כולל מערכת לייזר, תקשורת אופטית, תצוגה אופטית, אחסון אופטי וכו '. מכשירי הקולנוע האופטי העיקריים כוללים סרט רפלקטיבי, סרט נגד כריתה, סרט קיטוב, פילטר הפרעות וספקטרוסקופ וכו '. הם נמצאו בשימוש נרחב בכלכלה לאומית ובניית הביטחון הלאומי, וזכו לתשומת לב הולכת וגוברת מצד עובדים מדעיים וטכניים.
נכון לעכשיו ישנם יותר מ -60 סוגים של סוגים נפוצים של חומרי ציפוי אופטי, והזנים שלהם ופונקציות היישום שלהם עדיין מפותחים ברציפות. בשנים האחרונות היא התפתחה למערכת סרטי מתכת, כאשר עובי הזהב, הכסף, הנחושת והאלומיניום הוא 7 ~ בגיל 20um, העברתם לאור הנראה היא 50%, ואילו עובי האור האינפרא אדום הוא פחות מ -10%. סרט דק מסוג זה הוחל בהצלחה בלוח החללית של אפולו כדי להעביר חלק מאור גלוי, וכמעט כל האור האינפרא אדום משתקף לבקרה תרמית. המאמר שלהלן מציג בעיקר את העיקרון האופייני והמיון של סרטים דקים אופטיים.
I. הגדרת סרט אופטי
סרט אופטי הוא סוג של חומר בינוני אופטי המורכב מתווך שכבה דק ומפיץ קרן אור דרך הממשק. היישום של סרט אופטי החל בשנות השלושים של המאה העשרים. סרט אופטי נעשה שימוש נרחב בתחום האופטיקה וטכנולוגיית הפוטואלקטרון, בייצור מכשירים אופטיים שונים. רצועת ההכנה דורשת חלקים גבוהים ועדינים.
ההגדרה של סרט אופטי היא: שכבת הסרט הדיאלקטרית הדקה ואפילו המחוברת לפני השטח של המכשיר האופטי בתהליך מסלול התפשטות האור, ההשתקפות, החדירה (הקיפול) כאשר עוברים בשכבת הסרט הדיאלקטרי שכבתית) מאפיינים כמו פליטה וקיטוב, על מנת להשיג את צורות האור המיוחדות שאנו רוצים בפס גל אחד או יותר, כמו כל האור העובר או כל השתקפות האור או הפרדת הקיטוב.
סרט אופטי נמצא בכל מקום בחיינו, החל מציוד דיוק ואופטי, ציוד תצוגה ועד ליישום של סרט אופטי בחיי היומיום; לדוגמה, משקפיים, מצלמות דיגיטליות, כל מיני מכשירי חשמל ביתיים שנלבשים בתקופות רגילות, או טכנולוגיית ההונאה בזיופים על שטרות, ניתן לכנות הרחבה של היישום של טכנולוגיית סרטים אופטיים. ללא טכנולוגיית סרטי דק אופטי כבסיס להתפתחות, טכנולוגיית הפוטואלקטריים המודרנית, התקשורת או הלייזר לא תקדמה, מה שמראה גם את חשיבות המחקר והפיתוח של טכנולוגיית הסרטים הדקים האופטי.
סרט אופטי מתייחס לציפוי או ציפוי של שכבה אחת או יותר של סרט דיאלקטרי או סרט מתכת או שילוב של שני סוגים אלה של סרטים על אלמנטים אופטיים או מצעים עצמאיים כדי לשנות את מאפייני השידור של גלי אור, כולל העברת, השתקפות, ספיגה פיזור, קיטוב ושינוי אור שלב. לפיכך, באמצעות תכנון נכון, ניתן לכוונן את החדירות וההשתקפות של פני השטח של אלמנטים ברצועות גל שונות, והאור במישורי קיטוב שונים יכול גם להיות בעל מאפיינים שונים.
באופן כללי, מצבי ההפקה של סרטי דק אופטי מחולקים בעיקר לתהליך יבש ותהליך רטוב. מה שנקרא סוג יבש פירושו שלא מופיע נוזלים בתהליך העיבוד כולו. לדוגמא, אידוי ואקום הוא חימום של חומרי גלם מוצקים עם אנרגיה חשמלית בסביבת ואקום, לאחר הסובלימציה לגז הוא מחובר אל פני השטח של חומר בסיס מוצק להשלמת תהליך הציפוי. סרט האריזה מזהב, כסף או מתכתי לקישוט שנראה בחיי היומיום הוא מוצר המיוצר על ידי ציפוי יבש. עם זאת, בהתחשב בייצור המוני בפועל, טווח היישום של הציפוי היבש קטן מזה של הציפוי הרטוב. השיטה הכללית של ציפוי רטוב היא לערבב רכיבים עם פונקציות שונות לציפוי נוזלי, ולהחיל אותם על חומר הבסיס בשיטות עיבוד שונות, ואז לייבש ולהיצק את הציפוי הנוזלי לייצור המוצר.
ב. עקרון התערבות הסרט הדק
1. תנודת האור
בשנת 1860, פיסיקאי אמריקני מקסוול פיתח את התיאוריה האלקטרומגנטית והצביע כי האור הוא סוג של גל אלקטרומגנטי, מה שגורם לתורת הגלים להתפתח לרמה מושלמת.
לפי הדואליות של בו לי, האור זהה לגלי רדיו, צילומי רנטגן,? קרניים הן גלים אלקטרומגנטיים, אך התדרים שלהם שונים. הקשר בין אורך הגל λ, תדר u וקצב ההתפשטות V של הגל האלקטרומגנטי הוא כדלקמן:
V = λ u
מכיוון שמהירות ההתפשטות של גלים אלקטרומגנטיים של תדרים שונים בוואקום שווה בגרמניה, אורך הגל של הגלים האלקטרומגנטיים עם תדרים שונים שונה גם הוא. אורך הגל עם התדר הגבוה הוא קצר, ואילו אורך הגל עם התדר הנמוך הוא ארוך. לנוחות ההשוואה, על פי גל הרדיו, קרן אינפרא אדום, אור גלוי, קרן אולטרה סגולה, רנטגן ו? אורך הגל (או התדר) של קרניים וכו ', מסדרים אותם לספקטרום ברצף, הנקרא ספקטרום אלקטרומגנטי.
בספקטרום האלקטרומגנטי, גלי הרדיו הם בעלי אורך הגל הארוך ביותר, אותם ניתן לחלק לגלים ארוכים, גל בינוני, גל קצר, גל ultrashort, מיקרוגל וכן הלאה. השנייה היא קרן אינפרא אדום, קרן גלויה וקרינה אולטרה סגולה, הנקראות ביחד קרינת אור. מבין כל הגלים האלקטרומגנטיים ניתן לראות עיניים אנושיות רק אור גלוי. אורך הגל של האור הנראה הוא בערך 0.76 מיקרון עד 0.40 מיקרון, המהווה רק חלק קטן מהספקטרום האלקטרומגנטי. השני הוא רנטגן. הגל האלקטרומגנטי עם אורך הגל הקצר ביותר הוא y Ray.
מכיוון שאור הוא סוג של גל אלקטרומגנטי, עליו להציג את מאפייניו בתהליך התפשטות - הפרעה, דיפרקציה, קיטוב ותופעות אחרות.
2. הפרעות בסרט דק
הסרט יכול להיות מוצק, נוזלי שקוף או שכבה דקה של גז מהודק על ידי שתי חתיכות זכוכית. קרן האור הראשונה משתקפת על ידי המשטח העליון של הסרט, האור השבור משתקף על ידי המשטח התחתון של הסרט, והקרן השנייה משתקפת על ידי המשטח העליון. שתי הקורות נמצאות באותו צד של הסרט, מופרדות מאותו רטט אירוע, זה אור קוהרנטי ושייך להפרעות משרעת. אם מקור האור הוא מקור אור מורחב (מקור אור פני השטח), ניתן להבחין בהפרעה רק באזור החפיפה הספציפי של קורות יבשות דו-פאזיות, כך שהוא שייך להפרעה מקומית. עבור הסרטים המישוריים ששני המשטחים שלהם מקבילים זה לזה, שולי ההפרעה ממוקמים באינסוף, הנצפה בדרך כלל במישור המוקד של התמונה באמצעות עדשה מתכנסת; עבור סרטים בצורת טריז, לוקליזציה של שוליים להפרעות נמצאת בסמוך לסרט.
ניסויים וגם תיאוריות הוכיחו שרק כאשר שני עמודים של גלי אור מקיימים קשר מסוים, ניתן ליצור פסי הפרעה. קשרים אלה נקראים תנאים קוהרנטיים. התנאים היבשים של הסרט הדק כוללים שלוש נקודות: התדירות של שני גלי האור זהה; כיוון הרטט של שני גלי האור זהה; הפרש השלבים בין שני גלי האור נשאר קבוע.
הנוסחה להבדל בין נתיבים אופטיים של האור היבש הדו-פאזי שהופעה על ידי הסרט הדק היא:
δ = ntcos (α) ± λ / 2
בנוסחה, n הוא אינדקס השבירה של הסרט; t הוא עובי הסרט בנקודת האירוע; α הוא זווית השבירה בסרט; λ / 2 נובע מכך ששתי קרני אור קוהרנטיות נמצאות בשני ממשקים עם תכונות שונות (האחת בינונית בצפיפות אופטית למדיום בצפיפות אופטית, והשניה בינונית בצפיפות אופטית למדיום בצפיפות אופטית) הפרש נתיב אופטי נוסף הנגרם על ידי השתקפות עליונה. העיקרון של הפרעות בסרט דק נמצא בשימוש נרחב בבדיקה של משטח אופטי, מדידה מדויקת של זווית זעירה או ליניאריות, הכנת סרט נגד כיוון ומסנן הפרעות וכו '.
האור מוקרן על ידי שינוי מצב התנועה של האטום או המולקולה המקוריים במקור האור. גל האור הנפלט על ידי כל אטום או מולקולה הוא רק עמוד קצר, משך הזמן הוא כמיליארד שניות. עבור שני מקורות אור עצמאיים, לא קל לעמוד בשלושת תנאי ההפרעה, כמו אותו שלב או הפרש פאזות קבוע בשווקים מיוחדים, לכן שני מקורות אור כלליים עצמאיים אינם יכולים ליצור מקור אור קוהרנטי. יתר על כן, אפילו האור הנפלט מחלקים שונים מאותו מקור אור לא יפריע בדרך כלל מכיוון שהם נפלטים על ידי אטומים או מולקולות שונות.
3. סיווג מאפיין של סרטים אופטיים
מכשירי הסרט הדק האופטי העיקריים כוללים סרט רפלקטיבי, סרט נגד כריתה, סרט קיטוב, פילטר הפרעות, ספקטרוסקופ וכן הלאה, הנמצאים בשימוש נרחב בכלכלה לאומית ובנייה בביטחון לאומי, זה זכה לתשומת לב הולכת וגוברת מצד עובדים מדעיים וטכניים. לדוגמה, שימוש בסרט נגד כריתה יכול להפחית את איבוד השטף הזוהר של עדשה אופטית מורכבת פי עשרה; השימוש במראה יחס יחס סרט גבוהה יכול להכפיל את כוח הפלט של לייזר; שימוש בסרט דק אופטי יכול לשפר את היעילות והיציבות של סוללת הסיליקון.
המודל הקולנוע הפשוט ביותר הוא שכבת סרט דיאלקטרית אחידה עם משטח חלק ומשטח איזוטרופי. במקרה זה, ניתן ללמוד את התכונות האופטיות של סרטים דקים אופטיים על ידי תיאוריית ההפרעות לאור. כאשר גל מטוס של אור מונוכרומטי מתרחש על הסרט האופטי, הוא ישתקף וישבר אותו מספר פעמים בשני משטחו. כיווני האור המוחזר והאור השבועים ניתנים על ידי חוק ההשתקפות והשבירה, משרעת האור המוחזר נקבעת על ידי נוסחת פרנל.
ניתן לחלק סרטים אופטיים: סרט רפלקטיבי, סרט אנטי-הרה / סרט נגד כיוון, פילטר, מקטב / סרט מקטב, סרט פיצוי / צלחת הבדל שלב, סרט יישור, סרט דיפוזיה / סרט, סרט התבהרות / עדשה מנסרת / מעבה, סרט הצללה / שחור ושחור דבק לבן וכו '. נגזרים קשורים כוללים סרט מגן אופטי, סרט חלון וכו'.
המאפיינים של הסרט האופטי הם: פני השטח חלקים, והממשק בין שכבות הסרט מציג פילוח גיאומטרי; אינדקס השבירה של שכבת הסרט יכול לקפוץ על הממשק, אך הוא רציף בשכבת הסרט; זה יכול להיות בינוני שקוף, זה יכול להיות גם אמצעי קליטה; זה יכול להיות אחיד רגיל או רגיל לא אחיד. הסרט המיושם הרבה יותר מסובך מהסרט האידיאלי. הסיבה לכך היא: במהלך ההכנה התכונות האופטיות והפיזיות של הסרט סוטות מחומר התפזורת, והמשטח והממשק מחוספסים, מה שמוביל לשיקוף המפוזר של קרן האור; החדירה ההדדית בין שכבות הסרט מהווה את ממשק הדיפוזיה; בגלל הצמיחה, המבנה, הלחץ וסיבות אחרות של שכבת הסרט, נוצרים כל מיני הטרוגניות של הסרט; לשכבת הסרט יש אפקט זמן מורכב.
בדרך כלל ניתן לחלק סרט רעיוני לשני סוגים, האחד הוא סרט רפלקטיבי מתכת והשני הוא סרט רפלקטיבי דיאלקטרי. בנוסף, ישנו סרט רפלקטיבי דיאלקטרי מתכתי המשלב בין השניים, שתפקידו להגדיל את ההשתקפות של המשטח האופטי.
באופן כללי, למתכות מקדם הכחדה גדול יחסית. כאשר קרן האור נקרתה על משטח המתכת מהאוויר, משרעת האור הנכנסת למתכת מתפוררת במהירות, מה שגורם לכך שאנרגיית האור הנכנסת למתכת יורדת בהתאמה, ואילו אנרגיית האור המשתקפת גדלה. ככל שמקדם ההכחדה גבוה יותר כך משרעת האור מתפרקת במהירות רבה יותר. ככל שפחות אנרגיית האור נכנסת למתכת, כך המשקף גבוה יותר. אנשים תמיד בוחרים מתכות בעלות מקדם הכחדה גדול ותכונות אופטיות יציבות כחומרי סרטי מתכת. החומר הדק המתכתי המשמש בדרך כלל באזור האולטרה סגול הוא אלומיניום, האלומיניום והכסף משמשים בדרך כלל באזור הנראה, וזהב, כסף ונחושת משמשים בדרך כלל באזור האינפרא אדום. בנוסף, כרום ופלטינה משמשים לעתים קרובות גם כחומרי קרום לכמה סרטים מיוחדים. מכיוון שקל מאוד לחמצן באלומיניום, כסף, נחושת וחומרים אחרים באוויר ומפחית את ביצועיהם, עליהם להיות מוגנים על ידי קרום דיאלקטרי חשמלי. חומרי סרטי מגן נפוצים משמשים תחמוצת סיליקון, מגנזיום פלואוריד, דו תחמוצת סיליקון, תחמוצת אלומיניום וכו '.
היתרון של הסרט המשקף המתכתי הוא שתהליך ההכנה הוא פשוט וטווח אורך גל העבודה הוא רחב; החיסרון הוא שאובדן האור הוא גדול וההשתקפות לא יכולה להיות גבוהה מאוד. על מנת לשפר עוד יותר את ההשתקפות של הסרט המשקף המתכתי, ניתן לצבוע בחלקים החיצוניים של הסרט כמה שכבות של שכבה דיאלקטרית בעובי מסוים כדי ליצור את הסרט המשקף הדיאלקטרי המתכתי. יש לציין כי הסרט הדיאלקטרי המתכתי מגדיל את ההשתקפות של אורך גל מסוים (או אזור גלים מסוים), אך משמיד את המאפיין של השתקפות ניטרלית של סרט המתכת.