淺談增透膜的原理與制備
淺談增透膜的原理與制備
需要增透減反技術(shù)可以聯(lián)系我們上海工廠18917106313
上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。
關(guān)于增透膜
光學(xué)鍍膜用于增強(qiáng)光學(xué)組件的透射、反射或偏振特性。光學(xué)薄膜根據(jù)不同性質(zhì)及用途，分類的方式也不同，如圖1所示。增透膜又稱減反射膜，用于降低光學(xué)器件表面的反射率，從而提高器件的透射率，作為發(fā)展歷史*久、應(yīng)用*廣的光學(xué)薄膜，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。在復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)中，鏡片數(shù)目眾多，若在與空氣相鄰的表面未鍍制增透膜，導(dǎo)致光能量的損失，降低成像亮度。另外鏡片表面因反射形成的雜散光到達(dá)像面，影響了成像質(zhì)量。
圖1：光學(xué)薄膜用途【1】
隨著應(yīng)用需求的不斷提升，增透膜的要求隨之越來越高，例如在大功率激光系統(tǒng)中，為避免高能量激光破壞光學(xué)元件，要求表面的反射率極低。在寬波段探測(cè)系統(tǒng)中，為達(dá)到提高像平衡、成像質(zhì)量、探測(cè)距離的要求，更寬波段的增透膜需求廣泛。寬帶增透膜(Broadband Anti-Reflection Coating)廣泛應(yīng)用于光學(xué)元件，如透鏡、濾光器、激光器和太陽能電池板等。
增透膜原理
增透膜指根據(jù)薄膜干涉原理制成的使反射光減弱的透明薄膜。當(dāng)光射到媒質(zhì)的分界面上時(shí),在一般情況下，反射光和折射光同時(shí)存在。理論研究指出，在垂直人射的情況下,單層膜的反射率為:
其中n1為膜的折射率，n0和ns分別為膜兩側(cè)媒質(zhì)折射率，d為膜的厚度。
當(dāng)膜的光學(xué)厚度為λ0/4的奇數(shù)倍時(shí)，帶入公式計(jì)算。此時(shí)光垂直入射于膜上，膜上表面和下表面反射的兩束光強(qiáng)度相等，相位相反產(chǎn)生相消干涉，使反射光消失，透射光增強(qiáng)[2]。
增透膜類型
目前應(yīng)用較為簡(jiǎn)單的增透膜一般為單層膜，而較廣泛的則是雙層或者多層膜。單層增透膜只能使某一波長(zhǎng)附近的反射率降低，而多層增透膜則可以使某一波段具有很低的反射率。但這并不意味著減反射膜層越多鏡片的透光率就越高，因?yàn)槎鄬訙p反射膜層是一個(gè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單增加膜層的數(shù)量無益于減反射效果的提高，它還與膜層厚度的設(shè)計(jì)、膜層材料的選擇等因素有密切的聯(lián)系，同時(shí)相消干涉原理主要以幾個(gè)不同界面反射回來光波相互重疊，*終使反射波的相位和振幅相互抵消。
單層增透膜
單層增透膜的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要在玻璃的空氣面加鍍單一的膜層。理想的單層增透膜的條件是:膜層的光學(xué)厚度為λ0/4，其折射率為人射媒質(zhì)的折射率與基片折射率兩者乘積的平方根。在可見光的基片材料，例如未鍍膜的鈉鈣硅酸鹽玻璃折射率為 1.52。在不鍍膜的情況下，每一面的反射率都超過 6%。根據(jù)理論計(jì)算，單層增透膜要完全增透，要求該膜的折射率為1.23.目前，廣泛使用的低折射率鍍膜材料是氟化鎂，它在550nm處的折射率為1.38，對(duì)鈉鈣硅酸鹽玻璃是不能夠完全消失反射的。
當(dāng)膜層厚λ0/4時(shí),以空氣折射率n=1，玻璃折射率n=1.52，膜折射率n=1.38?？梢钥闯?，此時(shí)的剩余反射率R=1.3%。與多層膜相比，單層增透膜的優(yōu)點(diǎn)是可以用同樣的膜層材料鍍?cè)诓煌凵渎实牟Ａ?。雖然單層薄膜增透效果不很理想，但由于制備工藝簡(jiǎn)單，故得到廣泛的使用。例如太陽能光伏玻璃在400-1100nm的平均透過率近92%，利用單層增透膜 MgF2采用高真空高溫條件在太陽能光伏玻璃上表面沉積后，在400~1100nm平均透過率大于94%，透過率提高2%以上。
圖2：?jiǎn)螌釉鐾改?/span>
雙層增透膜
單層增透膜的剩余反射一般較高，不能滿足復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)要求。此時(shí)需采用雙層增透膜或多層增透膜。*簡(jiǎn)單的雙層增透膜是“λ0/4-λ0/4”膜系，在基片上先鍍上一層折射率n2高于基片的λ0/4膜層，然后再鍍上λ0/4厚的低折射率n1膜層。當(dāng)薄膜折射率 n2滿足下式時(shí):
其中，n1為**層膜層折射率；ng為基片折射率；ns為媒介折射率。此時(shí)膜系中心波長(zhǎng)反射率為零。雙層增透膜一般可應(yīng)用于視覺光學(xué)儀器、激光或其他單色光源系統(tǒng)。
多層介質(zhì)膜
對(duì)于較寬光譜內(nèi)的低反射要求，一般采用3層或更多層增透膜。常用的3層增透膜是“λ0/4-λ0/2-λ0/4”膜系。較為典型的增透膜膜系為：glass-SiO2/TiO2- TiO2- SiO2。多層膜系在一定的范圍內(nèi)，反射率可控制在0.6%以下。
增透膜制備
多層增透膜設(shè)計(jì)及鍍膜工藝比較復(fù)雜，制備過程中需要**控制膜層厚度和材料的成分、形貌等，以確保薄膜具有較高的光學(xué)透過率和較低的反射率。同時(shí)，需要選擇合適的材料，如二氧化硅、氧化鋁等高折射率材料，以實(shí)現(xiàn)較高的光學(xué)透過率和較低的損耗。寬帶增透膜的低損耗在于可以減少光能的損失，從而提高光學(xué)器件的效率和穩(wěn)定性，特別是對(duì)于一些高精度、高要求的光學(xué)器件來說，低損耗特性非常重要。圖3顯示了薄膜制備技術(shù)的分類。
圖3：薄膜制備技術(shù)[1]
對(duì)于化學(xué)氣相沉積法：2023年，Li Zhaoyi等采用低壓化學(xué)氣相沉積法制備氮化硅波導(dǎo)具有更低的損耗和更好的工藝重復(fù)性。使用類似于銅互連CMOS工藝的霧狀花紋方法在8英寸硅片上成功制備了400 nm厚的氮化硅波導(dǎo)，并證明了在1550 nm處的傳播損耗僅為0.157 dB/cm，在1580 nm處的傳播損耗僅為0.06 dB/cm[3]。
圖4： (a) 已完成的8英寸晶圓，(b) 氮化硅芯片，(c) 半自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，(d) 用于測(cè)試的螺旋和彎曲波導(dǎo)的布局設(shè)計(jì)[3]。
對(duì)于溶膠凝膠法：2023年，沈斌等[4]采用溶膠凝膠法制備得到以正丙醇鋯和正硅酸乙酯為前驅(qū)體的ZrO2和SiO2溶膠，通過TFCalc光學(xué)薄膜軟件模擬了ZrO2/SiO2三層“寬M型”基頻二倍頻減反膜并使用提拉法制備得到了該均勻膜層。三層減反膜在527 nm和1053 nm處的透過率約為99.5%，且透過率大于99%的波長(zhǎng)范圍均超過150 nm。經(jīng)熱處理后的膜層表面均方根粗糙度為1.34 nm，表面平整性良好；并運(yùn)用1-on-1激光損傷閾值測(cè)試方法測(cè)得該減反膜的零幾率激光損傷閾值達(dá)到36.8 J?cm?2 (1064 nm,10.7 ns)。
圖5：基底三層減反膜的SEM 圖。（a）ZrO2表面；（b）SiO2-MR 表面；（c）SiO2-AR 表面；（d）截面圖[4]
對(duì)于物**相沉積法：2022年，Addie Ali J等[5]利用磁控濺射技術(shù)合成一種非晶氮化碳CNx薄膜，作為用于c-Si太陽能電池的新型雙功能增透膜(ARC)。通過測(cè)量反射率、光電轉(zhuǎn)換效率和外部量子效率，研究了CNx薄膜的性能。在550 nm波長(zhǎng)處的*小反射率為0.3%，在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的外部量子效率超過90%
圖6：不同襯底溫度和沉積時(shí)間下沉積的 CNx 薄膜的光學(xué)特性。(a) 在不同襯底溫度下沉積在玻璃襯底上的薄膜的光學(xué)透射光譜，插圖顯示了薄膜的可見光透明度。(b) 不同襯底溫度下沉積的 CNx 薄膜的 Tauc 曲線。插圖表示光學(xué)帶隙隨襯底溫度的變化。(c) 不同襯底溫度下沉積的 CNx 薄膜的折射率隨波長(zhǎng)的變化。(d) 在 200 °C 下不同沉積時(shí)間（層厚度）沉積的薄膜的反射光譜，同時(shí)給出了裸硅片的參考反射光譜[5]
制備薄膜是一項(xiàng)重要的技術(shù)，化學(xué)氣相沉積、溶膠–凝膠法和物**相沉積法是三種常見的增透膜制備技術(shù)。雖然它們都可以制備高質(zhì)量的薄膜，但它們之間存在差異，包括制備成本、生產(chǎn)效率和薄膜質(zhì)量等方面。因此，在選擇合適的薄膜制備技術(shù)時(shí)，需要仔細(xì)考慮這些因素。圖7對(duì)這三種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。
圖7：三種薄膜制備技術(shù)對(duì)比[1]
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采用德國薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴(yán)格工藝標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)式流程技術(shù)制備體系，能夠制備各種超高性能光學(xué)薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating,激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜，應(yīng)用領(lǐng)域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫(yī)用激光器、光學(xué)科研，紅外制導(dǎo)、面部識(shí)別、VR/AR應(yīng)用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫框，工業(yè)燈具照明，廣告機(jī)，點(diǎn)餐機(jī)，電子白板，安防監(jiān)控等。卷柔新技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)生產(chǎn)線【sol-gel溶膠凝膠法鍍膜線】，這條生產(chǎn)線能夠生產(chǎn)全球先進(jìn)的減反射玻璃。鍍膜版面可達(dá)到2440*3660mm，玻璃厚度從0.3mm到12mm都可以,另外針對(duì)PC,PMMA方面的增透膜也具有量產(chǎn)生產(chǎn)能力。ARcoating減反膜基本接近無色,色彩還原性好，并且可以避免了磁控濺射的缺點(diǎn)，鍍完增透膜后玻璃可以做熱彎處理和鋼化處理以及DIP打印處理。這個(gè)難度和具有很好的應(yīng)用性，新意突出，實(shí)用性突出，濕法鍍膜在價(jià)格方面也均優(yōu)于真空磁控的干法。
卷柔減反射(AR)玻璃的特點(diǎn):高透,膜層無色,膜硬度高,抗老化性強(qiáng)(耐候性強(qiáng)于玻璃),玻璃長(zhǎng)期使用存放不發(fā)霉,且有一定的自潔效果.AR增透減反膜玻璃產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于**文博展示、低反射幕墻、廣告機(jī)玻璃、節(jié)能燈具蓋板玻璃、液晶顯示器保護(hù)玻璃等多行業(yè)。
我們的愿景：卷柔讓光學(xué)更具價(jià)值！
我們的使命：有光的地方就有卷柔新技術(shù)！
我們的目標(biāo)：以高質(zhì)量的產(chǎn)品，優(yōu)惠的價(jià)格,貼心的服務(wù)，為客戶提供優(yōu)良的解決方案。
上海卷柔科技以現(xiàn)代鍍膜技術(shù)為核心驅(qū)動(dòng)力，通過鍍膜設(shè)備、鍍膜加工、光學(xué)鍍膜產(chǎn)品服務(wù)于客戶，努力為客戶創(chuàng)造新的利潤(rùn)空間和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為中國的民族制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
