光學(xué)薄膜培訓(xùn)班培訓(xùn)總結(jié)

1、光學(xué)薄膜培訓(xùn)班培訓(xùn)總結(jié) - 報(bào)告光學(xué)薄膜培訓(xùn)班培訓(xùn)總結(jié)本次培訓(xùn)分為光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)與分析技術(shù)、光學(xué)薄膜沉積技術(shù)和光學(xué) 薄膜測(cè)試技術(shù)三大部分。培訓(xùn)教師以具有上海光機(jī)所博士學(xué)歷的在職研 究人員為主，并邀請(qǐng)了上海技術(shù)物理研究所的周東平研究員和西南技術(shù) 物理研究所的馬孜研究員講授光學(xué)薄膜制作技術(shù)。 10月 9日下午，上 海光機(jī)所的賀洪波研究員介紹了國(guó)外的光學(xué)薄膜尤其是強(qiáng)激光薄膜的研 究進(jìn)展和發(fā)展方向。 10月 11日，主辦單位安排了一系列專題講座，浙 江大學(xué)的顧培夫教授、同濟(jì)大學(xué)的王占山教授、中國(guó)科學(xué)院成都光電研 究所的李斌成研究員和航天科工集團(tuán)的季一勤研究員等專家分別對(duì)國(guó)內(nèi) 光學(xué)薄膜相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)

2、展進(jìn)行了專題講授。參加這次培訓(xùn)的學(xué)員主要來自公司和實(shí)驗(yàn)室，總共有三十多人。來 自企業(yè)的學(xué)員是普遍具有 3 到 5 年工作經(jīng)驗(yàn)的青年技術(shù)人員，他們帶著 生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題前來，以解決問題為主要的學(xué)習(xí)目標(biāo)。來自國(guó)內(nèi) 各研究機(jī)構(gòu)的學(xué)員則以學(xué)術(shù)交流、探討為主。與 2006 年 5 月在北京舉辦的光學(xué)薄膜培訓(xùn)班相比較，此次培訓(xùn)班 具有實(shí)用、專業(yè)、學(xué)術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而少了商業(yè)氣味。2. 相關(guān)培訓(xùn)主題2.1 光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)與分析該專題的培訓(xùn)名稱是光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)與分析及 EssentialMacleod 軟件使用，歷時(shí)兩天，由上海光機(jī)所的齊紅基博士主講。其 主要內(nèi)容可分為以下三個(gè)方面：光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)理論、 Es

3、sentialMacleod 光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)分析軟件使用說明和常規(guī)光學(xué)薄膜系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)。Essential Macleod 是一套光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)與分析軟件包，它包含光 學(xué)薄膜設(shè)計(jì)和分析的所有要素：1) 計(jì)算一個(gè)給定膜系的各種性能參數(shù)，包括常用的反射率、透過 率、振幅和位相等；2) 優(yōu)化已有膜系，提高其性能；對(duì)給定特性要求，導(dǎo)出其膜系設(shè) 計(jì)；3) 提取薄膜材料的光學(xué)常數(shù)；4) 分析膜系特性，包括導(dǎo)納圖分析和電場(chǎng)分布分析等；5) 估算膜層中隨機(jī)誤差對(duì)膜層光譜特性的影響；6) 模擬光學(xué)鍍膜。2.2 光學(xué)薄膜制備技術(shù)該專題的名稱是鍍膜工藝基礎(chǔ)知識(shí)，由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物 理研究所的周東平研究員講授，周

4、東平研究員同時(shí)還是上海歐菲爾光電 技術(shù)有限責(zé)任公司總經(jīng)理。周研究員從真空系統(tǒng)、制備技術(shù)、鍍膜工 藝、薄膜材料、膜厚監(jiān)控、電子槍和離子源的原理及其作用六個(gè)方面對(duì)光學(xué)薄膜制備技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的講授。在光學(xué)鍍膜中常用的真空泵有機(jī)械泵、分子泵、羅茨泵、油擴(kuò)散泵 和冷凝泵。分子泵和冷凝泵是半無油和無油系統(tǒng)，適合激光薄膜的鍍 制，分子泵的抽速慢，冷凝泵抽速快但在直徑大于1100mm勺真空系統(tǒng)中無法有效使用。油擴(kuò)散泵如在抽氣口加裝 polycold 冷阱可實(shí)現(xiàn)高抽 速的無油真空系統(tǒng)。實(shí)用的真空系統(tǒng)，為保證抽速，管道應(yīng)盡可能短粗；前級(jí)泵和次級(jí) 泵的配置要合理；系統(tǒng)漏氣??；真空室內(nèi)材料的放氣量要?。徽婵帐乙?保持

5、清潔。除了大功率激光系統(tǒng)的減反膜由溶液凝膠( sol-gel )技術(shù)制備之 外，光學(xué)薄膜真空鍍膜技術(shù)一般采用物理氣相沉積法( Physical vapor deposition )。PVD包括熱蒸發(fā)(Thermal Evaporation Deposition )、濺射( Plasma Sputtering Deposition )和離子鍍( Ion Beam Sputtering Deposition )。熱蒸發(fā)( Thermal Evaporation Deposition )分為電阻加熱法( Resistive Heating )和 電子槍蒸鍍法( Electron Beam Gun E

6、vaporation )。電阻加熱時(shí)，蒸 發(fā)舟(Boat)要與材料接觸良好，避免局部放熱引起分解和噴濺。鍍膜的主要工藝因素有：基板處理(拋光、清潔、離子束預(yù)處 理)、制備參數(shù)(基板溫度、沉積速率、真空度)、蒸汽入射角和老化 處理。介質(zhì)膜的老化處理包括退火和激光預(yù)處理。電子槍對(duì)膜層的成膜 質(zhì)量和光譜特性有重要影響，2.3 鍍膜工藝技術(shù)該專題的題目是光學(xué)薄膜基本制作技術(shù)，由西南技術(shù)物理研究 所的馬孜研究員主講。他從鍍膜機(jī)的選型、調(diào)試和工藝分析三個(gè)方面展 開講述。鍍膜機(jī)的選型一般根據(jù)客戶類型、被鍍產(chǎn)品質(zhì)量要求、產(chǎn)品產(chǎn)量和產(chǎn)品特性來選 擇鍍膜機(jī)。高端客戶常選擇進(jìn)口鍍膜機(jī)，低端客戶選擇國(guó)產(chǎn)鍍膜機(jī)。同 時(shí)

7、，被鍍產(chǎn)品的光學(xué)指標(biāo)、表面質(zhì)量和產(chǎn)品的前道工藝能力決定了鍍膜 機(jī)的種類；產(chǎn)品的產(chǎn)量決定了鍍膜機(jī)的大?。划a(chǎn)品的特性決定了鍍膜機(jī) 的配置，例如，光通訊使用的窄帶濾光片需要直光路監(jiān)控設(shè)備，紅外鍍 膜機(jī)需要配備阻蒸，塑料的鍍膜機(jī)需要配備 Polycold 冷阱以提高對(duì)水 蒸氣的抽速，裝有離子源的鍍膜機(jī)需要配備大抽速的真空泵。沒有一步 到位的鍍膜機(jī)，也沒有“通用”的鍍膜機(jī)。鍍膜機(jī)的特性調(diào)整校準(zhǔn)真空泵有效抽速，以獲得穩(wěn)定的真空度。校準(zhǔn)溫度控制曲線，溫控儀的升溫過充要小，控制要平穩(wěn)校準(zhǔn)蒸發(fā)源蒸發(fā)特性，好的電子槍應(yīng)該實(shí)現(xiàn)面源蒸發(fā)，能夠獲得穩(wěn) 定重復(fù)的蒸發(fā)條件。光學(xué)膜厚控制儀的精度確認(rèn)，膜厚控制儀的控制精度對(duì)成

8、膜質(zhì)量和 重復(fù)性有重要的影響。薄膜的材料試驗(yàn)，為獲得均勻均質(zhì)和接近化學(xué)計(jì)量比的薄膜，需要通過實(shí)驗(yàn)來確定不同制備參數(shù)下材料的折射率和色散系數(shù)。利用正投影法和比例法制備膜厚均勻性修正擋板。實(shí)驗(yàn)的過程中需要特別考慮源的時(shí)變性和燈絲對(duì)膜厚均勻性的影響。光學(xué)膜厚控制工具因子和石英晶振膜厚控制因子的確定。薄膜工藝與分析由于鍍膜機(jī)內(nèi)任何一些細(xì)小的改變都會(huì)影響鍍每一層膜的重復(fù)性，在鍍新的膜系之前，都要試鍍至少一爐。在收到光譜特性要求之后，既應(yīng)著手進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好之后即 可進(jìn)行前期的誤差分析，包括材料工具因子分析、膜層靈敏度分析、膜 層厚度誤差分析和折射率誤差分析；隨后需要確定膜厚監(jiān)控方法，石英 晶體控制膜

9、層厚度時(shí)，膜層的折射率必須穩(wěn)定，否則會(huì)產(chǎn)生中心波長(zhǎng)飄 移，故石英晶體監(jiān)控一般只用來監(jiān)控寬帶非規(guī)整膜系。選擇好監(jiān)控方法 后，即可進(jìn)行膜層鍍制，鍍好的膜層需要進(jìn)行光學(xué)特性檢驗(yàn)，對(duì)不合格 者需要進(jìn)行誤差分析，找到原因。2.4 光學(xué)薄膜特性測(cè)試技術(shù)光學(xué)薄膜的檢測(cè)技術(shù)主要包括：光學(xué)特性測(cè)試、光學(xué)參數(shù)測(cè)試及非 光學(xué)特性的測(cè)試。光學(xué)特性是指薄膜的透射、反射、吸收和散射等特 性；薄膜的光學(xué)參數(shù)主要是指薄膜材料的光學(xué)常數(shù)；薄膜的非光學(xué)特性 主要包括薄膜的附著力、附著能、應(yīng)力、耐環(huán)境能力以及薄膜材料的結(jié) 構(gòu)特性。該部分內(nèi)容分別由上海光機(jī)所的易葵副研究員、趙元安副研究 員、張偉麗副研究員、晉云霞副研究員和邵淑英博士

10、講授。薄膜厚度的測(cè)量薄膜厚度的測(cè)量常用臺(tái)階儀和干涉儀來測(cè)量。測(cè)量的關(guān)鍵是臺(tái)階樣 品的制備，臺(tái)階樣品通常由膠帶或刀片制備，在使用干涉法測(cè)量時(shí)，臺(tái) 階樣品的基板上要全部鍍不透光的金屬膜以消除位相躍變的影響。折射率的測(cè)量折射率的測(cè)量可以由膜層反射率的公式推導(dǎo)，厚度的精確測(cè)量可以 利用布儒斯特角法。薄膜透射率和反射率的測(cè)量分光光度計(jì)是光學(xué)薄膜管顧特性測(cè)試最常見的測(cè)量?jī)x器，可以測(cè)量 光學(xué)薄膜元件的透過率、反射率。分光光度計(jì)中影響測(cè)量的因素:測(cè)量樣品的口徑對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，如果受樣品形狀和尺寸的影 響，一部分測(cè)量光沒有經(jīng)過樣品，需要選擇合適的小孔光闌。大氣吸收對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，二氧化碳吸收帶水蒸氣的吸收帶

11、回對(duì) 測(cè)量結(jié)果帶來較大影響。樣品楔角對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，鍥形的測(cè)試樣品會(huì)影響測(cè)量精度。測(cè)試樣品厚度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，較厚的高折射率基片會(huì)使光束在 接受器光敏面的匯聚狀況發(fā)生變化，從而引起測(cè)量誤差。測(cè)試樣品后表面的影響，測(cè)試透過率時(shí)不可避免會(huì)引入后表面的影 響，需要通過計(jì)算消除此種影響。光源、單色部分狹縫的寬度、探測(cè)器的精度以及光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。光線傾斜入射時(shí)，需要消除入射光偏移帶來的測(cè)量誤差和偏振態(tài)問 題帶來的測(cè)量問題。860nm時(shí)，掃描光線會(huì)出現(xiàn)突跳現(xiàn)象，這是由于光斑位置的變化和 偏振效應(yīng)造成的。非常規(guī)光譜特性的測(cè)量，需要自己設(shè)計(jì)測(cè)量附件進(jìn)行測(cè)量光學(xué)薄膜的損傷閾值檢測(cè)技術(shù)1-

12、on-1 激光損傷測(cè)試，測(cè)試前待測(cè)樣品需要在相對(duì)濕度小于50%的環(huán)境下存放 24 小時(shí)。激光參數(shù)對(duì)薄膜的損傷閾值也存在影響，分為脈 寬效應(yīng)、波長(zhǎng)效應(yīng)、光斑效應(yīng)和累計(jì)效應(yīng)。光學(xué)薄膜微弱吸收測(cè)試技術(shù)薄膜對(duì)激光的吸收是造成薄膜激光損傷的首要原因，對(duì)薄膜的吸收 的測(cè)量是基于光熱原理，既樣品受激光輻照，吸收光能而被局部加熱， 導(dǎo)致不同于周圍媒質(zhì)的性能改變，探測(cè)這種變化即可得到薄膜樣品的吸 收特性。光學(xué)薄膜散射測(cè)試技術(shù)散射是光線在傳播過程中偏離主光線方向而射向四面八方的現(xiàn)象， 分為表面散射和體散射，表面散射由表面高度的不均勻性引起，體散射 由薄膜內(nèi)部折射率布均勻引起。光學(xué)表面的散射測(cè)量方法主要包括角分 辨

13、散射測(cè)量法和總積分散射測(cè)量法。光學(xué)薄膜力學(xué)特性的測(cè)試技術(shù)影響薄膜應(yīng)力大小的因素：裝卡方式、沉積溫度、應(yīng)力匹配、沉積 速率、氧分壓和退火，還可以通過被動(dòng)補(bǔ)償來強(qiáng)行修復(fù)面形，包括背面 鍍膜、基片形狀修復(fù)和離子蝕刻等。薄膜的附著是范德瓦爾力、擴(kuò)散附著、機(jī)械咬合于靜電引力等綜合 作用的結(jié)果。可以通過以下方法增加膜層的附著力：清潔基底、提高基 體溫度、制造中間過鍍層和采用濺射技術(shù)鍍制薄膜。2.5 專題講座10月 11日，主辦方邀請(qǐng)季一勤老師、顧培夫教授和王占山教授講 解了光學(xué)薄膜領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題低損耗薄膜的制備與測(cè)試技術(shù)、薄膜 微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和短波長(zhǎng)光學(xué)薄膜的制備技術(shù)。超低損耗光學(xué)薄膜在激光陀螺、引力波測(cè)

14、試和激光核聚變中使用的光學(xué)薄膜對(duì)損耗的要求非常高，通常要求總損耗小于 50ppm?？倱p耗L=S+A+X其中S:散射；A :吸收；X :反射膜的透過, 增透膜的反射。S 和 A 取決于材料的選擇和工藝過程 ,X 取決于膜系的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì) 膜系時(shí)要考慮膜厚相對(duì)誤差、膜層表面散射損耗、膜層吸收、缺陷和薄 膜微觀結(jié)構(gòu)的影響。超低損耗光學(xué)薄膜的基底是超光滑表面，超光滑表面活性強(qiáng)、易吸附、微小顆粒難于去除，需要進(jìn)行超聲和兆聲清洗。超低損耗薄膜采用離子束濺射鍍制，鍍制過程中需要控制折射率、吸收系數(shù)的穩(wěn)定性和膜層的表面散射。極紫外和軟 X 射線光學(xué)薄膜極紫外和軟 X 射線光學(xué)主要應(yīng)用于高分辨率光學(xué)系統(tǒng)和元素特

15、征譜 線的觀察。極紫外和軟 X 射線光學(xué)薄膜采用離子束濺射方式制備，制備時(shí)要求 高低折射率材料沒有任何雜質(zhì)和不純，界面粗糙度和過渡層盡可能做到 最小，每一層膜的厚度高精度控制金屬薄膜極其微結(jié)構(gòu)的特性金屬薄膜由于其反射帶寬、截止寬、偏振小、制備簡(jiǎn)單，在反射鏡、誘導(dǎo)透射濾光片和消偏振薄膜等場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。表面等離子激光波(SPW僅存在于金屬表面的TM波，金屬膜表面態(tài)在表面化學(xué)反應(yīng)，環(huán) 境污染和生物體變異等方面得到重要應(yīng)用。金屬薄膜微結(jié)構(gòu)具有透射增強(qiáng)、光束集束、準(zhǔn)直、負(fù)折射和亞波長(zhǎng)成象等光學(xué)特性。3. 參展廠商在學(xué)習(xí)的過程中，成都南光機(jī)器有限責(zé)任公司、成都現(xiàn)代南光真空 設(shè)備有限責(zé)任公司和萊寶光學(xué)（北京

16、）有限責(zé)任公司的銷售工程師還親 臨現(xiàn)場(chǎng)介紹他們的鍍膜設(shè)備。目前，各設(shè)備制造商的主推機(jī)型都是內(nèi)徑 1100mm勺中型鍍膜機(jī)。光學(xué)膜厚控制系統(tǒng)、石英晶體膜厚控制系統(tǒng)、電子槍系統(tǒng)和充氣系統(tǒng) （壓控儀和氣體質(zhì)量流量計(jì)）是鍍膜機(jī)的核心部件，決定了鍍膜機(jī)的整 體性能。對(duì)一些設(shè)備真空低溫冷凝器和離子源的性能也非常重要。鍍膜機(jī)已經(jīng)從純?nèi)斯げ僮靼l(fā)展到全自動(dòng)系統(tǒng)，廠家在提供鍍膜機(jī)的 同時(shí)，還要提供相關(guān)工藝技術(shù)。4. 交流在培訓(xùn)期間，我們就關(guān)心的問題與老師、學(xué)員展開了深入的交流， 獲益匪淺。深圳大學(xué)的張東平老師對(duì)光學(xué)薄膜的包裹物微缺陷（膜層的點(diǎn)子、 道子）進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，和他的交流主要集中在薄膜的工藝參數(shù)和膜 層

17、表面光潔度的控制工藝。張老師認(rèn)為，膜層的包裹物缺陷的種子主要 來自以下三個(gè)方面；基底的清潔程度、真空室中的二次污染、膜料的噴 濺、基底表面的靜電作用。在談及如何消除基底表面的靜電作用時(shí)，張 老師推薦使用離子噴槍，而我們采用時(shí)效處理低成本地解決了這個(gè)問 題。上海光機(jī)所的齊紅基老師在膜系設(shè)計(jì)方面很有造詣，他在課堂內(nèi)外給我們提供了很多幫助，并指導(dǎo)我們對(duì)帶通濾光片和激光衰減膜進(jìn)行了 設(shè)計(jì)。另外，通過學(xué)員之間的交流，我們清楚了我們的同行都在生產(chǎn)什 么、處于什么樣的發(fā)展水平。從對(duì)比中，我們清楚了自己的不足，找到 了發(fā)展的動(dòng)力和目標(biāo)。隨著全球光學(xué)加工產(chǎn)業(yè)向中國(guó)的轉(zhuǎn)移，中國(guó)已經(jīng)逐漸成為世界性的 光學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。近年來，臺(tái)灣的光學(xué)企業(yè)大規(guī)模進(jìn)軍大陸，它們給 鍍膜行業(yè)帶來了廣闊的市場(chǎng)，也引入了激烈的競(jìng)爭(zhēng)