【精品論文】光學薄膜培訓班培訓總結報告

1、光學薄膜培訓班培訓總結-報告光學薄膜培訓班培訓總結本次培訓分為光學薄膜膜系設計與分析技術、光學薄膜沉積技術和光學薄膜測試技術三大部分。培訓教師以具有上海光機所博士學歷的在職研究人員為主，并邀請了上海技術物理研究所的周東平研究員和西南技術物理研究所的馬孜研究員講授光學薄膜制作技術。 10 月 9 日下午，上海光機所的賀洪波研究員介紹了國外的光學薄膜尤其是強激光薄膜的研究進展和發(fā)展方向。 10 月 11 日，主辦單位安排了一系列專題講座，浙江大學的顧培夫教授、同濟大學的王占山教授、中國科學院成都光電研究所的李斌成研究員和航天科工集團的季一勤研究員等專家分別對國內(nèi)光學薄膜相關領域的研究進展進行了專題

2、講授。參加這次培訓的學員主要來自公司和實驗室，總共有三十多人。來自企業(yè)的學員是普遍具有3 到 5 年工作經(jīng)驗的青年技術人員，他們帶著生產(chǎn)過程中的實際問題前來，以解決問題為主要的學習目標。來自國內(nèi)各研究機構的學員則以學術交流、探討為主。與 2006 年 5 月在北京舉辦的光學薄膜培訓班相比較，此次培訓班 具有實用、專業(yè)、學術的優(yōu)點，而少了商業(yè)氣味。2.相關培訓主題2.1 光學薄膜膜系設計與分析該專題的培訓名稱是光學薄膜膜系設計與分析及EssentialMacleod 軟件使用，歷時兩天，由上海光機所的齊紅基博士主講。其主要內(nèi)容可分為以下三個方面：光學薄膜設計理論、EssentialMacleod

3、 光學薄膜膜系設計分析軟件使用說明和常規(guī)光學薄膜系統(tǒng)的設計。EssentialMacleod 是一套光學薄膜設計與分析軟件包，它包含光學薄膜設計和分析的所有要素：1） 計算一個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；對給定特性要求，導出其膜系設計；3）提取薄膜材料的光學常數(shù)；4）分析膜系特性，包括導納圖分析和電場分布分析等；5）估算膜層中隨機誤差對膜層光譜特性的影響；6）模擬光學鍍膜。2.2 光學薄膜制備技術該專題的名稱是鍍膜工藝基礎知識，由中國科學院上海技術物理研究所的周東平研究員講授，周東平研究員同時還是上海歐菲爾光電技術有限責任公司總

4、經(jīng)理。周研究員從真空系統(tǒng)、制備技術、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方面對光學薄膜制備技術進行了詳細的講授。在光學鍍膜中常用的真空泵有機械泵、分子泵、羅茨泵、油擴散泵和冷凝泵。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 的真空系統(tǒng)中無法有效使用。油擴散泵如在抽氣口加裝 polycold 冷阱可實現(xiàn)高抽速的無油真空系統(tǒng)。實用的真空系統(tǒng)，為保證抽速，管道應盡可能短粗；前級泵和次級泵的配置要合理；系統(tǒng)漏氣??；真空室內(nèi)材料的放氣量要小；真空室要保持清潔。除了大功率激光系統(tǒng)的減反膜由溶液凝膠( sol-gel

5、 )技術制備之外，光學薄膜真空鍍膜技術一般采用物理氣相沉積法Physicalvapordeposition)。 PVD 包括熱蒸發(fā)ThermalEvaporationDeposition ）、濺射PlasmaSputteringDeposition ）和離子鍍IonBeamSputteringDeposition ）。熱蒸發(fā)ThermalEvaporationDeposition ）分為電阻加熱法 （ ResistiveHeating ）和電子槍蒸鍍法（ ElectronBeamGunEvaporation ）。電阻加熱時，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

6、膜的主要工藝因素有：基板處理（拋光、清潔、離子束預處理）、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。介質膜的老化處理包括退火和激光預處理。電子槍對膜層的成膜質量和光譜特性有重要影響，2.3 鍍膜工藝技術該專題的題目是光學薄膜基本制作技術，由西南技術物理研究所的馬孜研究員主講。他從鍍膜機的選型、調試和工藝分析三個方面展開講述。鍍膜機的選型一般根據(jù)客戶類型、被鍍產(chǎn)品質量要求、產(chǎn)品產(chǎn)量和產(chǎn)品特性來選擇鍍膜機。高端客戶常選擇進口鍍膜機，低端客戶選擇國產(chǎn)鍍膜機。同時，被鍍產(chǎn)品的光學指標、表面質量和產(chǎn)品的前道工藝能力決定了鍍膜機的種類；產(chǎn)品的產(chǎn)量決定了鍍膜機的大??；產(chǎn)品的特性決定了鍍膜

7、機的配置，例如，光通訊使用的窄帶濾光片需要直光路監(jiān)控設備，紅外鍍膜機需要配備阻蒸，塑料的鍍膜機需要配備Polycold 冷阱以提高對水 蒸氣的抽速，裝有離子源的鍍膜機需要配備大抽速的真空泵。沒有一步 到位的鍍膜機，也沒有“通用”的鍍膜機。鍍膜機的特性調整校準真空泵有效抽速，以獲得穩(wěn)定的真空度。校準溫度控制曲線，溫控儀的升溫過充要小，控制要平穩(wěn)。校準蒸發(fā)源蒸發(fā)特性，好的電子槍應該實現(xiàn)面源蒸發(fā)，能夠獲得穩(wěn) 定重復的蒸發(fā)條件。光學膜厚控制儀的精度確認，膜厚控制儀的控制精度對成膜質量和 重復性有重要的影響。薄膜的材料試驗，為獲得均勻均質和接近化學計量比的薄膜，需要 通過實驗來確定不同制備參數(shù)下材料的折

8、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。實驗的過程中需 要特別考慮源的時變性和燈絲對膜厚均勻性的影響。光學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內(nèi)任何一些細小的改變都會影響鍍每一層膜的重復性， 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，既應著手進行膜系設計，設計好之后即可進行前期的誤差分析，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，石英晶體控制膜層厚度時，膜層的折射率必須穩(wěn)定，否則會產(chǎn)生中心波長飄移，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，即可進行

9、膜層鍍制，鍍好的膜層需要進行光學特性檢驗，對不合格者需要進行誤差分析，找到原因。2.4 光學薄膜特性測試技術光學薄膜的檢測技術主要包括：光學特性測試、光學參數(shù)測試及非光學特性的測試。光學特性是指薄膜的透射、反射、吸收和散射等特性；薄膜的光學參數(shù)主要是指薄膜材料的光學常數(shù)；薄膜的非光學特性主要包括薄膜的附著力、附著能、應力、耐環(huán)境能力以及薄膜材料的結構特性。該部分內(nèi)容分別由上海光機所的易葵副研究員、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講授。薄膜厚度的測量薄膜厚度的測量常用臺階儀和干涉儀來測量。測量的關鍵是臺階樣品的制備，臺階樣品通常由膠帶或刀片制備，在使用干涉法測量時，臺階

10、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。折射率的測量折射率的測量可以由膜層反射率的公式推導，厚度的精確測量可以利用布儒斯特角法。薄膜透射率和反射率的測量分光光度計是光學薄膜管顧特性測試最常見的測量儀器，可以測量 光學薄膜元件的透過率、反射率。分光光度計中影響測量的因素：測量樣品的口徑對測量結果的影響，如果受樣品形狀和尺寸的影 響，一部分測量光沒有經(jīng)過樣品，需要選擇合適的小孔光闌。大氣吸收對測量結果的影響，二氧化碳吸收帶水蒸氣的吸收帶回對 測量結果帶來較大影響。樣品楔角對測量結果的影響，鍥形的測試樣品會影響測量精度。測試樣品厚度對測試結果的影響，較厚的高折射率基片會使光束在 接受

11、器光敏面的匯聚狀況發(fā)生變化，從而引起測量誤差。測試樣品后表面的影響，測試透過率時不可避免會引入后表面的影 響，需要通過計算消除此種影響。光源、單色部分狹縫的寬度、探測器的精度以及光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性 都會影響測量結果。光線傾斜入射時，需要消除入射光偏移帶來的測量誤差和偏振態(tài)問題帶來的測量問題。860nm 時，掃描光線會出現(xiàn)突跳現(xiàn)象，這是由于光斑位置的變化和偏振效應造成的。非常規(guī)光譜特性的測量，需要自己設計測量附件進行測量。光學薄膜的損傷閾值檢測技術1-on-1 激光損傷測試，測試前待測樣品需要在相對濕度小于 50%的環(huán)境下存放24 小時。激光參數(shù)對薄膜的損傷閾值也存在影響，分為脈寬效應、波長效應、

12、光斑效應和累計效應。光學薄膜微弱吸收測試技術薄膜對激光的吸收是造成薄膜激光損傷的首要原因，對薄膜的吸收的測量是基于光熱原理，既樣品受激光輻照，吸收光能而被局部加熱，導致不同于周圍媒質的性能改變，探測這種變化即可得到薄膜樣品的吸收特性。光學薄膜散射測試技術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。光學表面的散射測量方法主要包括角分 辨散射測量法和總積分散射測量法。光學薄膜力學特性的測試技術影響薄膜應力大小的因素：裝卡方式、沉積溫度、應力匹配、沉積速率、氧分壓和退火，還可以通過被動補償來強行修

13、復面形，包括背面鍍膜、基片形狀修復和離子蝕刻等。薄膜的附著是范德瓦爾力、擴散附著、機械咬合于靜電引力等綜合作用的結果?？梢酝ㄟ^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鍍制薄膜。2.5 專題講座2.6 月 11 日，主辦方邀請季一勤老師、顧培夫教授和王占山教授講解了光學薄膜領域的熱點問題低損耗薄膜的制備與測試技術、薄膜微觀結構的設計和短波長光學薄膜的制備技術。超低損耗光學薄膜在激光陀螺、引力波測試和激光核聚變中使用的光學薄膜對損耗的要求非常高，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。

14、S和A取決于材料的選擇和工藝過程，X取決于膜系的設計。在設 計膜系時要考慮膜厚相對誤差、膜層表面散射損耗、膜層吸收、缺陷和薄膜微觀結構的影響。超低損耗光學薄膜的基底是超光滑表面，超光滑表面活性強、易吸附、微小顆粒難于去除，需要進行超聲和兆聲清洗。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 射線光學薄膜極紫外和軟X 射線光學主要應用于高分辨率光學系統(tǒng)和元素特征譜線的觀察。極紫外和軟X 射線光學薄膜采用離子束濺射方式制備，制備時要求高低折射率材料沒有任何雜質和不純，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

15、結構的特性金屬薄膜由于其反射帶寬、截止寬、偏振小、制備簡單，在反射鏡、誘導透射濾光片和消偏振薄膜等場合廣泛應用。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)在表面化學反應，環(huán)境污染和生物體變異等方面得到重要應用。金屬薄膜微結構具有透射增強、光束集束、準直、負折射和亞波長成象等光學特性。3.參展廠商在學習的過程中，成都南光機器有限責任公司、成都現(xiàn)代南光真空設備有限責任公司和萊寶光學（北京）有限責任公司的銷售工程師還親臨現(xiàn)場介紹他們的鍍膜設備。目前，各設備制造商的主推機型都是內(nèi)徑1100mm 的中型鍍膜機。光學膜厚控制系統(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

16、體質量流量計）是鍍膜機的核心部件，決定了鍍膜機的整體性能。對一些設備真空低溫冷凝器和離子源的性能也非常重要。鍍膜機已經(jīng)從純?nèi)斯げ僮靼l(fā)展到全自動系統(tǒng)，廠家在提供鍍膜機的同時，還要提供相關工藝技術。4 .交流在培訓期間，我們就關心的問題與老師、學員展開了深入的交流，獲益匪淺。深圳大學的張東平老師對光學薄膜的包裹物微缺陷（膜層的點子、道子）進行了長期的研究，和他的交流主要集中在薄膜的工藝參數(shù)和膜層表面光潔度的控制工藝。張老師認為，膜層的包裹物缺陷的種子主要來自以下三個方面；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，張老師推薦使用離子噴槍，而我們采用時效處理低成本地解決了這個問題。上海光機所的齊紅基老師在膜系設計方面很有造詣，他在課堂內(nèi)外給我們提供了很多幫助，并指導我們對帶通濾光片和激光衰減膜進行了設計。另外，通過學員之間的交流，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。從對比中，我們清楚了自己的不足，找到了發(fā)展的動力和目標。隨著全球光學加工產(chǎn)業(yè)向中國的轉移，中國已經(jīng)逐漸成為世界性的光學產(chǎn)品生產(chǎn)基地。近年來，臺灣的光學企業(yè)大規(guī)模進軍大陸，它們給鍍膜行業(yè)帶來了廣闊的市場，也引入了激烈的競爭。