Princípio característico e classificação dos filmes finos ópticos

Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia e da globalização econômica, os seres humanos de hoje entraram na sociedade da economia do conhecimento e na sociedade da informação. E com o desenvolvimento do "Made in China", a fabricação óptica está em ascensão nas terras da China continental e seu desenvolvimento é extremamente rápido. A fabricação óptica da China começou a desempenhar um papel importante na arena econômica internacional, e a produção de vidro óptico e peças ópticas na China quase ficou em primeiro lugar. O filme óptico é uma ou mais camadas de filme revestidas na superfície das peças ópticas, alterando as características da superfície das peças ópticas. Pode ser filme de metal, filme dielétrico ou uma combinação desses dois tipos de filmes. O filme fino óptico é uma parte indispensável de todos os tipos de tecnologia fotoelétrica avançada. Ele não apenas melhora o desempenho do sistema, mas também é um meio necessário para atingir a meta de projeto, o campo de aplicação do filme fino óptico e todos os aspectos do sistema óptico, incluindo sistema laser, comunicação óptica, visor óptico, visor óptico, armazenamento óptico, etc. os principais dispositivos ópticos de filme fino incluem filme refletivo, filme anti-reflexo, filme de polarização, filtro de interferência e espectroscópio, etc. Eles têm sido amplamente utilizados na economia nacional e na construção de defesa nacional, e ganharam crescente atenção de trabalhadores científicos e técnicos.
Atualmente, existem mais de 60 tipos de variedades comuns de materiais de revestimento óptico, e suas variedades e funções de aplicação ainda estão sendo desenvolvidas continuamente. Nos últimos anos, ele se tornou um sistema de filme metálico, quando a espessura de ouro, prata, cobre e alumínio é de 7 ~ 20um, sua transmitância à luz visível é de 50%, enquanto a da luz infravermelha é inferior a 10%. Esse tipo de filme fino foi aplicado com sucesso ao painel da espaçonave Apollo para transmitir parte da luz visível, e quase toda a luz infravermelha é refletida para controle térmico. O artigo a seguir apresenta principalmente o princípio característico e a classificação de filmes finos ópticos.
I. Definição de filme óptico
O filme óptico é um tipo de material do meio óptico que é composto de um meio de camada fina e propaga o feixe de luz através da interface. A aplicação do filme óptico começou em 1930. O filme óptico tem sido amplamente utilizado no campo da tecnologia óptica e fotoelétrica, fabricando vários instrumentos ópticos. A tira de preparação requer peças altas e finas.
A definição de filme óptico é: a camada de filme fino e uniforme dielétrico anexada à superfície do dispositivo óptico no processo de propagação da luz, a reflexão, a penetração (dobragem) ao passar pela camada de filme dielétrico em camadas) características como emissão e polarização, de modo a obter as formas especiais de luz que desejamos em uma ou mais faixas de ondas, como toda a luz que passa ou toda a reflexão da luz ou separação de polarização.
O filme óptico está presente em toda parte em nossa vida, desde equipamentos ópticos e de precisão, equipamentos de exibição até a aplicação de filmes ópticos na vida cotidiana; por exemplo, óculos, câmeras digitais, todos os tipos de eletrodomésticos usados em horários comuns ou a tecnologia antifalsificação nas notas podem ser chamadas de extensão da aplicação da tecnologia de filme óptico. Sem a tecnologia óptica de filme fino como base do desenvolvimento, a moderna tecnologia fotoelétrica, de comunicação ou laser não fará progresso, o que também mostra a importância da pesquisa e desenvolvimento da tecnologia óptica de filme fino.
Filme óptico refere-se ao revestimento ou revestimento de uma ou mais camadas de filme dielétrico ou filme de metal ou à combinação desses dois tipos de filmes em elementos ópticos ou substratos independentes para alterar as características de transmissão das ondas de luz, incluindo transmissão, reflexão, absorção , espalhamento, polarização e mudança de fase da luz. Portanto, através do design adequado, a permeabilidade e a refletividade da superfície dos elementos em diferentes faixas de ondas podem ser ajustadas, e a luz em diferentes planos de polarização também pode ter características diferentes.
De um modo geral, os modos de produção de filmes finos ópticos são divididos principalmente em processo seco e processo úmido. O chamado tipo seco significa que nenhum líquido aparece em todo o processo de processamento. Por exemplo, a evaporação a vácuo consiste em aquecer matérias-primas sólidas com energia elétrica em um ambiente a vácuo. Após a sublimação em gás, ele é anexado à superfície de um material base sólido para concluir o processo de revestimento. O filme de embalagem de ouro, prata ou metal para decoração, visto na vida cotidiana, é um produto fabricado por revestimento a seco. No entanto, considerando a produção em massa real, a faixa de aplicação do revestimento a seco é menor do que a do revestimento a úmido. O método geral de revestimento úmido é misturar componentes com várias funções no revestimento líquido e aplicá-los no material base em diferentes métodos de processamento, depois secar e solidificar o revestimento líquido para produzir o produto.
II Princípio da interferência de filmes finos
1. A flutuação da luz
Na década de 1860, o físico americano Maxwell desenvolveu a teoria eletromagnética, apontando que a luz é um tipo de onda eletromagnética, o que faz com que a teoria das ondas se desenvolva a um nível perfeito.
De acordo com a dualidade da luz de Bo Li, a luz é igual a ondas de rádio, raios-x? Os raios são ondas eletromagnéticas, mas suas frequências são diferentes. A relação entre comprimento de onda λ, frequência u e taxa de propagação V da onda eletromagnética é a seguinte:
V = λ u
Como a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas de várias frequências no vácuo é igual na Alemanha, o comprimento de onda das ondas eletromagnéticas com frequências diferentes também é diferente. O comprimento de onda com alta frequência é curto, enquanto o comprimento de onda com baixa frequência é longo. Para a conveniência da comparação, de acordo com as ondas de rádio, raios infravermelhos, luz visível, raios ultravioleta, raios X e? O comprimento de onda (ou frequência) dos raios, etc., os organiza em um espectro em sequência, chamado espectro eletromagnético.
No espectro eletromagnético, as ondas de rádio têm o maior comprimento de onda, que pode ser dividido em ondas longas, ondas médias, ondas curtas, ondas ultracurtas, microondas e assim por diante. O segundo é o raio infravermelho, o visível e o ultravioleta, chamados coletivamente de radiação luminosa. Entre todas as ondas eletromagnéticas, apenas a luz visível pode ser vista pelos olhos humanos. O comprimento de onda da luz visível é de cerca de 0,76 a 0,40 mícrons, o que representa apenas uma pequena parte do espectro eletromagnético. O segundo é o raio-x. A onda eletromagnética com o menor comprimento de onda é o raio y.
Como a luz é um tipo de onda eletromagnética, deve mostrar suas características no processo de propagação-interferência, difração, polarização e outros fenômenos.
2. Interferência de filme fino
O filme pode ser um sólido transparente, líquido ou uma fina camada de gás presa por dois pedaços de vidro. O primeiro feixe de luz é refletido pela superfície superior do filme, a luz refratada é refletida pela superfície inferior do filme e o segundo feixe é refletido pela superfície superior. Os dois feixes estão do mesmo lado do filme, separados da mesma vibração incidente, são luz coerente e pertencem à interferência de amplitude. Se a fonte de luz é uma fonte de luz estendida (fonte de luz da superfície), a interferência só pode ser observada na área de sobreposição específica dos feixes secos de duas fases, portanto, pertence à interferência localizada. Para os filmes planares cujas duas superfícies são paralelas entre si, a franja de interferência está localizada no infinito, o que geralmente é observado no plano focal da imagem por meio de lentes convergentes; para filmes em forma de cunha, a localização da franja de interferência fica próxima ao filme.
Tanto experimentos quanto teorias provaram que somente quando duas colunas de ondas de luz têm uma certa relação é que podem ser geradas faixas de interferência. Esses relacionamentos são chamados de condições coerentes. As condições secas do filme fino incluem três pontos: a frequência das duas ondas de luz é a mesma; a direção da vibração das duas ondas de luz é a mesma; a diferença de fase entre as duas ondas de luz permanece constante.
A fórmula da diferença de caminho óptico da luz seca bifásica interferida pelo filme fino é:
δ = ntcos (α) ± λ / 2
Na fórmula, n é o índice de refração do filme; t é a espessura do filme no ponto do incidente; α é o ângulo de refração no filme; λ / 2 é porque dois feixes de luz coerente estão em duas interfaces com propriedades diferentes (um é o meio de densidade óptica para o meio de densidade óptica, o outro é o meio de densidade óptica para o meio de densidade óptica) diferença adicional do caminho óptico causada pela reflexão superior. O princípio da interferência de filme fino é amplamente utilizado na inspeção de superfície óptica, medição precisa de pequeno ângulo ou linearidade, preparação de filme antirreflexo e filtro de interferência, etc.
A luz é irradiada pela mudança do estado de movimento do átomo ou molécula original na fonte de luz. A onda de luz emitida por cada átomo ou molécula é apenas uma coluna curta, a duração é de cerca de 1 bilhão de segundos. Para duas fontes de luz independentes, não é fácil atender às três condições de interferência, como a mesma fase ou diferença de fase constante em mercados especiais; portanto, duas fontes de luz gerais independentes não podem formar uma fonte de luz coerente. Além disso, mesmo a luz emitida por diferentes partes da mesma fonte de luz não irá interferir geralmente porque são emitidas por diferentes átomos ou moléculas.
3. Classificação característica do filme óptico
Os principais dispositivos ópticos de filme fino incluem filme reflexivo, filme anti-reflexo, filme de polarização, filtro de interferência, espectroscópio e assim por diante, amplamente utilizados na economia nacional e na construção de defesa nacional, ganhou atenção crescente de trabalhadores científicos e técnicos. Por exemplo, o uso de filme anti-reflexo pode reduzir a perda de fluxo luminoso de lentes ópticas complexas em dez vezes; o uso de espelho de alta proporção de filme de reflexão pode dobrar a potência de saída do laser; O uso de filme fino óptico pode melhorar a eficiência e a estabilidade da bateria de silício.
O modelo de filme óptico mais simples é uma camada de filme dielétrico uniforme com superfície lisa e superfície isotrópica. Nesse caso, as propriedades ópticas dos filmes finos ópticos podem ser estudadas pela teoria da interferência da luz. Quando uma onda plana de luz monocromática é incidente no filme óptico, ela é refletida e refratada várias vezes em suas duas superfícies. As direções da luz refletida e da luz refratada são dadas pela lei da reflexão e refração, a amplitude da luz refletida é determinada pela fórmula de Fresnel.
Os filmes ópticos podem ser divididos: filme reflexivo, filme anti-reflexo / filme anti-reflexo, filtro, filme polarizador / polarizador, filme de compensação / placa de diferença de fase, filme de alinhamento, filme de difusão / filme, filme de brilho / lente prismática / condensador, filme de sombreamento / preto e cola branca, etc. Os derivados relacionados incluem película protetora óptica, película para janela, etc.
As características do filme óptico são: a superfície é lisa e a interface entre as camadas do filme apresenta segmentação geométrica; o índice de refração da camada de filme pode pular na interface, mas é contínuo na camada de filme; pode ser um meio transparente, também pode ser um meio de absorção; pode ser uniforme normal ou irregular normal. O filme aplicado é muito mais complicado que o filme ideal. Isso ocorre porque: durante a preparação, as propriedades ópticas e físicas do filme divergem do material a granel, e a superfície e a interface são ásperas, o que leva à reflexão difusa do feixe de luz; a penetração mútua entre as camadas de filme forma a interface de difusão; devido ao crescimento, estrutura, estresse e outras razões da camada de filme, todos os tipos de heterogeneidade do filme são formados; a camada de filme tem efeito de tempo complexo.
O filme refletivo geralmente pode ser dividido em dois tipos, um é um filme refletivo de metal e o outro é um filme refletivo totalmente dielétrico. Além disso, há um filme refletivo dielétrico de metal combinando os dois, cuja função é aumentar a refletividade da superfície óptica.
Geralmente, os metais têm um coeficiente de extinção relativamente grande. Quando o feixe de luz é incidente na superfície do metal pelo ar, a amplitude da luz que entra no metal decai rapidamente, o que faz com que a energia da luz que entra no metal diminua correspondentemente, enquanto a energia da luz refletida aumenta. Quanto maior o coeficiente de extinção, mais rápida a amplitude da luz decai. Quanto menos energia luminosa entra no metal, maior a refletividade. As pessoas sempre escolhem metais com grande coeficiente de extinção e propriedades ópticas estáveis como materiais de filme metálico. O material fino de metal comumente usado na região ultravioleta é o alumínio, o alumínio e a prata são comumente usados na região visível e o ouro, a prata e o cobre são comumente usados na região infravermelha. Além disso, cromo e platina também são frequentemente usados como materiais de membrana para alguns filmes especiais. Como o alumínio, a prata, o cobre e outros materiais são fáceis de oxidar no ar e reduzem seu desempenho, eles devem ser protegidos por membrana dielétrica elétrica. Os materiais de película protetora comumente usados incluem óxido de silício, fluoreto de magnésio, dióxido de silício, óxido de alumínio, etc.
A vantagem do filme refletivo metálico é que o processo de preparação é simples e a faixa de comprimento de onda de trabalho é ampla; a desvantagem é que a perda de luz é grande e a refletividade não pode ser muito alta. A fim de melhorar ainda mais a refletividade do filme refletivo de metal, várias camadas de camada dielétrica com uma certa espessura podem ser revestidas na parte externa do filme para formar o filme refletivo dielétrico de metal. Deve-se salientar que o filme dielétrico de metal aumenta a refletividade de um determinado comprimento de onda (ou uma determinada região de onda), mas destrói a característica de reflexão neutra do filme de metal.