（凝聚态物理专业论文）溶胶凝胶法制备tio2sio2宽带增透膜及偏振分光膜研究.pdf

摘要 本文首先利用m a s s 膜系设计软件，根据多层膜理论，对由t i 0 2 和s i 0 2 两 种材料组成的交替多层膜进行理论模拟设计，得到最佳化和最优化的宽带增透 膜模型和偏振分光膜模型。然后以理论模拟结果为指导，利用溶胶一凝胶技术， 在酸催化体系中以钛酸丁酯( t i ( o b u ) 4 ) 为前驱体制得t i 0 2 溶胶，以正硅酸乙酯 ( t e o s ) 为前驱体制得s i 0 2 溶胶，采用提拉法在普通载玻片上分别镀制不同 膜层结构的宽带增透膜和偏振分光膜。利用双光束紫外一可见分光光度计、原子 力显微镜、拉曼光谱仪、椭圆偏振仪、双通道光率计等仪器对样品进行表征， 研究了样品的透射光谱及透射比、表面形貌、膜层厚度、消光比等特性。 增透膜的模拟计算结果表明，垂直入射时，双面镀t i 0 2 s i 0 2 膜( h l 膜) ，在 整个4 4 0 7 0 0 r i m 波段，光线的透射比为9 9 左右，其增透效果要好于单面膜。根 据理论模拟结果，实验采用“交替镀膜 法，制备出宽带增透t i 0 2 s i 0 2 多层膜， 其方法有别于以往的t i 0 2 + s i 0 2 复合膜 法。实验发现，双面h l 膜具有明显的宽 带增透效果：在4 0 0 7 0 0 r i m 波段，当光线垂直入射时，增透7 左右；4 5 0 角入射 时，可增透1 0 。研究了提拉速度和退火温度对样品透射比的影响，结果表明， 提拉速度为9 c m m i n ，膜厚大约为2 5 5 n m 时，整个波段透射效果最好；退火处理 对膜片的透射比影响较大，控制退火温度及提拉速度，可以使某些波段透射比增 强。薄膜表面的a f m 图表明h 1 膜的表面均匀性良好，8 0 处理后薄膜膜层的均方 根表面粗糙度( r m s ) 为1 6 8 2 ，平均粗糙度( r a ) 为1 2 0 8 ；3 0 0 退火后，其r m s 为0 2 8 9 ，r a 仅为0 2 0 7 ；5 5 0 退火后，其r m s 为0 1 6 7 ，r a 仅为0 1 0 8 。随着退 火温度升高，表面粗糙度降低，而表面粗糙度大的薄膜其透射效果较好，这主要 是由于随退火温度升高o h 被除去的缘故。 偏振分光膜的模拟计算结果表明，t i 0 2 s i 0 5 四层膜( 1 h l h 膜) ，在4 0 0 7 0 0 r i m 比较宽的波带范围内，其透射比和反射比接近5 0 ，能够很好地实现分光；其 s 光反射比可以达到9 5 ，p 光的透射比在9 0 左右，能够较好地分开s 光和p 光。在实验室中，利用溶胶凝胶技术，采用提拉法镀制了此种薄膜，对样品的 偏振特性及消光比等做了测量。实验测试结果如下：透射p 光在检偏器的转动 3 6 0 。的情况下，其曲线变化遵循马吕斯定律，且相对于最大光强，最小光强基 本为o ；两光强峰值对称，这说明样品棱镜的起偏振性能良好。样品的消光比 为4 7 6 ：1 。在4 0 0 7 0 0 r i m 比较宽的波段范围内，样品的p 光的透射比超过8 0 ， 且其消光比随入射角的变化不敏感。 关键词：溶胶一凝胶法；增透膜；偏振分光膜；膜系设计；t i 0 2 s i 0 2 多层膜 a b s t r a c t i nv i r t u eo ft h et h i nf i l md e s i g n i n gs o f t w a r em a s s ，b r o a d b a n dr e f l e c t i o nr e d u c i n g c o a t i n ga n dp o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e rc o m p o s e do ft i 0 2 j s i 0 2m u l t i l a y e rf i l m sh a v e b e e np r e p a r e da c c o r d i n gw i t ht h em u l t i l a y e rt h e o r y t i t a n i co x i d es o la n ds i l i c o n d i o x i d es o lw e r eo b t a i n e db yh y d r o l y s i sa n dc o c o n d e n s a t i o nr e a c t i o n so c c u r r e di n a c i d - c a t a l y z e ds y s t e mb yc a r e f u l l yc o n t r o l l i n g t h e s o l - g e lp r o c e s s o f t e t r a b u t y l o r t h o t i t a n a t e ( t i ( o b u ) 4 ) a n dt e t r a e t h o x y s i l a n eo r e o s ) t h es a m p l e sw e r e c o a t e do ng l a s ss l i d e s b yd i p p i n g m e t h o d t h e s a m p l e s c h a r a c t e r s ，s u c h a s t r a n s m i s s i o ns p e c t r u m ，s u r f a c em o r p h o l o g i e s ，t h i c k n e s sa n de x t i n c t i o nr a t i ow e r e s t u d i e d b y d o u b l e - b e a mu l t r a v i o l e t - v i s i b l e s p e c t r o p h o t o m e t e r , a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y ( a f 旧，e l l i p s o m e t e ra n d d u a l - c h a n n e lp o w e rm e t e r t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo ft h et i 0 2 s i 0 2 f i l m sf o rb o t hs u r f a c e si s9 9 a tn o r m a li n c i d e n c e i t ，sb e t t e rt h a nt h ef i l m sf o ro n e s u f a c e u s i n gt h ea l t e r n a t i n gc o a t e dm e t h o dd i f f e r i n gf r o mt h ec o m p o s i t em e t h o d , t h e b r o a d b a n dr e f l e c t i o nr e d u c i n gc o a t i n gw a sp r e p a r e d t h er e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o n ： f r o mt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r ao ft h es a m p l e sw cc a ns e et h a tf o rt h ec a s eo fv e r t i c a l i n c i d e n c e ，t h ea v e r a g et r a n s m i s s i o no ft h es l i d es a m p l ei n c r e a s e d7 c o m p a r e dt ot h e u n c o a t e do n ei nt h es p e c t r ar a n g ef r o m4 0 0 n mt o7 0 0 h m ，f o r4 5 。i n c i d e n c et h e i n c r e a s ei s1 0 t h ed e p e n d e n c eo fs a m p l e s t r a n s m i t t a n c eo nh o i s ts p e e da n d a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ew a si n v e s t i g a t e d i ti sb e s tw h e nh o i s ts p e e di s9 c m m i na n d t h ef i l mt h i c k n e s si s2 5 5 n m a n n e a l i n gt r e a t m e n th a dg r e a te f f e c to nt r a n s m i t t a n c e t h r o u g hc o n t r o l l i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dh o i s ts p e e d ，t h et r a n s m i t t a n c ea ts o m c w a v eb a n dc a nb ee n h a n c e d t h er e f l e c t i o nr e d u c i n gc o a t i n go f8 0 a n n e a l e dh a s s m o o t ha n de v e ns u r f a c e ，i t sr o o tm e a ns q u a r e ( r m s ) a n d a v e r a g er o u g h n e s s ( r a ) a r ee s t i m a t e dt ob e1 6 8 2a n d1 2 0 8 t 0t h ef i l mo f3 0 0 a n n e a l e dt h er m sa n dr a a r ee s t i m a t e dt ob e0 2 8 9a n d0 2 0 7a n dt ot h ef i l mo f5 0 0 。ca n n e a l e dt h e ya r e0 1 6 7 a n d0 1 0 8 t h es u r f a c er o u g h n e s sd e c r e a s dw i t hi n c r e a s i n go ft h ea n n e a l i n g t e m p e r a t u r ea n dt h et r a n s m i s s i o ni sh i g hw h e nt h es u r f a c er o u g h n e s si sb i g , b e c a u s e t h eh y d r o x yw a sr e m o v e dw i t hi n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r e b r o a d b a n dp o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r sw e r ed e s i g n e d 。t h et r a n s m i t t a n c ea n d r e f l e c t i v i t yo ft i o js i 0 2f o u r - l a y e ra l t e r n a t ef i l m si sa p p r o a c h i n g5 0 i nr a n g ef r o m 4 3 0 n mt o7 0 0 n m t h er e f l e c t a n c eo ft h es p o l a r i z e dl i g h ti s9 5 a n dt h e t r a n s m i t t a n c eo ft h epp o l a r i z e dl i g h ti s9 0 ，s ot h es p o l a r i z e dl i g h ta n dpp o l a r i z e d l i g h tw e r eb e t t e rd e t a c h e d i nt h el a b ，t h es a m p l e sw e r ep r e p a r e du s i n gs 0 1 g e l t e c h n o l o g yb yd i p c o a t i n ga n dt h et e s t i n gm e t h o d sw e r ed e s i g n e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et r a n s m i t t a n c eo ft h ep p o l a r i z e dl i g h to b e y st h em a l u sl a ww i t ht h e 融 n i n go f a n a l y z e r , f u r t h e rm o r et h em i n i m u ma p p r o a c hz e r oc o m p a r ew i t hm a x i m u ma n dt h e w a v ec r e s t so ft r a n s m i t t e dl i g h tw e r cs y m m e t r i c t h o s es h o wt h a tt h ep o l a r i z eo ft h e s a m p l e sa r eb a t t e r t h ee x t i n c t i o nr a t i oo fs a m p l ei s4 7 6 ：1 t h et r a n s m i t t a n c eo fp p o l a r i z e dl i g 瓤i se x t e n dt om o r et h a n8 0 i nt h es p e c t r ar a n g ef r o m4 0 0 n mt o7 0 0 h m ， a n di t se x t i n c t i o nr a t i oi si n s e n s i t i v et ot h ec h a n g eo fi n c i d e n ta n g l e k e y w o r d s ：s o l - g e l ；r e f l e c t i o nr e d u c i n gc o m i n g ；p o l a r i z i n gb e a m s p l i t t e r ； c o a t i n g - d e s i g n ；t i o z s i 0 2m u l t i l a y e rf i l m s 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 曼圭逸指导教师签名：二丛亟至 油墨年易月岁日沙呕年石月( 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：谚孛乡骘 弘戊年s 只箩e l 1 1 引言 第一章绪论 由于受传统显像管( 僳t ) 的体积、功耗、制造技术和成本方面的限制， 用传统的c r t 来实现大屏幕或超大屏幕已显得越来越困难。从上世纪7 0 年代 开始，美国、日本和欧洲发达国家已开始竞相研究开发大屏幕显示技术和显示 器件，力争摆脱传统c r t 的束缚。经过二十多年的研究和开发，现在人们不仅 在大屏幕图像显示技术上取得了很大进步，而且在大屏幕显示器件的研究、开 发及新材料的应用上也取得较大的进展，尤其是近年来在市场上不断涌现出来 的各种投影电视机和等离子电视机，愈来愈引起广大消费者的关注【心】。作为电 视产品家族的一个重要成员，大屏幕电视的市场份额正呈现上升趋势，特别是 其中的背投影式彩电，更是以其成本低廉、清晰度高、显示屏幕大、色彩鲜艳 柔和的特点，赢得了市场的青睐。大屏幕化、数字化和多功能将是电视机未来 的发展方向，背投影电视机的出现正是适应这一发展的产物。在现有的投影显 示系统中，大致有四种实现技术【3 】： 采用c r t ( c a t h o d e r a yt u b e ) 作为图像发生源的c r t 大屏幕投影电视系统； 采用l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 作为图像发生源的l c d 大屏幕投影显示 系统： 采用d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 作为图像发生源的d l p ( d i g i t a ll i g h t p r o c e s s o r ) 大屏幕投影显示系统； 采用液晶覆硅技术l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 作为图像发生源的l c o s 大屏幕投影显示系统。 无论是基于c r t 技术，还是基于l c d 和l c o s 技术的投影系统中都要用 到含有偏振分光膜( p b s ) 的光学引擎。另外，在现代光学测试和光学应用中，也 需要用到偏振光，它可以作为信息的载体和携带者进行信息的传递和交流。常 见的起偏和检偏器件是利用晶体的双折射特性制成的 4 - 5 ，但由于其成本高、口 径小、加工工艺复杂等缺点，应用范围比较小。偏振分光棱镜因其通光孔径大、 损耗低、系统设计灵活等特点备受人们关注，在光学仪器、激光技术、光电显 示和光电存储等领域得到了广泛应用。光学引擎是投影显示器及投影机的核心 部件，它决定了图像的亮度、色度和光能利用率，从而决定了投影机的整机效 率。其价格昂贵，占背投电视机及投影机成本的4 0 以上。光学引擎中的偏振 分光棱镜( p b s ) ，是光学引擎中要求最高的薄膜元件，它要求在4 2 0 一 6 8 0 n m 波 段范围内，约在3 0 0 ( 空气中，f 数= 2 0 ，但l c o s 只能到2 0 0 ) 入射角范围内能最 大限度地分开p 光( 高透) 和s 光( 高反) ，并保证有高的p 光透过率f r p 9 0 ) 和 高的消光比( t p t s 5 0 0 ) 。消光比越大，t p 的透过率越大，图像的对比度越高， 色彩的一致性越好，光能的利用率也越高。 本文首先利用m a s s 膜系设计软件，根据多层膜理论，对由砷d 2 和s i 0 2 两 种材料组成的交替多层膜进行理论模拟设计，得到最佳化和最优化的宽带增透 膜模型和偏振分光膜模型。然后以理论模拟结果为指导，利用溶胶一凝胶技术， 制得t i 0 2 溶胶和s i 0 2 溶胶，采用提拉法在普通载玻片上分别镀制不同膜层结 构的宽带增透膜和偏振分光膜，并研究了薄膜一系列性质。 1 2 溶胶- 凝胶法 6 - 1 f l 1 2 1 溶胶凝胶法简介 溶胶一凝胶( s 0 1 g e l ) 法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶 而固化，再经热处理而成氧化物或其它化合物固体的方法。s o l g e l 技术研究始 于1 9 世纪中叶，但在当时并未引起人们的重视。但自从1 9 7 1 年h d i s l i c h 首次通过 溶胶一凝胶工艺制备出多元氧化物固体材料以来，s o l - g e l 技术被成功地应用于 制备块状多组分凝胶玻璃，得到材料界研究者的广泛关注并获得迅速发展。 2 0 世纪8 0 年代以来，s o l - g e l 法进入了发展的高峰时期。 s 0 1 g e l 法制备材料属于湿化学法( 包括化学共沉淀法、水热法、微乳液法等) 中的一种，该方法用液体化学试剂( 或将粉末溶于溶剂) 为原料( 高化学活性的材 料成分的化合物前驱体) ，在液相下将这些原料均匀混合，并进行一系列的水解、 缩合( 缩聚) 的化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系。溶胶经过陈化， 2 胶粒间缓慢聚合，形成以前驱体为骨架的三维聚合物或者是颗粒空间网络，其间 充满失去流动性的溶剂，这就是凝胶。凝胶再经过干燥，脱去溶剂而成为一种 多孔空间结构的干凝胶或气凝胶。最后，经过烧结固化制备所需材料。 s 0 1 g e l 法制备薄膜涂层的基本原理是：将金属醇盐或无机盐作为前驱体， 溶于溶剂( 水或有机溶剂) 中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应， 反应生成物聚集成几个纳米左右的粒子并形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基 材进行涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干凝胶膜，最后在一定的 温度下退火即得到所需的涂层。 1 2 2 溶胶一凝胶法的特点 s 0 1 g e l 法制备薄膜不需要物理气相沉积法( p v d ) 和化学气相沉积法( c v d ) 那 样复杂昂贵的设备，具有工艺简便、设备要求低以及适合于大面积制膜。而且 薄膜化学组成比较容易控制，能从分子水平上设计、剪裁，特别适于制备多组 元氧化物薄膜材料。已被认为是制备薄膜最有效的手段之一。目前，s o l - g e l 法已广泛的用于制备各类功能薄膜、结构薄膜及防护薄膜等。随着溶胶一凝胶工 艺应用领域的不断拓宽，这种方法已越来越受到人们的青睐。与其它一些传统 的无机材料制备方法相比，溶胶一凝胶工艺具有许多特点： ( 1 ) 制品化学均匀性好：由于溶胶一凝胶过程中，溶胶由溶液制得，故胶粒内 及胶粒间化学成分完全一致。 ( 2 ) 制品的纯度高：由于所用原料纯度高，而且溶剂在处理过程中易被除去。 ( 3 ) 颗粒细：胶粒尺寸小于l o o n m 。 ( 4 ) 烧结温度比传统方法低很多，因为该所需生成物在烧结前已部分形成， 且凝胶的比表面很大。 ( 5 ) 反应过程易于控制，可大幅度减少副反应、分相，并可避免结晶等。 ( 6 ) 从一种原料出发，改变工艺过程即可获得不同的制品，如纤维、粉料或 薄膜等。 3 1 2 3 溶胶一凝胶法的分类和过程 根据使用原料的不同可以将s o l - g e l 法分为两类：( a ) 原料为金属无机盐水溶 液的水溶液l - g e l 法；( b ) 原料为金属醇盐的醇盐l g c l 法。其基本原理是：将 金属醇盐或无机盐溶于溶剂( 水或有机溶剂) 形成均质溶液，溶质与溶剂发生 水解或醇解反应，反应产物聚集成l n m 左右的粒子并形成溶胶，溶胶经蒸发干 燥转变为凝胶。 水溶液s 0 1 g e l 法和金属醇盐s 0 1 g e l 法的具体过程不同。 ( a ) 水溶液s o l g e l 法 第一步溶胶的形成主要是通过无机盐的水解来完成，反应表示式为： m 2 + + n h 2 0 - - m ( o h ) n + n h + ( 1 ) 多数情况下均需加碱使反应方程向右移动。溶胶可以通过凝聚 ( c o n d e n s a t i o n ) 或分散( d i s p e r s i o n ) 两种方法获得。前者是在较高的温度下通过可 控制的成核作用和晶体生长来获得溶胶；后者是使金属盐在过量碱的作用下于 室温迅速形成凝胶状沉淀，将沉淀中的电解质洗去，加入强酸使之在较高的温 度下分散溶胶。这两种途径获得的溶胶的稳定因素都是表面电荷。 第二步为凝胶的形成，溶胶转化为凝胶可以通过脱水或增加p h 值两种方 法来实现，假定溶胶的稳定因素是表面正电荷的存在，随着水的脱除，分散层 中电解质的浓度增大，结果使得胶凝的能量障碍减小；同样通过加入碱来增加 p h 值，可以减少溶胶粒子的表面正电荷，结果使得溶胶粒子间的排斥力减小， 即减小了胶凝的能量障碍。，随着胶凝障碍的解除，溶胶便自动聚集成凝胶。 ( b ) 金属醇盐s o l - g e l 法 以金属醇盐溶液为原料，在醇盐醇水体系中，金属醇盐与水发生水解与 缩聚反应制得溶胶，反应表示式为： 水解：m ( o r ) n + x h 2 0 - - = , - m ( o r ) 】【( 0 h ) 】【+ x r o h ( 2 ) 缩聚：2 m ( o r ) x ( o h ) x 一【m ( o r ) n 】【( o h k l l 2 + h 2 0 ( 3 ) 总反应：m ( o r ) n + i i 2 h 2 0 - m o n 2 + n h o r ( 4 ) 凝胶可以通过凝聚或分散两种方法获得。前者是在较高的温度下通过可控制 的成核作用和晶体生长来获得溶胶；后者是在室温下使金属盐在过量碱的作用下 4 分解形成凝胶状沉淀，将沉淀中过量的电解质洗去，加人强酸使之在较高的温度 下分散成溶胶。溶胶转化成凝胶可以通过脱水或增2 n p h 值来实现，都是减少凝胶 粒子的表面正电荷，使溶胶粒子问的排斥力减少，聚集成溶胶。 实际上，金属醇盐s 0 1 g e l 法，体系中所发生的反应过程是十分复杂的，对 这种方法而言没有明显的溶胶形成步骤，但水解与缩聚同时进行最终导致了凝 胶的形成。 1 2 4 影响溶胶一凝胶过程的因素 当溶剂种类和加入量固定后，加水量，酸碱度和体系的温度对醇盐水解缩 聚反应的速度至关重要，对形成的凝胶结构以至发光材料的性质都有很大影响。 在不加催化剂的情况下，要使体系在室温下生成足够的m ( o h ) n 以便缩聚 反应能以一定速度进行，应往体系中加入适量的水( 通常以水金属醇盐摩尔比 来表示) 。当加水量很少时，凝胶形成链状结构，随着加水量的增多，凝胶 逐步向二位和三维网络结构发展。人们可以通过控制加水量来控制凝胶时间， 改变凝胶结构。也可以改变溶胶的粘度获得适合的镀膜溶液。 首先以s i ( o r ) 4 ( s i ( o c 2 h s ) 4 ，正硅酸乙酯) 制备s i 0 2 溶胶为例，在 s i ( o r ) 4 c 2 h s o h i - i ：o 体系中，水解缩聚的总反应式为： n s i ( o r ) 4 + 2 n h 2 0 - - - - n s i 0 2 + 蝴t o h ( 5 ) 上式表明，理论上1 t o o l 的s i ( o r ) 4 只要2 m o l 的水就可得到二维甚至三维 网络结构，但实际上为了使s i ( o r ) 4 较快水解，往往加入过量的水。用表示 水金属醇盐的摩尔比，一般，当r o 2 时，体系中s i 0 2 含量 7 8 ，此时形成 线性聚合物；当 1 0 0 0 1 拘优良的偏振分束性能。上图1 - 3 是p b s 薄膜的 一个典型光谱曲线( o c l i 公司产品的实际测量曲线) ，可以发现它的分束性能是非 常好的。 就如何研制出光学性能非常好的p b s 薄膜p h i l i pb a u m e i s t e r ，l il i 等人 做了很多工作。他们试图去提高入射角范围又不影响其光谱特性。比如采用依赖 于数值计算的方法或采用抑制全反射的方法都获得了不错的p b s 薄膜。在国内上 海光机所薄膜技术中心采用多个迈克尼尔对组合来满足宽入射角范围的要求， 采用多个中心波长不同的入4 膜堆来满足宽光谱范围方法也得到了性能稳定的 薄膜。 实际上能实现宽带偏振分束的方法有很多种：( 1 ) 利用选择吸收方法制成 的偏振片。但其却吸收了超过5 0 的入射光的能量。( 2 ) 利用晶体的双折射方法 实现偏振分束。但其受到尺寸的限制和昂贵价格的制约而没有受到广泛的应用。 ( 3 ) 利用衍射原理制成的金属光栅实现的偏振分束。但它仅能对红外波段起作 用。( 4 ) 利用光学薄膜的干涉原理实现的偏振分束，从理论上讲它可以实现宽角 度宽波段的偏振分束功能，造价又低，制备灵活，因此备受关注。它的发展也是 一个渐进的过程，最早的薄膜分束器是由m a c n e i l l e 于1 9 4 6 年研制出来的，他 l l 钳朋为”铃n w 孙埔刚乱曩瓯瓴饥仉氢t啊盼锋秘黯稚雒排睢 是基于b r e w s t e r 角和薄膜干涉原理实现的，虽然能在可见及红外波段内实现分 束但其入射角度却非常小。后来b u c h m a n 等人基于边缘分离特性得到了较宽角度 的p b s 薄膜，但是其只能在单一光谱内实现分束。b e r g s t e i n 利用内部反射还制 成了三层p b s 薄膜，可惜的是后来却没有继续做深入报道。还有利用薄膜干涉和 晶体的双折射原理杂交而成的p b s 薄膜。今天，人们继续向理想的p b s 薄膜不断 地探索和深入。但如何最大限度地设计出既有宽光谱范围又有宽入射角范围并具 有优良消光比的p b s 薄膜仍是一个值得研究的问题。 1 3 2 2 薄膜偏振分光镜原理 薄膜偏振分光棱镜是大屏幕显示中关键元件，采用它和偏振转换装置可以 使整个投影系统能量的利用率提高一倍。p b s 薄膜既可以使一束自然光分解成 s 偏振光和p 偏振光，同时也可以应用于s 偏振光和p 偏振光的合成系统。 薄膜偏振分光镜如图1 - 4 所示，在直角光学玻璃棱镜的体对角面上镀制多层介 质膜( 即偏振分光膜) ，再将两块棱镜的分光面胶合起来，因为要考虑到膜层和 介质的吸收作用，所以在每块棱镜的分光面镀制多层介质偏振分光膜的同时， 需要在直角通光面上镀多层增透膜，目的是为了降低光通过棱镜时的反射损耗， 从而确保光的高的透过率。 图1 - 4 薄膜偏振分光镜结构图 f i g 1 4t h es t r u c t u r eo ft h i nf i l mp o l a r i z i n gb e a n as p l i t t e r 如图1 - 4 所示，自然光垂直于棱镜的直角面入射，在棱镜体对角面处遇到多 层偏振分光膜，根据m a c n e i l l e 提出的薄膜设计原理，对于折射率不同的两种材 料的交界面，总可以找到一个入射角，使之满足布儒斯特角条件，在这样一个条 件下，光线由棱镜左侧入射后，在右侧透射的光为振动面平行于纸面的p 偏振光， 在侧面反射的光为振动面垂直于纸面的s 型偏振光。为满足布儒斯特角条件，必 须选择折射率满足一定关系的膜料和基底材料。由菲涅耳原理可知：对于折射率 为厅和他的两种材料和基底折射率却以及膜层和玻璃基底之间的入射角岛，这 四个量要满足关系式( 9 ) ： i l l 岛4 丽n h n l 对于垂直于入射面方向的振动，各个层中的光学导纳是不同的；由于相临 两层导纳的跃变，因此s 分量的光存在反射。将膜系设计成必形式，选择适当 的膜厚( s 分量的反射率随层数的增加而增加) ，使s 分量的反射光相长干涉， 在具有适当的层数后，入射光束的s 分量基本上被反射，剩余的p 分量的光就 被透射。 1 3 3 增透膜【3 1 删 1 3 3 1 增透膜简介 增透膜( 也叫减反射膜) ，在现代光学薄膜生产中占有十分重要的地位，其生 产总量超过所有其它的光学薄膜。在光学系统中，有两种原因需要降低零件表面 的反射。第一种原因是未经处理的光学零件由于有反射损失，其透射率总是低于 1 0 0 。例如，常用的冕牌玻璃零件的透射率只有9 2 ，而火石玻璃低到8 5 。大 多数仪器都包含许多个串置的零件，若零件表面不镀制增透膜，则仪器的总透射 率将更低。第二种原因是零件表面的反射光经过多次反射，有一部分成为杂散光， 最后也到达像平面，使像的衬度降低。这在某些应用中显得更为重要，例如电影 放映用的镜头，包含十多个零件，若不镀制增透膜，则完全无法使用。 目