光学材料培训教程-课件

目录第1章：光学基板材料

1.1光学材料的历史

1.2光学常数

1.3玻璃材料

1.4晶体材料

1.5树脂材料第2章：镀膜材料

2.1镀膜材料一般特性

2.2蒸发镀膜材料

2.2.1非氧化物材料

2.2.2氧化物材料

2.2.3金属材料

2.3溅射用靶材目录1第1章：光学基板材料内容提要：本章主要介绍一般常用光学材料的特性，以及如何看懂光学材料的各项参数。1.1光学材料的历史从人类发明玻璃的那刻起，就在为了利用进行了各种不同的尝试。人类先后发明了各种颜色玻璃和光学玻璃。特别是光学玻璃的发展对整个光学行业起了决定性德左右。在本世纪光学树脂的使用使光学零件的整体加工成本大大的降低。为了应用在一些的特殊情况下人们从自然界的一些晶体需要答案，随之促进人工合成晶体的发展。

1.2光学常数1）折射率n光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光速为基础），当光从真空进入较致密的材料时，其速度是降低的。定义为：光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率：

n=v真空/v材料=c/v材料折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率n随入射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指出所用的光的波长。一般常用nD来比较不同材料的折射率。第1章：光学基板材料2精品资料精品资料3你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”光学材料培训教程--课件4nD是指用钠光谱中的D线（λD=589.3nm，黄色）为光源测出的折射率。公司常见材料折射率（@550nm）BK71.52CG1.52SiO21.48Ti3O52.2FG-1/H41.9蓝宝石1.79Si3N42.002）消光系数/吸收率K光通过介质后介质对光线能量的吸收，材料对光的吸收是基于原子中电子（主要是价电子）接受光能后，由代能级（E1）向高能级（E2）跃迁（即从基态向激发态）。当两个能级的能量差（E2-E1=hν=Eg，h为普照朗克常数，v为频率）等于可见光的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。Eg越小，吸收的光的波长愈长，呈现的颜色愈深（显示的颜色为低波长段的颜色）；反之，能级差Eg愈大，吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。一般情况下金属的K值比较大，氧化物的K值较小。短波的K值大于长波的K值。nD是指用钠光谱中的D线（λD=589.3nm，黄色）为光源53）复合折射率我们把N=n-ik称为复合折射率，这个表示实际的折射率。在应用中由于介质材料的K非常小一般在10-3以下，所以在计算时候值考虑n值，认为该材料没有吸收;但是对于金属物质来说K系数比较大，一般情况下认为光能无法通过金属。4）反射率和透射率当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光。这种反射和折射，可以连续发生。例如当光线从空气进入介质时，一部分反射出来了，另一部分折射进入介质。当遇到另一界面时，又有一部分发生反射，另一部分折射进入空气。

由于反射，使得透过部分的强度减弱。因此对于透明材料，希望光能够尽可能多地透过。需要知道光强度的这种反射损失，使光尽可能多地透过。光波投射到材料表面的反射率取决于材料的折射率。

R=（N0-N1）²/（N0+N1）²(单面反射率)T=4N0Re（N1）/（N0+N1）²1=2R+T+吸收所以我们公司目前常用CG的透射率在90%，蓝宝石在80%。3）复合折射率61.3玻璃材料玻璃由熔融物冷却、固化而得的非晶态固体。玻璃具有一系列非常可贵的特性：透明、坚硬、良好的化学稳定性；可通过化学组成的调整，大幅度调节玻璃的物理和化学性能。1.3.1光学玻璃在普通的硼硅酸盐玻璃原料中加入少量对光敏感的物质，如AgCl、AgBr等，再加入极少量的敏化剂，如CuO等，使玻璃对光线变得更加敏感。光学玻璃必须有高度精确的折射率、阿贝数和高透明度、高均匀度。光学玻璃是用高纯度硅、硼、钠、钾、锌、铅、镁、钙、钡等的氧化物按特定配方混合，在白金坩埚中高温融化，用超声波搅拌均匀，去气泡；然后经长时间缓慢地降温，以免玻璃块产生内应力。冷却后的玻璃块，必须经过光学仪器测量，检验纯度、透明度、均匀度、折射率和色散率是否合规格。

1.3.2石英玻璃石英玻璃以其优良的理化性能，被大量广泛用于半导体技术，新型电光源，彩电荧光粉生产，化工过程，超高电压收尘、远红外辐射加热设备、航空航天技术、某些武器及光学仪器的光学系统、原子能技术、浮法玻璃及元碱玻璃窖的耐火材料，特种玻璃用坩埚，仪器玻璃成型部料碗，紫外线杀菌灯，各种有色金属的生产等诸多领域。石英玻璃SiO2含量大于99.5％，热膨胀系数低，耐高温，化学稳定性好，透紫外光和红外光，熔制温度高、粘度大，成型较难。多用于半导体、电光源、光导通信、激光等技术和光学仪器中。1.3玻璃材料7石英玻璃在整个波长有特别好的透光性，在红外区（特殊的红外玻璃除外），光谱透射范围比普通玻璃大。在可见光区透过率达93％。在紫外光谱区，特别是在短波，紫外光谱区透过率比其他玻璃好的多。石英玻璃他的光学性能在很大程度上取决于它的化学性能。哪怕是0.001％的杂质就明显地影响产品质量。1.3.3钢化玻璃钢化玻璃它是玻璃经过再加工处理而成一种预应力玻璃，具有较强的强度和抗拉度，不容易破碎。随着玻璃的继续冷却，表层已经硬化停止收缩，而内层仍在降温收缩，直至到达室温。这样表层因受内层的压缩形成压应力，内层则形成张应力，并被永久的保留在钢化玻璃中。由于玻璃是抗压强而抗拉弱的脆性材料，当超过抗张强度时玻璃即行破碎，所以内应力的大小及其分布形式是影响玻璃强度及炸裂的主要原因。另一种情况是玻璃在可塑状态下冷却时，不论是加热不均，还是冷却不均，只要在同一块玻璃上有温差，就会有不同的收缩量。在降至室温时，温度越高的地方降温越多，收缩量越大，玻璃也就越短。相反温度越低的地方降温少，收缩量也小，玻璃也就长。一块玻璃如各处长短不一则势必发生板面翘曲。这样我们就不难理解玻璃为什么会变形以及怎样防止变形。钢化玻璃强度高，其抗压强度可达125MPa以上，比普通玻璃大4～5倍；抗冲击强度也很高，用钢球法测定时，1kg的钢球从1m高度落下，玻璃可保持完好。石英玻璃在整个波长有特别好的透光性，在红外区（81.3.4浮法玻璃浮法玻璃是用海沙、石英砂岩粉、纯碱、白云石等原料，按一定比例配制，经熔窑高温熔融，玻璃液从池窑连续流至并浮在金属液面上，摊成厚度均匀平整、经火抛光的玻璃带，冷却硬化后脱离金属液，再经退火切割而成的透明五色平板玻璃。玻璃表面特别平整光滑、厚度非常均匀，光学畸变很小的特点.浮法生产的成型过程是在通入保护气体（N2及H2）的锡槽中完成的。熔融玻璃从池窑中连续流入并漂浮在相对密度大的锡液表面上，在重力和表面张力的作用下，玻璃液在锡液面上铺开、摊平、形成上下表面平整、硬化、冷却后被引上过渡辊台。辊台的辊子转动，把玻璃带拉出锡槽进入退火窑，经退火、切裁，就得到平板玻璃产品。浮法与其他成型方法比较，其优点是：适合于高效率制造优质平板玻璃，如没有波筋、厚度均匀、上下表面平整、互相平行；生产线的规模不受成形方法的限制，单位产品的能耗低；成品利用率高；易于科学化管理和实现全现机械化、自动化，劳动生产率高；连续作业周期可长达几年，有利于稳定地生产；可为在线生产一些新品种提供适合条件，如电浮法反射玻璃、退火时喷涂膜玻璃、冷端表面处理等。

1.3.4浮法玻璃91.3.4超白玻璃超白玻璃是一种超透明低铁玻璃，也称低铁玻璃、高透明玻璃。它是一种高品质、多功能的新型高档玻璃品种，透光率可达91.5％以上，具有晶莹剔透、高档典雅的特性，有玻璃家族“水晶王子”之称。超白玻璃同时具备优质浮法玻璃所具有的一切可加工性能，具有优越的物理、机械及光学性能，可像其它优质浮法玻璃一样进行各种深加工。无与伦比的优越质量和产品性能使超白玻璃拥有广阔的应用空间和光明的市场前景。1.3.4超白玻璃101.4晶体材料晶体是一种广泛存在自然界中的一种物质形态，随着研究的深入人们发现了晶体材料的光学性能，机械性能的优点。研究人员也在不断的进行人工晶体的研究，特别是在蓝宝石上取得了重大的突破。目前蓝宝石研究广泛的使用在各行各业。本节我们重点介绍蓝宝石晶体材料。蓝宝石英文名称为Sapphire，源于拉丁文Spphins，意思是蓝色；属于刚玉族矿物，三方晶系。宝石界将红宝石之外的各色宝石级刚玉都称为蓝宝石。

蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构，就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，因不同颜色元素离子渗透与生长中的蓝宝石，因而使蓝宝石显现出不同的颜色。在自然界中蓝宝石晶体内含有钛离子（Ti3+）与铁离子（Fe3+）时，会使晶体呈现而成为蓝色蓝宝石（BlueSapphire）。当晶体内含有铬离子(Cr3+)时，会使晶体呈现红色，而成为红宝石(Ruby)。又当晶体内含有镍离子(Ni3+)时，会使晶体呈现黄色，而成为黄色蓝宝石。蓝宝石晶体在晶体的对称分类中属于中级晶族，三方晶系。1.4晶体材料11蓝宝石单晶是一种简单配位型氧化物晶体，呈各向异性，属六方晶系，晶格参数a=b=0.4758nm，c=1.2991nm，α=β=90°，γ=120°。蓝宝石单晶的透光范围为0.14-6.0μm，覆盖真空紫外、可见、近红外到中红外波段，且在3-5μm波段具有很高的光学透过率；具有高硬度(仅次于金刚石)、高强度、高热导率、高抗热冲击品质因子的力学及热学性能；具有耐雨水、沙尘、盐雾等腐蚀的稳定化学性能；具有高表面平滑度、高电阻率及高介电性能。这些优良的光学、力学、热学、化学及电学性能决定了它在军事及民用领域中的重要地位和作用。陶瓷材料由于有较强的机械性能机械强度和硬度都很高，能耐受很高的温度，即使在一千度的高温下也不会软化、变形、析晶。电绝缘性能、化学稳定性都很高。这些性质决定了它的用途会随着未来的大量使用，目前开始使用在光学产品上，由于我们接触比较少，相关资料少，没有单独进行介绍。蓝宝石单晶是一种简单配位型氧化物晶体，呈各向异性，属六方晶系121.4树脂材料以合成树脂为主要成分，加入适量的添加剂组成的材料。由于树脂材料可以利用喷射成型法进行大量生产。虽说目前它在光学和机械性能上还无法达到光学玻璃的性能，但是对于一些要求不要的光学零件已经得到了广泛的使用，可以有效决定产品的生产成本和重量。对整体的光学产业发展起到了积极的作用。下面我们将主要介绍目前比较常用的一些光学树脂。1.4.1ＰＭＭＡ基甲基丙烯酸酯树脂，与光学玻璃相比较，也具有同等以上的极好的透明性。这种材料分散小，硬度高，对于因紫外线暴露所引起的透明性劣化也有着超群的耐久性，另外，由于材料的非晶性好，光弹性灵敏度小，所以可以做精密成型透镜。该材料的缺点是吸湿性大，环境湿度对形状、折射率的影响大，耐热性也不理想，这个成为影响高精度用途应用的最大障碍。

1.4树脂材料131.4.2PS聚苯乙烯系树脂,有较高的折射率可以制作薄透镜.缺点是成型时由于苯分子取向所引起的双折射很大,在紫外线情况下苯环发生反应容易使着色劣化,实用耐热温度低,所以精密光学领域一般不会采用这种材料.1.4.3PC聚碳酸脂树脂,折射率、透明性、分散性等光学特性与ＰＳ相类似，此外还具有良好的耐热和耐冲击性，吸湿性也小。一般可用于ＣＤ等得光盘基板。1.4.2PS14第2章镀膜材料内容提要：自从镀膜机发明出来后，镀膜所用的材料也经历了从开始的蒸发简单的金属和镀单一的单种材料到目前可以生产多种材料的可变折射率材料，也从简单的可见光范围的镀膜延伸到紫外和红外材料，以及各种特殊用途的镀膜材料。2.1镀膜材料一般特性由于目前镀膜的工艺已经非常的完善，可以从工艺上分为CVD和PVD,而且PVD又可以分为蒸发镀膜和溅射镀膜.由于公司目前主要是PVD,所以我们重点是介绍PVD镀膜材料的一些特性.对于CVD镀膜所要的材料不作为讨论.对于镀膜材料一般要具备以下特性：透明度高，吸收小稳定的折射率堆积密度高散射小均匀的材质良好的机械附着力，硬度及应力化学性稳定，受环境影响小辐射能的承受量高第2章镀膜材料152.2蒸发镀膜材料本节所说的蒸发材料是指通过电子枪和阻抗加热所蒸发的材料.和采用溅射所加工的相同材料做区别.蒸发镀膜技术也是薄膜技术真正从实验室走向市场的标志.下面我们分别介绍各种不同的化合物.2.2.1非氧化物非氧化物目前使用最多的主要是氟化物和硫化物,由于硫化物对环境和身体都有影响目前已经比较少使用,重点介绍氟化物,而氟化物中目前使用最多的是MgF2.

氟化物的特性是折射率低,紫外光区透明度高(CeF3除外,其透明区为300nm—12000nm),膜软,怕水(加高温度镀的MgF2除外)。

MgF2为最常用的氟化物,原因是它在基板加热到250℃以上后膜质变硬,耐擦,透光区为140nm—10000nm.折射率只有1.38,很适合做单层抗反射膜,也适合与其他材料搭配当低折射率膜来做多层滤光片,镀MgF2可用钽舟或电子枪蒸镀,它略熔解后即会蒸发,蒸镀时有时会喷溅,其原因是材料部分(尤其表面或靠近周边与外物相接)变成了MgO,MgO熔点比MgF2高,MgF2蒸发时会把MgO喷出.防止之道是要保持干净,高温时不要放氧气或空气,材料要纯MgF2,颗粒不要太小,若镀后材料边会有白雾要刮掉.

2.2蒸发镀膜材料162.2.2氧化物氧化物是使用最多的镀膜材料,氧化物除了具有较稳定的光学和机械特性外,折射率的范围非常的广泛,可以作为膜系设计中的高低折射率使用.自然界中取材广泛,容易得到高纯度的物质.我们重点介绍公司使用到的氧化物.2.2.2.1二氧化硅SiO2是氧化物中膜性良好的最低折射率材料(约

1.45-1.47),SiO2不易分解,吸收与散射很小,在160nm到8000有良好的透明度,因此是制镀多层膜所需最佳的低折射率薄膜.SiO2的熔点与蒸发点很接近,因此使用颗粒状的SiO2当起始材料,电子束必须很快地扫描膜料,否则电子束很快会将膜料打成一深洞而影响蒸镀速率及SiO2分子蒸发的均匀分布.膜层数少的可采用选点方法以电子束打点蒸镀,若膜层数多者则需将坩埚改大,呈环型转动,而电子束面积也需扩大扫描,或以块状代替颗粒状SiO2.如此可免除此困扰.2.2.2氧化物172.2.2.2氧化钛目前市场上常见的氧化钛有Ti2O3,TiO2,Ti3O5.最开始人们通常使用TiO2,但是由于无法得到单纯的TiO2.通过实验发现Ti3O5的性能稳定，所以现在倾向使用Ti3O5。Ti3O5的折射率高(约2.2-2.5)，机械强度好，在可见光到近红外光都是透明的，且其折射率很高，因此是大家最常用来与SiO2搭配镀多层膜滤光片的材料。一般用电子枪蒸镀的人，取Ti3O5颗粒预熔成块后蒸镀（预熔电流需大于蒸镀的电流，如此镀膜时方不会喷溅，此原则适用于其他氧化物的预熔）。用质谱仪分析了TiO,Ti2O3,Ti3O5,和TiO2做为初始材料的蒸汽组分发现,初始膜料TiO和Ti2O3随着蒸发量增加,氧含量增加,折射率降低.TiO2则氧含量减少,折射率升高.唯有Ti3O5氧含量不变,能够得到稳定的折射率.

2.2.2.2氧化钛182.2.2.3钛酸镧钛酸镧是LaO和TiO2的混合物，目前市场上主要是默克公司生产的H4。在整个可见光波段范围内，LaTiO3材料的折射率在2.03～2.18之间，色散比较好，消光系数在0.0005～0.0009之间。由于H4使用离子源辅助的情况下，在低温下成膜的机械性能可以达到要求，所以可以大量使用在塑胶镀膜和一些对温度要求高的产品上。目前公司的AR膜就是采用的FG-1就是不同公司生产的钛酸镧。2.2.2.4五氧化二铌Nb2O5为折射率介于TiO2与Ta2O5的高折射率材料,在近紫外光到红外光都是透明的,可以溅镀Nb靶,亦可取Nb2O5用电子枪加离子源辅助镀膜,得到堆积密度近乎为1的光学薄膜.不过其镀前材料的预熔非常重要,这种技术已经成熟.以往很少人用Nb2O5,今日会渐为光学薄膜制镀者采用与SiO2搭配镀多层膜滤光片.2.2.2.3钛酸镧192.2.2.5氧化锆ZrO2是折射率略低于Ta2O5的氧化膜,由于用电子枪蒸镀很容易得到低折射率,起始材料可为ZrO2也可以为Zr,在近紫外到红外光区都是透明的.ZrO2的非均匀性比其他材料严重,不过若在其中参杂ZrTiO4则可大获改善。2.2.2.6氧化铝Al2O3的折射率在可见光约为1.63,用电子枪蒸镀后膜性稳定,因此常与MgF2及Sub-2或ZrO2搭配镀成可见光区的抗反射膜系.由于折射率到不了1.7,因此镀成的抗反射膜呈明显的绿色.经常作为中折射率使用，特别是镀AR和作为镀金属膜的打底和保护层使用2.2.2.5氧化锆202.2.3金属材料金属材料具有较高的反射率，可以加工成较高要求的镜面效果，但是不是所有的金属都实用在镀膜上。铝(Al),银(Ag),金(Au)等是应用很广的几种金属材料.它们具有反射率高,截至带宽,中性好和偏振效应小等优点.缺点是它们的吸收稍大,机械强度较低.在真空紫外区,金属膜的n和k都很小,反射率非常低.带内跃迁主要出现在小于某一波长的区域内.对金和铜,这个波长位于可见光区,银位于紫外光区,而其他很多金属位于红外区.在红外区,因带外跃迁占优势而使n和k增加,结果反射率增大.

对Al和Ag膜，可见光区的k大约为3---7。可见，当这些金属膜的几何厚度为100nm左右时，透射率降低到0.0004%。K越大，透射光强衰减越快，所需的厚度越小。在红外区，由于k值迅速增大，膜厚仍保持与可见光区相同甚至可以更薄。过大的厚度，金属膜的反射率非但不会提高，甚至反而下降，这是因为膜层颗粒度变粗导致散射增加。金属膜不但吸收较大,而且膜层牢固性较差,为了缓解这些问题,常用的反射镜设计要求增加一层和多层打底过渡层，而且单纯的金属在空气中容易氧化，所以一般需要增加一层其它膜来保护金属膜层不被氧化。常用的打底层有SiO和Al2O3，保护层为SiO2和Al2O3。2.2.3金属材料212.3溅射用靶材溅射镀膜技术将会是未来发展的一个趋势，由于溅射镀膜可以溅射金属也可以溅射非溅射，所以溅射镀膜的材料选择非常的广泛，而且可以采用溅射金属通氧化生成氧化物，也可以直接溅射氧化物。可以通过通不同的工作气体生成物质。可以同时溅射2种物质生成任一需要的折射率。并且溅射的离子能量是蒸发镀膜的10-10²数量级，生产出的薄膜具有更加优越的机械性能。我们将重点介绍公司所使用的各种靶材。2.3.1Si靶材公司使用的Si靶材的纯度要求99.999%的多晶硅。通过通不同的工作气体生产不同的物质，目前我们主要是通氧气生成二氧化硅，通氮气生产氮化硅。二氧化硅的性质同上节所讲，在这里不重复。下面介绍氮化硅。氮化硅，子式为Si3N4,它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。氮化硅在可见光范围内的折射率在1.90～2.1之间，基本上和蒸发所镀的H4材料一样的折射率。故一般和氧化硅搭配使