Các loại màng quang học: Bài thuyết trình của Lê Nguyễn Bảo Thư

Trường ĐHKH Tự Nhiên Trường ĐHKH Tự Nhiên Khoa Vật Lý Khoa Vật Lý

Các loại màng quang học Các loại màng quang học

GVHD: T.S LÊ VŨ TUẤN HÙNG

HV : LÊ NGUYỄN BẢO THƯ

LỊCH SỬ MÀNG QUANG LỊCH SỬ MÀNG QUANG

GƯƠNG VENETIAN

FRAUNHOFER

A.FRESNEL

. Lý thuyết cơ bản này miêu tả sự nhiễu của từng sóng cục bộ phản xạ từ hai bề mặt quang học song song, các lớp vật liệu điện môi khác nhau được lắng đọng trên một chuỗi xác định trên bề mặt của thành phần quang học. Ít nhất hai lớp vật liệu với chiết suất khác nhau phải được chọn lựa để điều chỉnh hàm truyền phổ của lớp sắp xếp theo qui trình xác định

Năm 1899: Lý thuyết Fabry-Perot ra đời Năm 1899: Lý thuyết Fabry-Perot ra đời

Hiệu quang lộ: p 2

q cos

n d 1 1 l

Độ phản xạ đế:

cos(2 ) 1 + d

2 r 1 + 1 2

2 r r 1 2

r r 1 2 cos(2 ) 1

2 r 2 2 2 r r 2 1

QWOT: quarter – wave optical thickness QWOT: quarter – wave optical thickness

D i

n d 4 i l

R s

n n 2 0 n n 2 0

Độ dày D của lớp (tính theo QWOT) Độ dày D của lớp (tính theo QWOT)

� = � �

R s

Với một lớp đơn dày 1 QWOT Với một lớp đơn dày 1 QWOT 2 �- 2 n 1 �+ 2 n � 1

� n = � 0 n � 0

Với một lớp đơn dày 2 QWOT Với một lớp đơn dày 2 QWOT �- n 2 �+ n � 2

 Các yếu tố của ma trận đơn lớp

Ma trận hình thức (matrix Ma trận hình thức (matrix formalism) formalism) Các yếu tố của ma trận đơn lớp MMi có thể thu được từ i có thể thu được từ các điều kiện biên trong cấu trúc lớp liên quan đến các điều kiện biên trong cấu trúc lớp liên quan đến cường độ điện trường (Ei-1) và từ trường (Hi-1) ở mặt cường độ điện trường (Ei-1) và từ trường (Hi-1) ở mặt trước và các giá trị cường độ trường (Ei và Hi) ở đằng trước và các giá trị cường độ trường (Ei và Hi) ở đằng sau của lớp: sau của lớp:

E i H

cos

d sin

i n i

d sin cos i

E � � � � =� � � � i M H � � � � � � � � in � i

� E � � � i � � � H � � � i �

MÀNG QUANG HỌC MÀNG QUANG HỌC

Màng quang học gồm một hay nhiều lớp vật liệu  Màng quang học gồm một hay nhiều lớp vật liệu mỏng phủ trên một thiết bị quang học như thấu mỏng phủ trên một thiết bị quang học như thấu kính hay gương, những thiết bị cho phép biến kính hay gương, những thiết bị cho phép biến đổi đường đi của ánh sáng phản xạ hay truyền đổi đường đi của ánh sáng phản xạ hay truyền qua. qua. Các loại màng quang học chính:  Các loại màng quang học chính:

Màng chống phản xạ  Màng chống phản xạ Màng phản xạ cao  Màng phản xạ cao Màng dẫn điện truyền qua  Màng dẫn điện truyền qua Màng lọc ánh sáng  Màng lọc ánh sáng

MÀNG PHẢN XẠ CAO MÀNG PHẢN XẠ CAO Màng phản xạ cao (HR) là một màng hay hệ thống  Màng phản xạ cao (HR) là một màng hay hệ thống màng phủ trên một bề mặt để làm tăng sự phản xạ màng phủ trên một bề mặt để làm tăng sự phản xạ toàn bộ của bề mặt đế. toàn bộ của bề mặt đế.

Màng kim loại:

Màng phản xạ

Màng điện môi

Màng kim loại Màng kim loại

Màng kim loại được sử dụng chủ yếu để hướng ánh  Màng kim loại được sử dụng chủ yếu để hướng ánh sáng trong một hệ quang học, và được sử dụng trong sáng trong một hệ quang học, và được sử dụng trong hầu hết các hệ thống quang hiện nay, và là thiết bị làm hầu hết các hệ thống quang hiện nay, và là thiết bị làm biến đổi tính phản xạ kinh tế nhất. biến đổi tính phản xạ kinh tế nhất. Màng kim loại có thể được dùng trong một dải sáng  Màng kim loại có thể được dùng trong một dải sáng rộng, nhưng có xu hướng dễ vỡ và khó làm sạch. rộng, nhưng có xu hướng dễ vỡ và khó làm sạch. Các kim loại được sử dụng phổ biến nhất cho các bề  Các kim loại được sử dụng phổ biến nhất cho các bề mặt phản xạ cao là Nhôm (Al), Vàng (Au), Bạc (Ag). mặt phản xạ cao là Nhôm (Al), Vàng (Au), Bạc (Ag).

HRHR

Metals

Comments

Average % Reflectivity Vis / IR

Regions of high Absorption

Sensitive deposition parameters

Aluminu

necessary to prevent "Blueing" (scatter in visible).

92 / 98

700950nm

Thin layer of Al2O3 forms on surface.

Gold

94 / 98

300550nm

Adhesion issues with glass. Very soft surface. Use Chrome as binderlayer.

Issues with tarnishing. Very soft

Silver

95 / 98

surface.

HRHR

MÀNG ĐIỆN MÔI MÀNG ĐIỆN MÔI

Màng điện môi bao gồm các lớp mỏng làm bằng vật liệu Màng điện môi bao gồm các lớp mỏng làm bằng vật liệu điện môi có tính truyền qua, được phủ trên một bề mặt. điện môi có tính truyền qua, được phủ trên một bề mặt. Chức năng của chúng là tăng cường tính phản xạ của Chức năng của chúng là tăng cường tính phản xạ của bề mặt bằng cách lợi dụng sự giao thoa của tia phản xạ bề mặt bằng cách lợi dụng sự giao thoa của tia phản xạ từ nhiều bề mặt quang học. từ nhiều bề mặt quang học.

Các vật liệu thường sử dụng là: SiO2, TiO2, Al2O3 and Ta2O5, và hợp chất của Flour như MgF2, LaF3 and AlF3

MÀNG ĐIỆN MÔI MÀNG ĐIỆN MÔI

Thiết kế phản xạ cao dựa  Thiết kế phản xạ cao dựa trên các lớp chiết suất cao trên các lớp chiết suất cao và thấp xen kẽ nhau, nHH và và và thấp xen kẽ nhau, n , do đó một “vùng dừng” nnLL , do đó một “vùng dừng” (hay khu vực phản xạ cao) (hay khu vực phản xạ cao) được tạo ra xung quanh được tạo ra xung quanh bước sóng mẫu . Kiểu thiết bước sóng mẫu . Kiểu thiết kế ở dạng cơ bản như sau: kế ở dạng cơ bản như sau:

(HL)mm H H/ Đế/ Đế Môi trường / (HL) Môi trường / với: m là số cặp đa lớp với: m là số cặp đa lớp

Thiết bị phản xạ cao có Thiết bị phản xạ cao có vùng dừng điều hòa ở vị trí vùng dừng điều hòa ở vị trí thứ nhất và các vùng dừng thứ nhất và các vùng dừng điều hòa ở các bước sóng điều hòa ở các bước sóng ngắn hơn. Ở giữa vùng ngắn hơn. Ở giữa vùng dừng điều hòa là một khu dừng điều hòa là một khu vực được biết như “vùng vực được biết như “vùng xuyên qua” nơi mà ánh xuyên qua” nơi mà ánh sáng truyền qua và không sáng truyền qua và không phản xạ lại. phản xạ lại. Đối với thiết kế cơ bản này Đối với thiết kế cơ bản này không có vùng dừng thứ không có vùng dừng thứ hai hay thứ tư. hai hay thứ tư.

Công thức tính độ phản xạ:

Công thức tính số cặp lớp:

Ứng dụng

Máy photocopy

Đèn xe

Kính viễn vọng

Kính trượt tuyết

Hệ thống laser

Đĩa CD

MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ (AR) MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ (AR)

Màng chống phản xạ được dùng để làm giảm sự phản xạ Màng chống phản xạ được dùng để làm giảm sự phản xạ

trên bề mặt. trên bề mặt.

n 1

n n 0 S với n1: chiết suất của lớp với n1: chiết suất của lớp mỏng, n0 và nS là chiết suất mỏng, n0 và nS là chiết suất của hai môi trường của hai môi trường

Giả sử có thể điều khiển chính Giả sử có thể điều khiển chính xác độ dày lớp phủ là 1 QWOT). xác độ dày lớp phủ là 1 QWOT). Độ phản xạ là nhỏ nhất khi: Độ phản xạ là nhỏ nhất khi:

Không phủ lớp chống phản xạ

Phủ lớp chống phản xạ

So sánh sự truyền ánh sáng trên bề mặt có phủ lớp chống So sánh sự truyền ánh sáng trên bề mặt có phủ lớp chống phản xạ và không phủ. phản xạ và không phủ.

Màng AR một lớp:

Tiện ích: giá thành thấp, tính  Tiện ích: giá thành thấp, tính lặp lại cao, dễ thực hiện. lặp lại cao, dễ thực hiện. Hạn chế: vùng hoạt động  Hạn chế: vùng hoạt động hẹp, khó tìm thấy vật liệu hẹp, khó tìm thấy vật liệu chiết suất thấp bền. chiết suất thấp bền. Vật liệu màng là các chất  Vật liệu màng là các chất điện môi chiết suất thấp : điện môi chiết suất thấp : MgF2, Na3AlF6, CaF2, MgF2, Na3AlF6, CaF2, LiF2…LiF2…

MÀNG AR 2 LỚP (MÀNG V)

Tiện ích: có nhiều sự lựa chọn vật liệu  Tiện ích: có nhiều sự lựa chọn vật liệu hơn, tinh vi hơn, dễ sản xuất hơn, tinh vi hơn, dễ sản xuất Hạn chế: vùng hoạt động hẹp.  Hạn chế: vùng hoạt động hẹp.

MÀNG AR 3 LỚP

Một trong những thiết kế ba lớp Một trong những thiết kế ba lớp thông dụng và đơn giản là QHQ thông dụng và đơn giản là QHQ hay Quarter Half-Quarter.Mẫu hay Quarter Half-Quarter.Mẫu QHQ như sau: QHQ như sau:

Thủy tinh / M 2H L Thủy tinh / M 2H L M = 1 QWOT của vật liệu chiết • M = 1 QWOT của vật liệu chiết suất trung bình (vd:Al2O3) suất trung bình (vd:Al2O3) 2H= 2 QWOT hay HWOT của • 2H= 2 QWOT hay HWOT của một vật liệu chiết suất cao (vd: một vật liệu chiết suất cao (vd: ZrO2) ZrO2) L=1 QWOT của một vật liệu • L=1 QWOT của một vật liệu chiết suất thấp (vd: MgF2 hay chiết suất thấp (vd: MgF2 hay SiO2), hình thức của một QHQ SiO2), hình thức của một QHQ M=Al2O3, H=ZrO2: M=Al2O3, H=ZrO2:

Ứng dụng Ứng dụng

Thấu kính trong máy ảnh, kính hiển vi, kính viễn vọng, ống nhòm…

Kính đeo mắt

Đồng hồ

Thiết bị điện tử (Điện thoại, PVD)

Màng dẫn truyền qua (Transparent Màng dẫn truyền qua (Transparent conductive coating –TC) conductive coating –TC) Màng dẫn truyền qua được sử dụng trong  Màng dẫn truyền qua được sử dụng trong các ứng dụng mà điều quan trọng là việc các ứng dụng mà điều quan trọng là việc màng dẫn điện hoặc làm tan đi các điện màng dẫn điện hoặc làm tan đi các điện tích tích tụ. tích tích tụ. Có hai loại chính: Màng ITO  Có hai loại chính: Màng ITO Màng TCO Màng TCO

Màng ITO ( Indium Tin Oxide )

- Màng có độ truyền qua cao ( 80% - 90% ).

- Phản xạ mạnh đối với ánh sáng hồng ngoại ( ứng dụng phủ lên bề mặt kính, cho phép ánh sáng truyền qua nhưng giữ lại nhiệt bên trong hay bên ngoài tùy mục đích sử dụng ).

- Độ dẫn điện tốt.

 ứng dụng rộng rãi trong trong lĩnh vực quang điện tử : LCD, pin mặt trời, diod phát quang,…

Màng ITO ( Indium Tin Oxide )

Độ truyền phụ thuộc vào cấu trúc cũng như hình thái bề mặt màng ( độ truyền qua giảm khi độ dày màng tăng )

ủ ằ ấ ạ ạ Tính ch t quang c a màng ITO t o b ng pp phún x

ọ ọ

Màng l c (FILTER) Màng l c (FILTER) Là loại màng được sử dụng để lọc và cho những ánh sáng nhất định đi qua. Ưu điểm : - Tính chất lọc tốt hơn, thiết bị quang phủ lớp lọc giao thoa ít mất mát nhiệt hơn các màng lọc thông thường

Nhược điểm : - Giá thành cao

Filter

Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo

F.Trager (Editor),Handbook of Laser and  F.Trager (Editor),Handbook of Laser and Optics,,Springer,USA,2007. Optics,,Springer,USA,2007. Optical thin film application”, Opto-Precision Application  ““Optical thin film application”, Opto-Precision Application Note A003, 2003 Note A003, 2003 Các website:  Các website: httphttp

://en.wikipedia.org/wiki/Optical_coating#column-one#column-one ://en.wikipedia.org/wiki/Optical_coating#column-one#column-one

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/phyopt/antiref.html http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/phyopt/antiref.html http://www.rp-photonics.com/dielectric_coatings.htm http://www.rp-photonics.com/dielectric_coatings.htm ://www.kruschwitz.com/HR's.htm httphttp://www.kruschwitz.com/HR's.htm ://www.opcolab.com/page130.html httphttp://www.opcolab.com/page130.html

• Chúng tôi đã dịch được một số chương của một số khóa học thuộc chương trình học liệu mở của hai trường đại học nổi tiếng thế giới MIT và Yale.

• Chi tiết xin xem tại: • http://mientayvn.com/OCW/MIT/Vat_li.html • http://mientayvn.com/OCW/YALE/Ki_thuat_y_sinh.html