Trường ĐHKH Tự Nhiên Khoa Vật Lý

Các loại màng quang học

GVHD: T.S LÊ VŨ TUẤN HÙNG

HV : LÊ NGUYỄN BẢO THƯ

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

Hiệu quang lộ:

cos

 1

 1

n d 2 1 1 

Độ phản xạ đế:

R

s

2  r 1  1 2

2 r r 1 2

 r r cos(2 ) 1 1 2   cos(2 ) 1

2  r 2 2 2 r r 1 2

QWOT: quarter – wave optical thickness

i

D i

n d 4 i  Z

Độ dày D của lớp (tính theo QWOT)

R s

 

n n 2 0 n n 2 0

2 n 1 2 n 1

   

  

Với một lớp đơn dày 1 QWOT 2

2

R s

 

n 0 n 0

n 2 n 2

   

  

Với một lớp đơn dày 2 QWOT

Ma trận hình thức (matrix formalism)  Các yếu tố của ma trận đơn lớp Mi có thể thu được từ các điều kiện biên trong cấu trúc lớp liên quan đến 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 sau của lớp:

 1

M

i

E i H

E i H

i

 1

i

  

  

  

  

cos

sin

 i

 i

=

i n i

E i H

i

  

  

in i

 sin cos i

 i

    

    

MÀNG QUANG HỌC

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

 Các loại màng quang học chính:

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

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

Màng kim loại:

Màng phản xạ

Màng điện môi

HR

Màng kim loại

 Màng kim loại được sử dụng chủ yếu để hướng ánh

 Màng kim loại có thể được dùng trong một dải sáng rộng, nhưng có xu hướng dễ vỡ và khó làm sạch.  Các kim loại được sử dụng phổ biến nhất cho các bề mặt phản xạ cao là Nhôm (Al), Vàng (Au), Bạc (Ag).

sáng trong một hệ quang học, và được sử dụng trong hầu hết các hệ thống quang hiện nay, và là thiết bị làm biến đổi tính phản xạ kinh tế nhất.

HRHR

Metals

Comments

Average % Reflectivity Vis / IR

Regions of high Absorption

Sensitive deposition parameters

Aluminu

92 / 98

700-950nm

m

necessary to prevent "Blueing" (scatter in visible). Thin layer of Al2O3 forms on surface.

Gold

94 / 98

300-550nm

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

Issues with tarnishing. Very soft

HRHR

Silver

95 / 98

UV

surface.

MÀNG ĐIỆN MÔI

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

HR

MÀNG ĐIỆN MÔI

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

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

HR

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

HR

Công thức tính độ phản xạ:

Công thức tính số cặp lớp:

HR

Ứng dụng

Máy photocopy

Đèn xe

Kính viễn vọng

Kính trượt tuyết

Hệ thống laser

Đĩa CD

HR

MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ (AR)

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

trên bề mặt.

n 1

n n 0 S với n1: chiết suất của lớp

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

mỏng, n0 và nS là chiết suất của hai môi trường

AR

Không phủ lớp chống phản xạ

Phủ lớp chống phản xạ

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

Màng AR một lớp:

 Tiện ích: giá thành thấp, tính lặp lại cao, dễ thực hiện.  Hạn chế: vùng hoạt động hẹp, khó tìm thấy vật liệu chiết suất thấp bền.

 Vật liệu màng là các chất điện môi chiết suất thấp : MgF2, Na3AlF6, CaF2, LiF2…

AR

MÀNG AR 2 LỚP (MÀNG V)

 Tiện ích: có nhiều sự lựa chọn vật liệu

hơn, tinh vi hơn, dễ sản xuất  Hạn chế: vùng hoạt động hẹp.

AR

MÀNG AR 3 LỚP

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

Thủy tinh / M 2H L

• M = 1 QWOT của vật liệu chiết

suất trung bình (vd:Al2O3) • 2H= 2 QWOT hay HWOT của một vật liệu chiết suất cao (vd: ZrO2)

• L=1 QWOT của một vật liệu

chiết suất thấp (vd: MgF2 hay SiO2), hình thức của một QHQ M=Al2O3, H=ZrO2:

AR

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)

AR

Màng dẫn truyền qua (Transparent conductive coating –TC)

 Màng dẫn truyền qua được sử dụng trong các ứng dụng mà điều quan trọng là việc màng dẫn điện hoặc làm tan đi các điện tích tích tụ.

 Có hai loại chính: Màng ITO Màng TCO

TC

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,…

TC

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 )

Tính chất quang của màng ITO tạo bằng pp phún xạ

TC

Màng lọc (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

 F.Trager (Editor),Handbook of Laser and

 “Optical thin film application”, Opto-Precision Application

Optics,,Springer,USA,2007.

 Các website:

Note A003, 2003

http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_coating#column- one#column-one http://hyperphysics.phy- astr.gsu.edu/HBASE/phyopt/antiref.html http://www.rp-photonics.com/dielectric_coatings.htm http://www.kruschwitz.com/HR's.htm http://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