Bài giảng Các loại màng quang học

Trường ĐHKH Tự NhiênKhoa Vật Lý 
GVHD: T.S LÊ VŨ TUẤN HÙNG 
HV : LÊ NGUYỄN BẢO THƯ 
Các loại màng quang học 
LỊCH SỬ MÀNG QUANG 
GƯƠNG VENETIAN 
FRAUNHOFER 
A.FRESNEL 
Năm 1899: Lý thuyết Fabry-Perot ra đời 
. 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 
Hiệu quang lộ: 
Độ phản xạ đế: 
Độ dày D của lớp (tính theo QWOT) 
Với một lớp đơn dày 1 QWOT 
Với một lớp đơn dày 2 QWOT 
QWOT: quarter – wave optical thickness 
Ma trận hình thức (matrix formalism) 
Các yếu tố của ma trận đơn lớp M i 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: 
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 phản xạ 
Màng kim loại: 
Màng điện môi 
HR 
Màng kim loại 
Màng kim loại được sử dụng chủ yếu để hướng ánh 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. 
 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). 
HR 
HR 
Metals 
Average % 
Reflectivity 
Vis / IR 
Regions of high 
Absorption 
Comments 
Aluminum 
92 / 98 
700-950nm 
Sensitive deposition parameters necessary to prevent "Blueing" (scatter in visible).  Thin layer of Al 2 O 3 forms on surface. 
Gold 
94 / 98 
300-550nm 
Adhesion issues with glass. Very soft surface.  Use Chrome as binderlayer. 
Silver 
95 / 98 
UV 
Issues with tarnishing.  Very soft surface. 
HR 
HR 
 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 
MÀNG ĐIỆN MÔI	 
HR 
MÀNG ĐIỆN MÔI	 
Thiết kế phản xạ cao dựa trên các lớp chiết suất cao và thấp xen kẽ nhau, n H và n L , 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: 
HR 
Môi trường / (HL) m H / Đế 
 với: m là số cặp đa lớp 
 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 
HR 
Công thức tính độ phản xạ: 
Công thức tính số cặp lớp : 
Ứng dụng 
HR 
Máy photocopy 
Đèn xe 
Kính viễn vọng 
Kính trượt tuyết 
Hệ thống laser 
Đĩa CD 
MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ (AR) 
Màng chống phản xạ được dùng để làm giảm sự phản xạ trên bề mặt. 
AR 
Giả sử có thể điều khiển chính xác độ dày lớp phủ là 1 QWOT). Độ phản xạ là nhỏ nhất khi: 
 với n1: chiết suất của lớp mỏng, n0 và nS là chiết suất của hai môi trường 
So sánh sự truyền ánh sáng trên bề mặt có phủ lớp chống phản xạ và không phủ. 
Phủ lớp chống phản xạ 
Không phủ lớp chống phản xạ 
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 
Màng AR một lớp: 
AR 
Tiện ích: có nhiều sự lựa chọn vật liệu hơn, tinh vi hơn, dễ sản xuất 
Hạn chế: vùng hoạt động hẹp. 
MÀNG AR 2 LỚP (MÀNG V) 
AR 
 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: 
MÀNG AR 3 LỚP 
AR 
Ứng dụng 
AR 
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 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 ) 
Tính chất quang của màng ITO tạo bằng pp phún xạ 
Độ truyền phụ thuộc vào cấu trúc cũng như hình thái bề mặt màng ( độ truyền qua giảm khi độ dày màng tăng ) 
TC 
 Màng lọc (FILTER) 
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 
Là loại màng được sử dụng để lọc và cho những ánh sáng nhất định đi qua. 
Filter 
Tài liệu tham khảo 
F.Trager (Editor),Handbook of Laser and Optics,,Springer,USA,2007. 
“Optical thin film application”, Opto-Precision Application Note A003, 2003 
Các website: 
 http ://en.wikipedia.org/wiki/Optical_coating#column-one#column-one 
 http ://www.kruschwitz.com/HR's.htm 
 http ://www.opcolab.com/page130.html 
THANKS FOR ATTENTION! 
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: