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現代光學薄膜技術范文1
【關鍵詞】薄膜光學；教學方法；教學內容；實踐環節
0 前言
薄膜光學是物理光學的重要分支，它以膜層對光的反射、透射、吸收等為研究對象，主要研究光在分層媒質中的傳播規律性，已成為現代光學不可缺少的重要組成部分。
《薄膜光學》是我院材料物理專業方向的一門主要專業基礎課程。課程內容涉及光學、物理學、化學、材料學等多門學科知識，具有很強的技術性、實踐性和應用性。通過該課程的學習，使學生了解光學薄膜的基礎理論，掌握薄膜制作方法及相關工藝，熟悉常用薄膜的性能指標及相關的檢測方法。培養學生分析問題與解決問題的能力，為進一步學習其他相關專業課以及畢業后從事專業工作打下良好的基礎。
在講授《薄膜光學》課程時，我們發現存在以下幾方面問題：第一，公式多，概念抽象，學生難于理解。這是授課過程中普遍存在的問題。第二，學生的學習目的不明確。在學習過程中，學生普遍感到《薄膜光學》課程與材料專業聯系不大，因此學習積極性不高。第三，理論內容枯燥，理論與實踐脫節?！侗∧す鈱W》課程的改革勢在必行。近兩年來，在對《薄膜光學》課程特征分析的基礎上，我們在教學內容、教學方法、增加實踐環節等方面進行了改革與探索，取得了良好的效果。
1 教學內容的改革
高等教育的主要任務是培養創新型人才，同時兼顧創新能力與工程應用能力的有機結合。
材料物理專業是理論性和實踐性均很強的專業，強調基礎理論知識與工程應用能力相結合，面向新能源與新信息等新功能材料、膜層與功能器件?！侗∧す鈱W》課程內容多，概念抽象，涉及面廣，學生學習時感覺難度很大。如果以光學工程專業的教學要求來講解，很難按大綱要求在 32 學時內講授完全部內容。如何在有限的課時內讓學生熟練掌握薄膜光學的基礎原理，成膜方法，加強應用能力的培養，成為本課程改革的關鍵。因此， 我們根據當前學生就業的實際需求，對課本的內容做了精心篩選，既保證學生對光學薄膜理論有全面的了解，又重點講解學生將來在實際工作中可能用到的知識內容。在講授過程中，本著以人才培養為根本，以社會需求為導向，以基礎理論和工程應用為核心的理念，緊緊圍繞薄膜的基本理論及薄膜設計方法、實用薄膜的制備工藝及方法這一主線來展開。
1.1 薄膜的基本理論
光學薄膜是附著在光學零件表面的厚度薄而均勻的介質膜層。光學薄膜的光學性能集中表現為薄膜界面的分振幅多光束干涉能力。在講授這部分內容時，注意結合學生專業特點，采用由淺入深、循序漸進的方法，從五光十色的肥皂泡，水面上彩色斑爛的油膜、車燈、眼鏡等日常生活中經常接觸的自然現象，到電磁場的基本性質、光學薄膜的光學特性計算、膜系的基本定理、非均勻膜、薄膜的形成和結構等逐漸展開，最后講解減反膜、增透膜、濾光片等介質膜系及其應用。
1.2 薄膜的制備方法及工藝
光學薄膜可以采用物理汽相沉積和化學液相沉積兩種方法來制備?；瘜W液相沉積工藝簡單，制造成本低，但膜層厚度不能精確控制，膜層強度差。物理汽相沉積常常使用真空鍍膜機，制造成本高，但膜層厚度可以精確控制，膜層強度好而廣泛采用。在教學過程中，作者以所在的國家重點實驗室所使用的真空鍍膜機為原型，重點講述真空系統、熱蒸發系統及膜厚控制系統。從真空的獲得與檢測到熱蒸發工藝，學生通過直觀的感受，使所學的理論與實踐聯系起來，達到事半功倍的效果。
除薄膜的制備工藝外，薄膜的制備工藝部分主要側重影響光學薄膜器件的質量要素和工藝要素，質量要素主要包括光學性能、機械性能和環境穩定性。工藝要素主要是光學薄膜的基本工藝過程，即零件清潔-裝零件-抽真空-鍍膜-檢測等過程。
2 教學方法的改進
2.1 多媒體教學和傳統教學的有機結合
在傳統板書式教學方法中，教師通過邊寫、邊講、邊示范，實現教師與學生之間生動的感情交流，教師富有感染力的肢體語言，富有魅力的語言表達，使學生寓樂于學之中。但抽象的問題通過傳統教學用老師的語言，就顯得蒼白乏力，在課堂有限的時間內很難讓學生理解清楚知識。這就需要板書和多媒體課件的有機結合。例如薄膜基礎理論部分采用板書教學，使學生易于掌握公式的推導過程和抽象的理論知識，加深對基礎知識的理解；薄膜技術部分采用多媒體課件教學，更多地采用動畫效果手段，將信息數字化，把圖像、圖形、動畫、視頻、文本、聲音等多媒體結合在一起，在有限的課堂時間內以較大信息容量傳遞給學生，給學生更直觀的感受。使學生對鍍膜技術的設備和工藝過程有一個感性的認識。制作互動性好的多媒體課件，通過系統特性動態顯示過程分析并講解其成因，使學生掌握知識重點、難點，會收到意想不到的效果。
2.2 嘗試翻轉式、討論式課堂教學
翻轉式教學模式于2007年起源于美國科羅拉多州一所高中。在翻轉課堂式教學模式下，學生課堂外完成知識的學習，而課堂變成了老師學生之間和學生與學生之間交流互動的場所，節省出的課堂時間用來完成作業或給實驗過程中有困難的同學提供幫助。
在教學過程中，通常學生的學習過程一般分為兩個階段：第一是知識傳授的階段；第二是吸收和消化的階段，即知識內化的過程。 傳統教學只注重學習過程的第一步即 “知識傳遞”，并把它放在最重要的環節，也就是課堂教學上；但他們忽略了第二步即“吸收消化”，習慣上都把這一過程，放在缺少幫助的課后環節中。結果本應用于師生互動、同學協作和交流的課堂，常常被教師一個人占用作知識傳授。 課堂上，學生通過展示匯報來實現師生的互動，這種師生、同學間的交流互動能促進知識的吸收內化過程，有助于調動學生的學習積極性，抓住學生的好奇心。
我們在教學實踐中，針對中國學生的特點，嘗試在部分章節采用翻轉式教學。使學生在課外完成教學內容的有針對性地、自主地、深度地學習，在完成這一單元的學習后，課堂上以書面測試的形式進行效果評估，然后老師對存在的共性問題讓學生進行互動交流，最后集中進行講解。通過這種翻轉式、討論式教學，能充分調動學生的積極性，使學生在學習中有應用想象力的機會，培養學生獨立思考問題的能力。課堂和老師的角色則發生了變化。老師更多的責任是去理解學生的問題和引導學生去運用知識。 因此老師從單向的講授，改為透過在課堂上提問題與小組互動，啟發學生思考與討論自學知識，結果學生對學習內容理解的正確率大大提高，學習效果也明顯改善。
3 增加實踐環節
針對《薄膜光學》課程數學公式復雜、計算量大、理論性強等特點，我們將Essential Macleod軟件引入到該課程的學習中，利用計算機進行薄膜的輔助設計和分析，對提高學生自己動手解決問題的能力，增強學生學習的積極性，培養學生的創新能力，對提高學生光學薄膜的設計和計算能力有很大的促進作用。
Essential Macleod軟件是一套完整的光學薄膜設計與分析軟件。除了一般反射和透射計算外，還可以計算吸收及其電場分布，不但能計算器件整體的光學性能，還能具體分析特定膜層的光學性能，能夠直觀的對器件整體結構進行模擬分析。在軟件中可以方便的對器件進行直觀的模擬，選擇膜層材料，設置膜層參數，選擇入射波長。利用軟件不僅可以具體的計算薄膜整體的反射率、透射率、吸收率，還能分析具體膜層的吸收及其電場分布，在設計界面中通過改變不同膜層參數，分析對器件活性層吸收的影響。
在課程中引入Essential Macleod軟件，主要讓學生運用基礎理論知識，結合實際的科研項目進行膜層設計。例如，在作者的縱向科研項目中，為了提高有機電致發光器件（OLED）的對比度，常使用光輸出耦合層、偏振片、對比度改善層與減反層結合等一系列的方法改善頂發射OLED中的對比度。研究各功能層的作用及對比度得以改善的機理。下面給出一個具體實例。
在頂發射OLED中，為了獲得白光發射，通常使用增透膜改善陰極的通過率，抑制微腔效應。實踐中，先給出基本的器件結構，指導學生應用Essential Macleod軟件，通過改變各膜層的材料及厚度，來優化器件。最后通過學生們的優化，得到較好的模擬結果，如表1所示。器件性能得到很大提升。在420-700nm范圍內，平均反射率為1.61%。
學生們通過實踐練習，加深了對基礎知識的理解，增強了動手能力及解決實際問題的能力。
4 結論
經過近幾年的實踐探索，《薄膜光學》課程的教學改革，對充分調動學生的學習積極性和創造性，提高學生動手能力以及設計和創新能力，尤其對提高教學質量和教學效果具有很大的推動作用。
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現代光學薄膜技術范文2
【關鍵詞】ITO；TCO；AZO；電導率
由于薄膜產品特別是各種光電產品薄膜，在太陽能電池、等離子技術、光學薄膜期間、微電子器件等方面有著廣泛應用，因此收到光學材料界的高度重視。能否準備無誤測量出各種薄膜的光學厚度也成為人們關注的焦點，尤其是在光電子產業的生產中，薄膜的光電特性參數――膜厚多少直接關系到薄膜產品是否能正常工作，能否對鍍膜工藝有所改進等諸多問題，可見膜厚測量的重要性。而橢偏技術在測量薄膜的厚度和介質折射率等參數方面得到了廣泛應用。在現代科學技術中，薄膜有著廣泛的應用，因此測量薄膜的技術也有了很大的發展。膜厚的測量方法有電阻法、放電電壓法、電容法、激光衍射法、光纖位移傳感器法、橢偏法以及超聲共振法等等。隨著由于電子計算機的廣泛應用而發展起來的目前已有的測量薄膜的最精確的方法之一就是橢偏法。膜厚測量方法一般是從兩個角度出發，要么從光學理論出發，用光的波動性包括干涉、衍射、偏振等方法來測量膜厚；要么從具體實際出發，根據測量厚膜的實驗環境和條件不同，例如根據光源的不同，是激光源進行測量還是用普通白光源進行測量等等，選用不同的測量方法。不同的測量方法所帶來的膜厚測量的精確度也不一樣。
一、橢偏技術原理
當振幅為A的面偏振光入射到石英晶體做成的1/4波片時，若振動方向與波片光軸夾角為θ，o光和e光的振幅分別為A0=Asinθ和Ae=Acosθ。從波片出射后的o光和e光的合振動方程為橢圓方程，合振動矢量的端點軌跡一般為橢圓，即獲得橢圓偏振光，再將其經過待測薄膜產品表面反射，反射光是線偏振光。由之前的橢偏到后來的線偏，光振動的相位和振幅發生了改變，通過這些參數變化即可判定薄膜產品的表面光學特性。
圖1 （a）光滑下表面 （b）粗糙下表面
如上圖，待測件是玻璃薄膜產品。入射光束以某一角度入射，根據菲涅爾公式，光在兩種介質的交界面上反射與透射時，垂直紙面的s分量和平行于紙面的p分量可根據r■=■，r■=■計算得到。式中，n■、n■分別為入射介質與折射介質的折射率，θ■、θ■分別為入射角和折射角。而反射系數P=■也是復數，可根據干涉原理計算出來。測量膜厚之前，首先需將根據橢偏技術制成的橢偏儀的光路進行調節，使得光源經過反射鏡后成平行光，經過偏振片后得到線偏振光。線偏光入射到待測薄膜表面后所得到的反射光，其偏振狀態必將發生變化?？捎脝紊珒x將光路分光，再用光電探測器將光信號變成電信號，送入計算機軟件分析。測量時，先確定光路經過的第一個偏振片是否放在通光軸為零度的位置，然后將待測薄膜放在起偏器和檢騙器的中間，插入1/4玻片并旋轉至消光。此時薄膜的快軸與設備的光軸平行。最后將起偏器的通光軸放在45度的地方，開始用軟件取樣、測量。由計算機分析計算出薄膜各光學性能參數。
二、幾種測量方法的比較
（1）根據激光透射法測量膜厚，以光在基體內不產生干涉為前提。用這種方法可以獲得相當高精度的膜厚測量，數量級為幾nm，能測量膜厚為1到幾百nm的薄膜。但由于設備復雜，環境要求高，只能在實驗室進行。（2）采用激光反射法測量膜厚，有很大的優勢――測量范圍大，從微米級到納米級都可以，但是調試過程繁瑣，難于實現。（3）基于白光光源的顏調檢測法制成的橢偏儀測量膜厚時，實施起來不難，但不能用來測量均勻膜厚，而只能用來測量不均勻膜厚，測量范圍雖和透射法測量膜厚的范圍差不多，但精度低，系統誤差較大。（4）采用分光光度測量法做成的橢偏儀，測膜厚的效率較高，設備成本也不高，容易實現。測量膜厚范圍雖然是微米級別，但精度比較高。（5）采用激光光源進行激光干涉法的橢偏儀中，激光束通過顯微鏡，入射到放在焦點處的薄膜產品后，薄膜的上面兩個表面分別反射出的光在特定的位置發生等傾干涉，在觀察面用CCD接收，根據與CCD相連的計算機軟件分析干涉圖樣，即可計算出薄膜產品的膜厚。這種橢偏儀結構簡單、測量迅速，很適合在工業生產線上測量10～100um的膜厚，但精度只能達到um數量級。通過上述分析和比較，不難發現，利用薄膜上下兩表面反射光干涉原理制成的橢偏儀測量范圍適中，但精度很高，而且設備簡單，容易在實驗室以外的地方實現，適合工業檢測。
三、應用
利用橢偏技術作成的橢偏儀在不斷發展，測量的光譜范圍越來越寬，可以滿足不同鍍膜材料的測量要求，針對在紅外、紫外波段要進行特殊材料的測量要求，也出現了專用橢偏儀；橢偏技術覆蓋了半導體、大面積光學薄膜、有機薄膜、金屬、玻璃等各種材料的工業實時檢測領域。同時隨著計算機技術的迅速發展，使得橢偏儀的自動化程度得到提高，也促成了橢偏儀的自動控制系統和計算機的深入結合。由于橢偏測量技術的高精度、高效、設備簡單等特點廣泛地應用于科學研究與工業生產中，例如對材料的光學性質測量。被測的材料可以是固體或是液體，可以是各向同性或異性。根據菲涅爾公式，橢偏測量技術也可用于不同材料交界面的分析。在微電子與半導體產業中，橢偏測量技術常用于半導體加工或微電子研究中薄膜生長的監控與分析，現代新材料的研究開發也常常使用橢偏技術作為研究手段。在生命科學領域里，橢偏測量技術可用于細胞表面膜相互作用、蛋白質等大分子的測量。
四、結論
隨著光電技術以及微電子技術的快速發展，表面和薄膜科學，微電子器件及納米技術等迅速發展，將使一起開發和檢測方法體系研究成為真空鍍膜技術中的發展重點。薄膜的應用領域越來越廣，各種厚度只有幾百甚至數十納米的單層或多層功能薄膜成為當前材料研究的熱點。薄膜的厚度、折射率和消光系數決定了薄膜的投射、反射和吸收等各種光學特性。橢偏法具有無損非接觸、高靈敏度、高精度的特點、無需特別制備樣品，能對數納米厚的超薄薄膜測量，無疑是比較可靠的測量方法。當然，在測量膜厚時依然存在某些問題，例如膜厚范圍的擴大等，都有待于進一步探索和研究。
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