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现代光学薄膜技术范文1
【关键词】薄膜光学；教学方法；教学内容；实践环节
0 前言
薄膜光学是物理光学的重要分支，它以膜层对光的反射、透射、吸收等为研究对象，主要研究光在分层媒质中的传播规律性，已成为现代光学不可缺少的重要组成部分。
《薄膜光学》是我院材料物理专业方向的一门主要专业基础课程。课程内容涉及光学、物理学、化学、材料学等多门学科知识，具有很强的技术性、实践性和应用性。通过该课程的学习，使学生了解光学薄膜的基础理论，掌握薄膜制作方法及相关工艺，熟悉常用薄膜的性能指标及相关的检测方法。培养学生分析问题与解决问题的能力，为进一步学习其他相关专业课以及毕业后从事专业工作打下良好的基础。
在讲授《薄膜光学》课程时，我们发现存在以下几方面问题：第一，公式多，概念抽象，学生难于理解。这是授课过程中普遍存在的问题。第二，学生的学习目的不明确。在学习过程中，学生普遍感到《薄膜光学》课程与材料专业联系不大，因此学习积极性不高。第三，理论内容枯燥，理论与实践脱节。《薄膜光学》课程的改革势在必行。近两年来，在对《薄膜光学》课程特征分析的基础上，我们在教学内容、教学方法、增加实践环节等方面进行了改革与探索，取得了良好的效果。
1 教学内容的改革
高等教育的主要任务是培养创新型人才，同时兼顾创新能力与工程应用能力的有机结合。
材料物理专业是理论性和实践性均很强的专业，强调基础理论知识与工程应用能力相结合，面向新能源与新信息等新功能材料、膜层与功能器件。《薄膜光学》课程内容多，概念抽象，涉及面广，学生学习时感觉难度很大。如果以光学工程专业的教学要求来讲解，很难按大纲要求在 32 学时内讲授完全部内容。如何在有限的课时内让学生熟练掌握薄膜光学的基础原理，成膜方法，加强应用能力的培养，成为本课程改革的关键。因此， 我们根据当前学生就业的实际需求，对课本的内容做了精心筛选，既保证学生对光学薄膜理论有全面的了解，又重点讲解学生将来在实际工作中可能用到的知识内容。在讲授过程中，本着以人才培养为根本，以社会需求为导向，以基础理论和工程应用为核心的理念，紧紧围绕薄膜的基本理论及薄膜设计方法、实用薄膜的制备工艺及方法这一主线来展开。
1.1 薄膜的基本理论
光学薄膜是附着在光学零件表面的厚度薄而均匀的介质膜层。光学薄膜的光学性能集中表现为薄膜界面的分振幅多光束干涉能力。在讲授这部分内容时，注意结合学生专业特点，采用由浅入深、循序渐进的方法，从五光十色的肥皂泡，水面上彩色斑烂的油膜、车灯、眼镜等日常生活中经常接触的自然现象，到电磁场的基本性质、光学薄膜的光学特性计算、膜系的基本定理、非均匀膜、薄膜的形成和结构等逐渐展开，最后讲解减反膜、增透膜、滤光片等介质膜系及其应用。
1.2 薄膜的制备方法及工艺
光学薄膜可以采用物理汽相沉积和化学液相沉积两种方法来制备。化学液相沉积工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差。物理汽相沉积常常使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度可以精确控制，膜层强度好而广泛采用。在教学过程中，作者以所在的国家重点实验室所使用的真空镀膜机为原型，重点讲述真空系统、热蒸发系统及膜厚控制系统。从真空的获得与检测到热蒸发工艺，学生通过直观的感受，使所学的理论与实践联系起来，达到事半功倍的效果。
除薄膜的制备工艺外，薄膜的制备工艺部分主要侧重影响光学薄膜器件的质量要素和工艺要素，质量要素主要包括光学性能、机械性能和环境稳定性。工艺要素主要是光学薄膜的基本工艺过程，即零件清洁-装零件-抽真空-镀膜-检测等过程。
2 教学方法的改进
2.1 多媒体教学和传统教学的有机结合
在传统板书式教学方法中，教师通过边写、边讲、边示范，实现教师与学生之间生动的感情交流，教师富有感染力的肢体语言，富有魅力的语言表达，使学生寓乐于学之中。但抽象的问题通过传统教学用老师的语言，就显得苍白乏力，在课堂有限的时间内很难让学生理解清楚知识。这就需要板书和多媒体课件的有机结合。例如薄膜基础理论部分采用板书教学，使学生易于掌握公式的推导过程和抽象的理论知识，加深对基础知识的理解；薄膜技术部分采用多媒体课件教学，更多地采用动画效果手段，将信息数字化，把图像、图形、动画、视频、文本、声音等多媒体结合在一起，在有限的课堂时间内以较大信息容量传递给学生，给学生更直观的感受。使学生对镀膜技术的设备和工艺过程有一个感性的认识。制作互动性好的多媒体课件，通过系统特性动态显示过程分析并讲解其成因，使学生掌握知识重点、难点，会收到意想不到的效果。
2.2 尝试翻转式、讨论式课堂教学
翻转式教学模式于2007年起源于美国科罗拉多州一所高中。在翻转课堂式教学模式下，学生课堂外完成知识的学习，而课堂变成了老师学生之间和学生与学生之间交流互动的场所，节省出的课堂时间用来完成作业或给实验过程中有困难的同学提供帮助。
在教学过程中，通常学生的学习过程一般分为两个阶段：第一是知识传授的阶段；第二是吸收和消化的阶段，即知识内化的过程。 传统教学只注重学习过程的第一步即 “知识传递”，并把它放在最重要的环节，也就是课堂教学上；但他们忽略了第二步即“吸收消化”，习惯上都把这一过程，放在缺少帮助的课后环节中。结果本应用于师生互动、同学协作和交流的课堂，常常被教师一个人占用作知识传授。 课堂上，学生通过展示汇报来实现师生的互动，这种师生、同学间的交流互动能促进知识的吸收内化过程，有助于调动学生的学习积极性，抓住学生的好奇心。
我们在教学实践中，针对中国学生的特点，尝试在部分章节采用翻转式教学。使学生在课外完成教学内容的有针对性地、自主地、深度地学习，在完成这一单元的学习后，课堂上以书面测试的形式进行效果评估，然后老师对存在的共性问题让学生进行互动交流，最后集中进行讲解。通过这种翻转式、讨论式教学，能充分调动学生的积极性，使学生在学习中有应用想象力的机会，培养学生独立思考问题的能力。课堂和老师的角色则发生了变化。老师更多的责任是去理解学生的问题和引导学生去运用知识。 因此老师从单向的讲授，改为透过在课堂上提问题与小组互动，启发学生思考与讨论自学知识，结果学生对学习内容理解的正确率大大提高，学习效果也明显改善。
3 增加实践环节
针对《薄膜光学》课程数学公式复杂、计算量大、理论性强等特点，我们将Essential Macleod软件引入到该课程的学习中，利用计算机进行薄膜的辅助设计和分析，对提高学生自己动手解决问题的能力，增强学生学习的积极性，培养学生的创新能力，对提高学生光学薄膜的设计和计算能力有很大的促进作用。
Essential Macleod软件是一套完整的光学薄膜设计与分析软件。除了一般反射和透射计算外，还可以计算吸收及其电场分布，不但能计算器件整体的光学性能，还能具体分析特定膜层的光学性能，能够直观的对器件整体结构进行模拟分析。在软件中可以方便的对器件进行直观的模拟，选择膜层材料，设置膜层参数，选择入射波长。利用软件不仅可以具体的计算薄膜整体的反射率、透射率、吸收率，还能分析具体膜层的吸收及其电场分布，在设计界面中通过改变不同膜层参数，分析对器件活性层吸收的影响。
在课程中引入Essential Macleod软件，主要让学生运用基础理论知识，结合实际的科研项目进行膜层设计。例如，在作者的纵向科研项目中，为了提高有机电致发光器件（OLED）的对比度，常使用光输出耦合层、偏振片、对比度改善层与减反层结合等一系列的方法改善顶发射OLED中的对比度。研究各功能层的作用及对比度得以改善的机理。下面给出一个具体实例。
在顶发射OLED中，为了获得白光发射，通常使用增透膜改善阴极的通过率，抑制微腔效应。实践中，先给出基本的器件结构，指导学生应用Essential Macleod软件，通过改变各膜层的材料及厚度，来优化器件。最后通过学生们的优化，得到较好的模拟结果，如表1所示。器件性能得到很大提升。在420-700nm范围内，平均反射率为1.61%。
学生们通过实践练习，加深了对基础知识的理解，增强了动手能力及解决实际问题的能力。
4 结论
经过近几年的实践探索，《薄膜光学》课程的教学改革，对充分调动学生的学习积极性和创造性，提高学生动手能力以及设计和创新能力，尤其对提高教学质量和教学效果具有很大的推动作用。
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现代光学薄膜技术范文2
【关键词】ITO；TCO；AZO；电导率
由于薄膜产品特别是各种光电产品薄膜，在太阳能电池、等离子技术、光学薄膜期间、微电子器件等方面有着广泛应用，因此收到光学材料界的高度重视。能否准备无误测量出各种薄膜的光学厚度也成为人们关注的焦点，尤其是在光电子产业的生产中，薄膜的光电特性参数――膜厚多少直接关系到薄膜产品是否能正常工作，能否对镀膜工艺有所改进等诸多问题，可见膜厚测量的重要性。而椭偏技术在测量薄膜的厚度和介质折射率等参数方面得到了广泛应用。在现代科学技术中，薄膜有着广泛的应用，因此测量薄膜的技术也有了很大的发展。膜厚的测量方法有电阻法、放电电压法、电容法、激光衍射法、光纤位移传感器法、椭偏法以及超声共振法等等。随着由于电子计算机的广泛应用而发展起来的目前已有的测量薄膜的最精确的方法之一就是椭偏法。膜厚测量方法一般是从两个角度出发，要么从光学理论出发，用光的波动性包括干涉、衍射、偏振等方法来测量膜厚；要么从具体实际出发，根据测量厚膜的实验环境和条件不同，例如根据光源的不同，是激光源进行测量还是用普通白光源进行测量等等，选用不同的测量方法。不同的测量方法所带来的膜厚测量的精确度也不一样。
一、椭偏技术原理
当振幅为A的面偏振光入射到石英晶体做成的1/4波片时，若振动方向与波片光轴夹角为θ，o光和e光的振幅分别为A0=Asinθ和Ae=Acosθ。从波片出射后的o光和e光的合振动方程为椭圆方程，合振动矢量的端点轨迹一般为椭圆，即获得椭圆偏振光，再将其经过待测薄膜产品表面反射，反射光是线偏振光。由之前的椭偏到后来的线偏，光振动的相位和振幅发生了改变，通过这些参数变化即可判定薄膜产品的表面光学特性。
图1 （a）光滑下表面 （b）粗糙下表面
如上图，待测件是玻璃薄膜产品。入射光束以某一角度入射，根据菲涅尔公式，光在两种介质的交界面上反射与透射时，垂直纸面的s分量和平行于纸面的p分量可根据r■=■，r■=■计算得到。式中，n■、n■分别为入射介质与折射介质的折射率，θ■、θ■分别为入射角和折射角。而反射系数P=■也是复数，可根据干涉原理计算出来。测量膜厚之前，首先需将根据椭偏技术制成的椭偏仪的光路进行调节，使得光源经过反射镜后成平行光，经过偏振片后得到线偏振光。线偏光入射到待测薄膜表面后所得到的反射光，其偏振状态必将发生变化。可用单色仪将光路分光，再用光电探测器将光信号变成电信号，送入计算机软件分析。测量时，先确定光路经过的第一个偏振片是否放在通光轴为零度的位置，然后将待测薄膜放在起偏器和检骗器的中间，插入1/4玻片并旋转至消光。此时薄膜的快轴与设备的光轴平行。最后将起偏器的通光轴放在45度的地方，开始用软件取样、测量。由计算机分析计算出薄膜各光学性能参数。
二、几种测量方法的比较
（1）根据激光透射法测量膜厚，以光在基体内不产生干涉为前提。用这种方法可以获得相当高精度的膜厚测量，数量级为几nm，能测量膜厚为1到几百nm的薄膜。但由于设备复杂，环境要求高，只能在实验室进行。（2）采用激光反射法测量膜厚，有很大的优势――测量范围大，从微米级到纳米级都可以，但是调试过程繁琐，难于实现。（3）基于白光光源的颜调检测法制成的椭偏仪测量膜厚时，实施起来不难，但不能用来测量均匀膜厚，而只能用来测量不均匀膜厚，测量范围虽和透射法测量膜厚的范围差不多，但精度低，系统误差较大。（4）采用分光光度测量法做成的椭偏仪，测膜厚的效率较高，设备成本也不高，容易实现。测量膜厚范围虽然是微米级别，但精度比较高。（5）采用激光光源进行激光干涉法的椭偏仪中，激光束通过显微镜，入射到放在焦点处的薄膜产品后，薄膜的上面两个表面分别反射出的光在特定的位置发生等倾干涉，在观察面用CCD接收，根据与CCD相连的计算机软件分析干涉图样，即可计算出薄膜产品的膜厚。这种椭偏仪结构简单、测量迅速，很适合在工业生产线上测量10～100um的膜厚，但精度只能达到um数量级。通过上述分析和比较，不难发现，利用薄膜上下两表面反射光干涉原理制成的椭偏仪测量范围适中，但精度很高，而且设备简单，容易在实验室以外的地方实现，适合工业检测。
三、应用
利用椭偏技术作成的椭偏仪在不断发展，测量的光谱范围越来越宽，可以满足不同镀膜材料的测量要求，针对在红外、紫外波段要进行特殊材料的测量要求，也出现了专用椭偏仪；椭偏技术覆盖了半导体、大面积光学薄膜、有机薄膜、金属、玻璃等各种材料的工业实时检测领域。同时随着计算机技术的迅速发展，使得椭偏仪的自动化程度得到提高，也促成了椭偏仪的自动控制系统和计算机的深入结合。由于椭偏测量技术的高精度、高效、设备简单等特点广泛地应用于科学研究与工业生产中，例如对材料的光学性质测量。被测的材料可以是固体或是液体，可以是各向同性或异性。根据菲涅尔公式，椭偏测量技术也可用于不同材料交界面的分析。在微电子与半导体产业中，椭偏测量技术常用于半导体加工或微电子研究中薄膜生长的监控与分析，现代新材料的研究开发也常常使用椭偏技术作为研究手段。在生命科学领域里，椭偏测量技术可用于细胞表面膜相互作用、蛋白质等大分子的测量。
四、结论
随着光电技术以及微电子技术的快速发展，表面和薄膜科学，微电子器件及纳米技术等迅速发展，将使一起开发和检测方法体系研究成为真空镀膜技术中的发展重点。薄膜的应用领域越来越广，各种厚度只有几百甚至数十纳米的单层或多层功能薄膜成为当前材料研究的热点。薄膜的厚度、折射率和消光系数决定了薄膜的投射、反射和吸收等各种光学特性。椭偏法具有无损非接触、高灵敏度、高精度的特点、无需特别制备样品，能对数纳米厚的超薄薄膜测量，无疑是比较可靠的测量方法。当然，在测量膜厚时依然存在某些问题，例如膜厚范围的扩大等，都有待于进一步探索和研究。
参 考 文 献
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