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【LOL外围】高能量激光器:镀膜为何首选溶胶凝胶化学法?

【LOL外围】高能量激光器:镀膜为何首选溶胶凝胶化学法?

本文摘要:光学薄膜是所有光学器件不可或缺的功能材料,没高质量的光学薄膜,光学仪器甚至无法用于。由于溶胶-凝胶膜具备耐激光受损阈值低的引人注目优点,经过二十多年的发展,溶胶-凝胶化学法沦为了高能量激光器光学系统的选用镀膜方法。传统物理法与溶胶凝胶化学法传统的光学薄膜制取方法是以物理气相沉积(PVD)为核心的一系列物理方法,有数一百多年的发展历史,其理论、设备、软件皆已十分成熟期,市场占有率大。 物理法镀膜精度高,合适小口径平面元件多层镀膜,设备投资大,维护费用低,是轻资产项目。

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光学薄膜是所有光学器件不可或缺的功能材料,没高质量的光学薄膜,光学仪器甚至无法用于。由于溶胶-凝胶膜具备耐激光受损阈值低的引人注目优点,经过二十多年的发展,溶胶-凝胶化学法沦为了高能量激光器光学系统的选用镀膜方法。传统物理法与溶胶凝胶化学法传统的光学薄膜制取方法是以物理气相沉积(PVD)为核心的一系列物理方法,有数一百多年的发展历史,其理论、设备、软件皆已十分成熟期,市场占有率大。

物理法镀膜精度高,合适小口径平面元件多层镀膜,设备投资大,维护费用低,是轻资产项目。目前,物理法光学薄膜基本是一个堵塞的技术领域,从科学的角度,学术外延不甚广。

而化学法光学薄膜归功于纳米材料和新的能源技术的迅猛发展,于是以面对源源不断的新市场需求和新的挑战,潜力极大,是一个有一点大力投放的方向。化学法分成化学气相沉积和液相外延两种。

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理论上,化学气相沉积法可以做的薄膜,液相外延法皆可以做。液相外延法主要指溶胶凝胶法(Sol-Gel):将光学基片以某种方式与预配好的镀膜液(胶体或溶液)认识并随之通过液体区,利用溶剂溶解速度和液体流动速度的给定,在基片表面构成一层不需要流动的沉积层。溶胶凝胶法镀膜精度不如物理法,但合适大口径平面或异形元件镀膜,设备投资较少,维护费用较低,是轻资产人才密集型项目。

溶胶凝胶法与物理法二者互为补充,各有优缺点,一旦融合,有可能创意出有性能优越、单一方法无法制取的薄膜材料。溶胶凝胶化学法沦为选用溶胶凝胶化学是古老的胶体化学的一个现代分支。自从几十年前有机硅醇盐的问世以来,以二氧化硅颗粒的硅醇盐路线制备为接续和代表的溶胶-凝胶化学把古老的胶体化学推展到了崭新的发展阶段,溶胶-凝胶化学早已进行其众多的研究分支和丰富多彩的应用领域。

溶胶本身包括“由溶液到胶体”的意思,即从单相的溶液体系通过一定的化学反应渐渐分解胶体粒子,从而构成胶体集中体系,如果化学反应持续展开,胶体粒子就不会大大长大以后溶胶丧失流动性构成凝胶,或者,通过另加干预的办法擅自凝胶化,这就是制取光学薄膜所使用的路线。虽然溶胶-凝胶化学是一个应用性很强的研究领域,但鉴于其化学基础研究牵涉到溶液中的化学反应动力学、胶体温度梯度理论、胶体粒子生长理论以及静电学体系的化学反应,是一个非常简单的过程,同时由于胶体粒子尺寸正处于纳米尺度,在微观结构密切相关方面也不存在非常的可玩性,所以研究溶胶-凝胶化学基础又是近于有挑战性的工作。溶胶-凝胶法用作镀制光学薄膜最先经常出现在上世纪六十年代末,St?ber等人利用TEOS在乙醇溶剂中在氨水催化剂下的水解和缩聚制取了球型单集中的SiO2颗粒,并由此制取了第一个减反射膜。之后旋即,1969年,Schroeder就单层和多层溶胶-凝胶薄膜发展了一套薄膜物理。

在1994年的《LaserFocusWorld》第九期,ThomasV.Higgins公开发表了一篇关于光学薄膜及薄膜光学的非常简单总结。从Fresnel明确提出知名的物理光学Fresnel方程,到Maxwell明确提出电磁理论,Lorentz明确提出电磁辐射的偶极模型,以后WilliamT.Doyle把Fresnel方程用电磁场理论新的传达,薄膜光学构成了统一的理论体系。但此时,溶胶凝胶法在光学薄膜领域未占据多少分量。

随着高能量激光器的经常出现,同时对高功率非同脉冲激光的执着,涉及激光物理现象的研究也必须更高能量的激光,而高能量激光具备很大的破坏力,因此对光学元件耐激光受损能力的提升就十分急迫。物理法制取薄膜仅次于的缺点就是外用激光受损能力差,这很大地容许了其在高能量激光器光学元件上的应用于,此时溶胶-凝胶法镀膜作为一种有可能的替代技术取得了较小发展。

溶胶-凝胶法沦为高能量激光器光学系统的选用镀膜方法。溶胶凝胶法镀膜工艺作为液相外延法,溶胶凝胶镀膜可以用于多种镀膜工艺,还包括哥特人法(dip-coating)、旋涂法(spin-coating)、喷涂法(spray-coating)、弯月面法(meniscus-coating)等方法。无论采行哪种镀制技术,薄膜的成膜机理是完全一致的,在制取过程中要严格控制沉积参数和环境条件。

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由左至右依序为:喷涂法、弯月面法、旋涂法、哥特人法示意图明确镀制方法的自由选择主要各不相同基底尺寸及其几何形状、镀膜拒绝(单面或双面)、镀膜成本以及前驱溶胶的寿命等:弯月面法必须的溶胶量较较少,合适中等尺寸平面基片上沉积单面多层薄膜或者双面异质薄膜,没重力对流体的影响,镀膜均匀分布性十分好。旋涂法通过转变扭矩来掌控膜薄,必须的溶胶量最多,但不能取得单面薄膜,限于于小尺寸元件镀膜。

哥特人法溶胶用量较小,对于形状点状或大面积基片双面镀膜具备较强的适应性,通过转变哥特人速度可以调节薄膜的厚度。从最先的硅醇盐或金属醇盐水解的溶胶凝胶法开始,渐渐派生出有很多涉及的湿化学方法,都可以用来制取光学薄膜,以限于于有所不同的拒绝。比如,非水体系溶胶凝胶法、水热或溶剂热法、溶胶-溶剂热法、溶解-轻集中法等等。

应用于这些方法可以制作品种繁多的光学薄膜,比如,非线性光学晶体保护膜,用作液体激光器的三波长减反膜,亲水性疏油减反膜,用作无色差镜头的MgF2纳米晶减反膜,用作光伏、光热太阳能器件、平板表明等的宽谱带上减反射膜,用作柔性显示屏的有机无机杂化减反膜,VO2隔热膜,低反膜等等。作为一种只有五十年历史的薄膜制取方法,以溶胶凝胶法为核心的液相外延法早已在各行各业获得应用于,在光学薄膜领域的应用于也不会更加受到重视。可以未来发展,未来的柔性表明技术、分布式光热电站、手机显示屏等很多设计光学性能拒绝的工业产品都必须化学法镀膜。


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