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一. 原理 “光”是什麼? 光具有波動(電磁波)及粒子(俗稱光子,photon)兩種特性, 例如短波長的X-光會被電子散射的現象,必須以粒子理論來解釋。當把光當成電磁波的時候, 可以用三個物理量來描述它的性質, 這三個物理量分別是波向量(k)、電場(E)及磁場(B)。圖一簡單地把三者之間的關係, 以三個互相垂直的向量來表示?並且以電磁正弦振盪(sinusoidal oscillation)的波長(wave length)來表示光的能量。圖二以對數指標列出各種不同波長(或頻率)的電磁波, 其中波長在4x10-5到8x10-5公分(400~800 nm)之間的電磁波稱為可見光。 隨著半導體科技的突飛猛進, 光電工業開發了大量的消費產品, 進入了我們每一個人的生活。表一把光電產品依據照明、電子裝置及雷射等分類,分別介紹各種光電技術及元件。各種光電元件除了充份運用各種半導體材料的光特性之外, 金屬反射膜也扮演相當重要的地位。另外, 金屬膜在傳統光學元件中也是不可或缺的角色。利用金屬的反射、半反射、分光、濾光等特性, 設計出不同的半反射鏡、光線分割稜鏡與中性光密濾光片等光學元件。 圖一光波可視為電場及磁場交互振盪而成 圖二各種不同波長(頻率)的電磁波 表一 二、材料為甚麼透明? 為甚麼反射? 自然界所有的固體皆由原子排列而成, 而原子由電子與原子核所組成。非導電材料的電子因為受原子核的束縛, 可以用彈簧模型(Lorentz model) 來表示電子與原子核之間的振盪。當光波(電磁波)進入時,由於光波的電場(E)對電子產生交互作用, 造成電子位移,而使固體產生極化(polarization), 光波的能量被電子振盪吸收一部份而造成光速與波長改變, 稱為光的色散現象。 　 圖三Lorentz 模型,中間白色球為原子核,其他小黑球為電子,不同粗細的彈簧代表固體的異方向性 　 在此非導體介質中的光速可以用下列的公式來表示 V=C/n 　V:光在介質中的速度 　 C: 光在真空中的速度 n:介質的折射係數(refractive index) 光在介質中除了光速改變之外,　其電場的振幅也會隨穿透距離而依e-2k’x遞減,其中k’為吸收係數(coefficient of absorption), 而x 為穿透距離。 導體材料中的外殼層電子(自由電子)並沒有被原子核束縛, 當被光波照射時, 光波的電場使自由電子吸收了光的能量, 而產生與光相同頻率的振盪, 此振盪又放出與原來光線相同頻率的光, 稱為光的反射。如圖四 所示, 這種電子的振盪隨著深度的增加而減小, 使電子振盪的振幅(amplitude)減小到原來1/e時(e為自然對數)的深度稱為穿透深度(skin depth,δ) , 此穿透深度決定了材料是透明還是反射, 通常大部份金屬的穿透深度只有幾十或百奈米(nanometer, nm) 。 穿透深度與材料的基本性質的關係如下: δ=√(λ/πcμσ) λ: 真空中光的波長速 c : 光速 μ;導磁係數 σ:靜導電係數(static conductivity) 由上述公式可以了解,光線的波長愈長愈容易穿透金屬, 這就是為什麼波長較長的紅外線比短波長的紫外光更容易穿透金屬。另外值的注意的是, 金屬的導電係數愈高, 穿透深度愈淺, 反射率(reflectivity)愈高。因此金屬反射膜材料大都使用高導電度的金(Gold, Au)、銀(Silver, Ag)、鋁(Aluminum, Al)與銅(Copper, Cu)等材料。 圖四光照射到導體而使自由電子振盪,此振盪隨著深度的增加而減小 光學元件的反射主要可以分類成前反射式(front-surfaced reflection)及背反射式(back-surfaced reflection)兩種, 如圖五所示, 光線直接照射在反射膜上的方式稱為前反射, 光線穿過透明介質再照到反射膜的方式稱為背反射。前反射式效果最佳, 但是必需考慮反射膜的表面品質而且容易被刮傷及容易氧化。背反射式只需考慮將透明介質的表面研磨、拋光後, 再鍍上一層足夠厚度的反射膜即可, 對於鍍膜的表面品質要求比較不嚴格。 圖五 前反射與背反射 三、金屬反射膜鍍膜方式與性質 銀在可見光和近紅外光部份為最佳的反射膜材料, 如表二所示, 銀膜在波長800 nm 時的反射率可以達到99.2%。鋁在近紫外光、可見光、近紅外光都有良好的反射率, 是鍍光學反射鏡最常使用的材料, 但是鋁膜材質較軟而且容易氧化, 通常用於背反射膜, 當用於前反射膜時, 其表面必需鍍上保護膜, 也可以鍍上金屬或非金屬膜來提高在特定波長的反射率。 金與銅在650~800nm的反射率表現不錯, 但是當波長