可见与近红外超宽带分光膜的设计与制备

长春理工大学本科毕业设计编号 本科生毕业设计可见与近红外超宽带分光膜的设计与制备Research on Design and Manufacturing Technique of Ultra-wideband Beamsplitter for Visible and Near-Infrared Wavelengths学 生 姓 名陈博临专 业 光电信息工程学 号100212630指 导 教 师付秀华学 院光电工程学院二一四年六月毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）可见与近红外超宽带分光膜的设计与制备，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月 日摘 要光学薄膜技术作为一种在红外、激光及航天等高新技术领域中得到广泛应用的关键技术，其进步和发展对于促进仪器微型化可以起到十分重要的作用。分光膜作为光学薄膜的一种，在激光器、光电显示和光学存储等典型光电技术领域中不可或缺，其中超宽带分光膜更是受到业内广泛关注。为了制备出性能优良的超宽带分光膜，本课题从镀膜材料特性、膜系设计、制备工艺和误差分析等方面展开了深入研究。首先在膜料的选取上，通过比较分析不同材料的物理、化学、光学和机械特性，最终选用TiO2和SiO2两种常用膜料来镀制400800nm分光膜。然后利用TFC膜系设计软件，根据多层膜理论，对由TiO2和SiO2两种材料组成的分光膜进行了模拟设计。最后，总结出镀制此类超宽带分光膜的关键工艺要素，对影响薄膜光谱和机械性能的因素进行了分析，筛选出主要影响因子，最终得出解决问题的妥善方法，给出了实验数据和测试结果。对实验结果及误差来源的分析表明，制备的超宽带分光膜能够满足课题要求。关键词：超宽带分光膜 膜系设计 工艺参数AbstractThe optical film technology which has been widely used as a key technique in such state-of-the-art areas as infrared, laser, and aerospace, is playing a significant role in promoting the miniaturization of equipment with its progress and development. As one kind of the optical film, beam splitter is an essential part in typical fields of optoelectronic technology, e.g., lasers, optical display, and optical storage. Particularly, the ultra-wideband beam splitter has been extensively concerned by experts in the research area. In order to prepare an ultra-wideband beam splitter with high performance, almost all of aspects relevant to this issue, including the coating material properties, scheme of film system design, preparation process, and error analysis, have been deeply investigated in our research project.Firstly, as to the selection of film materials, by comparing and analyzing among various materials with respect to their physical, chemical, optical, and mechanical properties, TiO2 and SiO2, two kinds of film materials in common use, have been finally chosen for the preparation of 400800nm beam splitter. Secondly, the TFC software for the design of film system, has been applied to handle the simulation design of beam splitter combined of TiO2 and SiO2 based on the theory of multilayer film.Finally, key factors referring to the preparation process is summarized for plating similar ultra-wideband beam splitters. And all of factors which may have influence on the spectrum and mechanical properties of the film are analyzed to pick up main factors, so as to address a suitable way to solve the problem. Furthermore, the associated experimental data and test results have been provided as well. It is shown by the analyses on experimental results and error sources that the prepared ultra-wideband beam splitter can satisfy the requirements of the project.Key words: Ultra-wideband beamsplitter; Film design; Technical parametersI目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1分光膜的发展历史及研究背景11.2本课题的研究内容2第2章 分光膜设计理论基础42.1单层膜的设计理论42.2 多层薄膜的特性计算52.3 分束镜的特性及分类6第3章 膜系设计93.1设计要求93.2材料的选择93.3膜系设计12第4章 薄膜制备工艺174.1镀膜机的结构174.2薄膜厚度控制方法194.2.1光电极值法194.2.2石英晶体法204.3改善均匀性的措施214.4制备工艺参数224.4.1基片温度224.4.2沉积速率224.4.3真空度224.5制备工艺过程224.5.1基片的清洁224.5.2镀制薄膜的具体工艺流程224.5.3镀制分光膜的具体工艺参数24第5章 测量结果与误差分析255.1 测试结果255.2薄膜附着力的检测275.3 薄膜器件的环境试验27总 结28参考文献29致 谢30第1章 绪 论1.1分光膜的发展历史及研究背景薄膜光学被认为是现代光学的一个相当重要的分支，几乎所有的光电系统、光学系统和光电仪器都无法离开光学薄膜，并且时至今日人们也没发现另有别的技术可以完全把光学薄膜取代。光学薄膜技术是激光、红外及航天等高科技所需的关键技术，光学薄膜技术的发展对促进和推动科技技术的现代化和仪器微型的化方面都起到了十分关键的作用1。在科技飞速发展的今天尤其是近些年发展迅速的光折变薄膜、薄膜光子晶体、量子点薄膜、高密度体记录薄膜、传感功能薄膜，光电系数的铁电非线性薄膜，光子探测薄膜、亚波长或纳米尺寸的多维结构和有机发光显示薄膜等等，其各种特殊性能的开发与应用无一例外的不和光学薄膜的特性相关。分光膜更是光学薄膜中尤为重要的一种，研究分光膜的设计与制备技术，对于生产实践有着重要的意义。薄膜光学的来源可一直追溯到18世纪的“牛顿环”，当时人类首次发现了光的干涉过程，并紧接着进而解释了这一现象。在1873年，麦克斯韦（Maxwell）出版了他的著作论电与磁，更是进一步奠定了薄膜光学的理论基础。以上的研究成果就此确立了薄膜光学界的两大基础性理论，即光的干涉理论和电磁场理论。矩阵法、矢量作图法、菲涅尔公式、有效界面法和对称膜系的等效层法等等也奠定了坚实的光学薄膜设计的理论基础。光学薄膜的理论本质可以概括为：应用电磁波的宏观麦克斯韦理论，研究光在通过膜系时，膜系对光的反射、透射、吸收以及相位特性、偏振效应等作用。鉴于光的偏振特性，当光线倾斜地入射到光学薄膜上时，电场和磁场在每一个界面上的切向分量都是连续的，这使得薄膜对p分量和s分量可以表现出不同的有效折射率，膜系显示出很强的偏振效应。人们利用这种性质可以制成偏振分光膜。从上世纪六十年代开始，国外的学者就开始致力于这方面的研究。1970年，科学家Costich采用了等效折射率的理论做出了消偏振分光膜系，提到了一种能够适用于存在于空气界面中的金属-介质膜、同时又可以减少由于镀多层膜的而会产生的偏振效应的方法2。1974年，科学家Mahlein提出了一种利用两层膜来组成基本周期膜系来制备出消偏振膜系的手段。这种方法的缺陷在于，它所要求的膜系材料的折射率远远超过了实际使用的材料的折射率，因而很难运用于实际工作中3。在1976年，Thelen提出了“仅用/4膜堆”即可在玻璃基底上镀制消偏振薄膜的方法。由于它最终制得的膜系消偏振性能对膜层的变化非常敏感，膜系层数也很多，因而也很少被采用4。2005年，Tao Liu利用光子晶体制成的偏振分光器，提高了产品的集成度5。2011年，R. M. A. Azzam使用嵌入Galium 磷化数据集中的铝氮氧化物隧道方法制成的偏光分束镜，可以适用于红光和600-1600nm的近红外波段的光6。在国内，1992年，杨卫萍进行了He-Ne激光消偏振分光膜的研究，其论文并没有对制备方法进行详细的说明7。1997年，赵洪范运用膜系结构原理，研制出了在波长为1.06m处，透过率大于98%的立方二向色分光棱镜，“解决了该类立方棱镜消偏振的难题”8。2005年，谭宇针对于全介质膜料在应用于透550-1100nm，反8000-12000nm的特宽光谱分光膜时，镀膜工艺难以实现的问题，提出利用Ag诱导增透原理来实现光谱分光的要求9。2007年，王文梁结合今年来一些已经取得良好结果的优化设计的数值方法（1011），利用Needle合成法和Conjugate graduate精炼法，设计了全介质三波长消偏振平板型分光膜12。2012年，付秀华制得了应用于450-650nm波段中性分光的分光膜13。现如今国内外对不同波长范围内的多棱镜分光膜、宽光谱分光膜、棱镜偏振膜、消偏振分光膜都有了更加深入的研究。而最广泛的探索还是对消偏振领域的分光膜的研究。通常分光镜可以分为平板分光镜和棱镜分光镜。平板分光镜的优点是偏振效应相对较小，但因其膜层暴露在大气中，故而对膜层的牢固度和耐冲击性及防潮性能有一定的技术要求。棱镜分光镜偏振效应大，在光学仪器中易调装，同时由于膜层是胶合于棱镜中，不易损坏，所以对膜层材料的机械性能和化学稳定性并没有太高的要求。国外，环境适应能力好、无温漂的高质量膜层镀制工艺技研究如日方生。目前，对光学薄膜在工艺参数的精确控制与误差自动修补技术研究方面还有许多工作可做。具体包括基底温度、真空度、材料折射率的控制及其稳定性、镀膜材料蒸发参数、任意膜层厚度的精确控制技术等。国内装备多以国产镀膜机为主，近几年为了满足光通讯领域的需求，也引进了一些进口高级镀膜机。国产设备自动化程度不高，以手动操作为主，故障率较进口镀膜机高。1.2本课题的研究内容本课题的研究内容分为分光器件的选取、膜系材料的选择、膜系设计、镀膜制备、膜系测试结果分析等五个方面。1.在分光器件的选取上，根据所查阅的文献，目前人们研制出的分光器件大致分为两种，即平板分束镜和分光棱镜。平板分束镜的优点在于其结构简单，易于加工。而分光棱镜相对于平板分束镜，在透，反射二向色等光程和轴对称会聚光路中多采用，给光学设计和结构带来了方便。本文结合了查阅的文献，对这两种分光器件进行了比较。考虑实际加工条件的限制，本论文选取的是平板分束镜。2.在膜系材料的选择上，根据设计要求中规定的K9为基底，波长范围是400-800nm等条件，查阅了相关的文献。膜系材料大致可分为两种，即全介质材料和金属材料。在大部分文献中，人们多是选择全介质材料。除了成本的因素，人们摒弃金属材料的原因在于金属材料固然有较小的偏振效应，但它对光存在着很强的吸收。当然在有些场合，人们又利用Ag诱导增透原理而非全介质材料来实现光谱的分光要求。本文结合查阅的资料，对金属分束镜和全介质材料的特性进行了详尽的阐述，对其各自的特性进行比较，选取合适的薄膜材料。3.在膜系设计上，首先参考查阅的文献，将以及 作为初始膜系的备选方案，其中H是高折射率材料，而L是低折射率材料；再利用TFC膜系设计软件对之前备选的几组膜系材料进行了膜系设计，制定出几组设计方案，给出膜系优化的过程，并挑选出相对合适的方案。在分束镜的另一面，设计出相应波段的增透膜。4.在镀膜制备上，根据本学院镀膜实验室的现有条件，使用国产TXX-700真空镀膜机，研究工艺参数和两种薄膜厚度的控制方法：光电极值法和石英晶体法。5.对膜系进行测试和分析，分析总结各量是否满足要求；接下来还要进行附着力测试、湿热测试及高温测试，目的是要保证光学元件的可靠性。可见光的波长范围是380-780nm，近红外波段为780-2526nm，而本课题研究的波长范围为400-800nm。在实际的设计和制备过程中，会把波长范围扩展到380-820nm，这一波段涵盖了整个可见光波段和部分近红外波段。鉴于这个原因，本课题的题目即定为“可见与近红外超宽带分光膜的设计与制备”。第2章 分光膜设计理论基础光学薄膜的设计，一定是以电磁理论为基础的。截止目前，膜系设计最常使用的理论计算方法是导纳矩阵法，它的发现使光学薄膜的特性计算问题和多层膜的设计计算问题变得相当简单。本章将围绕分光膜，依据导纳矩阵法来介绍单层膜和多层膜的设计理论，同时介绍几种常用的分束镜，为第三章的膜系设计做理论准备。2.1单层膜的设计理论导纳矩阵法是由麦克斯韦方程组推导出来的19。公式形式： (2-1)令 (2-2)则矩阵 (2-3)称为薄膜的特征矩阵。该矩阵包含了薄膜所有有用的参数。在（2-3）中；对p分量，而对s分量，。在之后的章节我们将会看到，分析薄膜特性时，这一矩阵是相当有用的。矩阵被定义为薄膜和基片组合起来的特征矩阵。很明显，由 Y=C/B (2-4)得： Y= (2-5)则振幅的反射系数即为： r = (0-Y)/(0+Y)= (2-6)进而得出能量反射率： R = (2-7)由矩阵的表达式可知，当光学薄膜有效的光学厚度为1/4的整数倍时，即： =m或者当其相位厚度成为的整数倍时，即： (m=1，2，3，)此时一系列的极值就会出现在参考波长处。而当厚度为的奇数倍，即m=1，3，5，的情形，有： Y=C/B=这通常称为四分之一波长法则。 而对厚度为偶数倍，即在m=2，4，6，的情况下， Y=B/C= 在参考波长处，它对于膜系的透射或反射特性并没有任何的影响，故又称为“虚设层”。当然在其他波长上，薄膜的特征矩阵不会呈现为单位矩阵，这时它对膜系的特性又是有影响的。2.2 多层薄膜的特性计算以上对单层膜的讨论可以自然而然地扩展到研究多层膜时的情况。任意光学多层膜，无论是金属薄膜还是介质薄膜的组合，都可以用一等效界面来代替。如果重复这一过程，在界面K和K+1应用边界条件就可以得到19： (2-8)由于各界面的切向分量是连续的，则有： (2-9)所以经过连续的线性变换，最后得到的矩阵方程式就是： (2-10)这样膜系的特征矩阵就可写作： (2-11)矩阵 (2-12)可以称为是第j层膜的特征矩阵。而在无吸收条件下，介质薄膜之特征矩阵（一般形式）则可以写成： (2-13)式中和是实数，而且=，而和为纯虚数，此外它的行列式的值即为1，称为单位模矩阵，即： (2-14)而且应注意，任意多个此类矩阵的乘积的行列式之值也应该等于1。而一个1/4波长层，换言之，某一参考波长的/4为有效光学厚度的薄膜，在其参考波长处它的特征矩阵有：M= (2-15)而在半波长层则应该有： M= (2-16)可见光的半波长层处在该参考波长下时对于薄膜系统之特性没有任何影响，故称为“虚设层”。2.3 分束镜的特性及分类分束镜通常总是倾斜着使用的，它能方便地把入射光分为透射光和反射光两个部分。若透射光和反射光存在不相同的光谱成分，换言之各有各的颜色，这种分束镜就被称作二向色镜。另一种分束镜称为中性分束镜，它在一定的波长区域内，比如说在可见光区内，它对不同的波长有相同的反射率和透射率比，故而反射光与透射光呈现出中性，也即将一束光线分作光谱成分相同的不同的两束光。透射和反射比为1:1的中性分束镜最为常见。本文中所要讨论的就是分光比例为50/50的中性分束镜。人们研制出的中性分束镜大致分为两种，一种是平板分束镜，即在透明的平板上镀上所需的膜层。在2005年，谭宇在他的“特宽光谱分光膜的镀制”中，就使用了消偏振平板分束镜14。同样，2007年，王文梁在他的“全介质三波长消偏振平板型分光膜的设计”中，所使用的也是消偏振平板分束镜15。平板分束镜，由于不可避免的色散，通常应用在中、低级光学装置上；另一种分束镜则被称为胶合立方体分束镜，即把膜层镀在45度的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜，构成胶合立方体。在1997年，赵洪范设计了一种“立方二向色分光镜”，这种分光镜就属于胶合立方体分束镜，它被封闭在正立方体中，相对于消偏振平板分束镜，这种分光镜在透，反射二向色等光程和轴对称会聚光路中多采用，给光学设计和结构带来了方便16。但是胶合立方体分束镜的偏振效应较大也是显而易见的17。在一定的波长范围内，反射率几乎不变的薄膜或者薄膜组合，都能起到中性分束的作用。常见的有金属分束镜和介质分束镜这两种。1）金属分束镜一般来说，铂、铑等金属膜都有较为平坦的分光特性，在0.24微米至5微米的宽阔的波长范围内，被称为克莱密的镍铬合金（80Ni-20Cr）膜，显示出了非常平坦的分光特性。制备这种合金膜，可以用市场出售的克莱密合金电阻丝直接通电流进行蒸发，或者采用将重量比为4：1的铬、镍粉混合后盛放在锥形的钨篮中，以1600度的温度蒸发的方法，也可制出这种合金膜，因而工艺上也并不非常困难，。蒸发后，在空气中以200度的温度经过1-2小时的老化处理。这样，膜层的机械强度和稳定性都十分良好。但是如果蒸发温度过低，则膜成分中的铬含量就会增加。当蒸发速度为1450度时，实际制得的成分是65Ni-35Cr。因此，蒸发时要求基板温度大于250度，目的是为了提高膜的性能。此外，由于要求分束膜的吸收小，在用金属作为分束膜时，应选择k/n值大一些大的材料。在可见光区，银是吸收最小的一种金属膜，作为分束镜也获得了应用。但除了在胶合立方体中得以应用外，现在很少把银应用到制备分光膜中去，这是因为铝的化学稳定性和机械强度都不太好，而且银的中性稍差，在光谱的蓝色端反射率下降。目前应用的更加广泛的是铬。铬膜的中性程度都比较理想，它的机械强度和化学稳定性也比较好，分光曲线比较平坦，在可见光区域，一般长波段的反射率要比短波段的高10%左右。因为分束镜的吸收损失受分束膜周围的介质的影响，因而也可以通过改变周围的介质使吸收损失减小。例如，在玻璃板上选镀一层的硫化锌膜，然后镀上铬膜，即可以使分束镜的吸收显著减小。在T和R大抵相等的条件下，只镀一层铬膜时的T+R约为60%，而在增加一层膜后，T+R就可提高至约为82%的水平。金属膜分束镜的一个共同缺点是分光效率比较低，且吸收损失较大。对于金属膜分束镜来说，鉴于膜层中存在吸收，透射率与光的传播方向无关，不管膜层有无吸收，这个结论都是正确的。而从空气侧入射得的反射率要比从玻璃侧入射测得的要高，也就是说分光膜的反射率和入射光的方向有关，因而分束镜的吸收与入射光的方向是有关联的。从空气侧入射时的吸收比从玻璃侧入射时的吸收要小的多。无需赘言，金属膜分束镜的正确安置是需要特别注意的。2）介质分束镜介质膜分束镜与金属膜分束镜相比较，因为介质膜的吸收小到可以忽略的程度，所以分束效率高，这是介质分束镜的优点。但是介质膜的另一特性是对波长较敏感，给中性分束带来困难;同时，一般介质膜分束镜的偏振效应较大，这也是它的不足之处。我们知道，为了增加反射率，减小透射率，可以在透明基片（折射率）上镀一层厚度为的高折射率的介质薄膜。这种膜的反射率在中心波长附近一个相当宽的波长范围内，随波长改变得相当缓慢。中心波长处的反射率此时应为一个极大值，对p-分量有 （2-17）对s-分量有 （2-18）这里为入射角，和分别是膜系中和基片中的折射角。另外，还有一种偏振分束镜，利用光的偏振实现50/50中性分光。它的原理是对于不同折射率的两种介质/的分界面，在入射角可以满足布鲁斯特角条件时，即，p-偏振光之反射率为零，而s-偏振光则存在部分反射、同时亦有部分透射。如果要增加s-偏振光的反射率，保持p-偏振光的透射率近似于一，可以把两种材料进行交替淀积，最终制成多层膜。另外，膜层在特定的入射角条件下有效的光学厚度，应该与中心波长的1/4相等。当膜系达到足够多层时，s-偏振光的透射率接近于0，p-偏振光的反射率接近于0.因而对于自然光来说，在一定的波长内，这种分束镜可以得到50/50的透射反射比，是良好的中性分束镜。但较多的场合是用来作为偏振度较高的偏振分束镜19。第3章 膜系设计为满足本课题所要求的光学特性，本章将从膜料的选择，膜系的结构设计等方面来阐述。具体地说是指从材料的各方面的特性分析，选择合适的膜料，设计出符合要求的膜系结构，然后用薄膜设计软件模拟曲线，校验各个光学参数以满足要求，并且进一步优化设计得到较理想的理论光谱曲线。3.1设计要求以k9为基底，波长范围是400-800nm，要求光线沿45入射时，分光比例为1:1，且正负误差小于5%的超宽带分光膜。3.2材料的选择目前可供使用的光学薄膜材料虽已不下百余种，然而全面考虑其光学性质，机械性能及化学稳定性，真正有用的材料并不多，所以一般来说，选择膜层材料应考虑以下几个方面的特性：即透明度，折射率，机械牢固性，化学稳定性等。1)透明度介质和半导体薄膜材料在光谱的特定区域通常是透明，但从能级图上看，介质材料可用范围非常广泛，势必价带电子不能自由地通过禁带而到达导带，所以它们中的大多数在可见光区和近红外波段是透明的。相对于半导体材料的介质而言，它们有窄得多的禁带宽度，价带中的价电子光激发后进入导带也是容易的，它们的短波长吸收移向长波受到了限制，它们通常在近红外区到红外区是透明的。图3-1是一种典型的半导体和介质膜透射光谱。图中A区是短波吸收区域和本征吸收区，其吸收系数大于。这种效应主要是由于光子的吸收，电子从价带跃迁到导所造成的。B区是透明区。在该区域中，光子的能量不够达到使价电子激发的水平。此时，除了少量半导体吸收和自由载流子吸收，并没有其他能量吸收机构的杂质，由此，就呈现出了一种透明区。C区是长波吸收带，主要的原因是晶格振动吸收。 图3-1 介质和半导体材料的透射曲线 透明区材料的选择在原则上是使其有尽可能高透明度，即换言之就是尽量小的消光系数。通常，高折射率材料的消光系数在可见光区域内比低折射率材料大1至2个数量级，因为高折射率材料更靠近长波。易分解的氧化物材料(如Ti 等)的消光系数比常用硫化物和氟化物(如ZnS，Mg等)的比率高。并且是由该材料的化学计量和杂质所引起的。而就膜层结构而言，单晶为最小，无定形为其次，多晶薄膜的损耗最大。原因就在于多晶结构导致的吸收散射增加了。2) 折射率折射率是一个通常被希望是确定的并可以重复的一个非常重要的参数。薄膜的折射率取决于以下几个因素。材料类型：材料的折射率是由其在电场作用下的价电子的性质决定的。如果材料外层价电子很容易极化，折射率必须非常高。随着元素的原子量的增多，核中正电荷对外层的作用也被屏蔽得更加严重，最终就表现为禁带宽度变窄，折射率增大。对化合物，由电子键结合生成比离子键的化合物折射率要高。因为离子化合物的电子键小，容易在两极分化。此时折射率还随构成这些化合物元素的正离子的价态或原子量的增加而提高，由于外层电子处于较松散的束缚状态，故离子性较弱。据上所述，折射率大致按下列次序递增：卤化物，氧化物，硫化物和半导体材料。还有两个因素为波长和晶体结构，在这里就不作过多介绍了。3) 机械牢固度和化学稳定性为了获得薄膜的牢固性和耐久性，对膜料有如下要求：膜料本身应具有良好的化学性能和机械强度；薄膜与薄膜、薄膜与基板之间应具有良好的粘合性；薄膜应力尽可能小，并且其性质要相反（张应力和压应力），以降低多层膜应力的堆积。应当指出的是，薄膜的化学性能和机械性能会随着不同的制备条件而存在着明显的差异。例如基片加热及离子轰击能使硫化锌膜变得很坚硬。因此，材料的具体选择必须综合地考虑到不同条件及其相互的联系。另外，还要注意薄膜的具体应用条件的背景，例如胶合的场合就不必过于追究化学和机械性能的调查分析；薄膜如果要应用于潮湿空气中，就要求膜料的抗潮性能特别好；在海面，就要考虑碱、盐对于薄膜的作用；应用于高寒高温环境下的薄膜，就要注意分析其温度对薄膜的影响；高能激光薄膜应考虑激光对薄膜的损伤等等。下面将列出几种常用的，并可能应用到本课题中所要镀的分光膜和增透膜的几种膜料：氟化镁（MgF2）是薄膜制备中常见的材料之一，它在550nm处的折射率为1.38，透明区为0.12到10。氟化镁相较于其它低折射率卤化物是最牢固的，尤其是在基板温度达到250时，硬度和耐久性都非常好，因而在增透膜中得到广泛应用。在多层膜中，它常与CeO2，ZnS或Bi2O5等膜料组合。但由于MgF2膜的张应力很高(300到500MPa)，因而在室温环境下或利用快速蒸发的方法所得到的ZnS-MgF2膜就容易破裂。它与CeO2和Bi2O5的结合比ZnS好。氟化镁蒸发时容易发生喷溅，此时选用一定晶态结构的块状材料是有利的其原因在于:在蒸发表面形成了熔点比氟化镁更高的氧化镁，这种现象材料蒸发次数的增多而越发严重;材料本身晶粒太细薄，除气预熔的气体来不及释放。氟化镁的填充密度相对较低，在室温下可低至约0. 75，在真空中测得的折射率为1.32-1.33，暴露在大气中后，这些孔隙被折射率是1.33的水蒸汽所填充，折射率提高到1.37。由于上述孔径在MgF2膜内大小分布的范围主要为2-5nm，因此吸潮过程比NaAlF6快。当基板温度大于250时，膜层折射率接近大块材料之值，聚集密度接近于1。二氧化钛（TiO2）薄膜的折射率高，稳定且牢固，当在可见光及近红外区域是透明的，这些优良的性能使它在光学薄膜应用中十分吸引人。然而，TiO2材料在真空中被加热，并通过蒸发时因分解而失损氧，形成高吸收的亚氧化钦薄膜TinO2n-1（n=1，2，10），所以经常采用反应蒸发技术。低价的TiO在离子氧中蒸发时，Ti2O3和Ti3O5获得了优秀的TiO2膜。TiO的熔点金属钛和TiO2要低，可用电子束或钨舟来进行蒸发。由于TiO严重缺氧，所以需要较高的气压(例如3Pa)，并根据较低的蒸发速率(如0.3 nm/ s)来进行淀积。利用电子衍射来确定不同的基板温度下多晶TiO2膜结构表明:当基板温度T 380时是金红石型，膜的折射率增加，吸收增加。中性氧中制备出来的TiO2膜，其消光系数比离子氧中得到的高大约10倍。Ti2O3的热性质比较稳定，蒸发过程中吸氧作用很强。通过选择适当的参数，不难获得折射率2.2-2.3的无吸收TiO2膜。由于它的缺氧情况比TiO要好，所以蒸发速率可以适当提高(约0.5nm/s)，TiO2作初始材料时，在中性氧中的吸收要比TiO高得多。在离子氧中蒸发时，其吸收强烈地依赖于基板温度;在室温下则得到与TiO相当的吸收。用质谱仪分析了TiO，Ti2O3，Ti3O5。和TiO2作为初始材料的蒸汽组分发现，初始膜料TiO和Ti2O3随着蒸发量增加，氧含量增加，折射率降低；TiO2则氧含量减小，折射率升高。唯有Ti3O5氧含量不变，能够得到稳定的折射率。 鉴上所述，不论采用何种初始材料，都得不到纯TiO2膜，其氧化程度直接决定了膜层的吸收大小。实验表明，TiO2膜的吸收和折射率均随着基板温度和蒸发速率的升高而增加，随着氧压升高而降低。在空气中加热处理能有效地减少膜内的低价氧化物，TiO，Ti2O3和Ti3O5转变成 TiO2的温度分别为200，250-350和大于350。此外，Ti膜中掺杂一定量的Ti3O5等，也可使吸收降低。TiO2膜长期暴露于紫外线，会导致波长小于450nm的短波区吸收增加。二氧化硅是唯一例外的分解很小的低折射率氧化物材料，其折射率为1. 46，透明区一直延伸到真空紫外(0.18- 8)。它的光吸收很小，膜层牢固，且抗磨耐腐蚀，应用极其广泛。由于具有良好的电学性质和光学性质，Ta2O5薄膜近年来非常广泛的运用于光学波导材料和介电材料方面得到。在光波导材料一方面，薄膜具有对红外光发生发射却可以透过可见光和近红外光的光学特点，另外在可见光谱的范围内，Ta2O5材料具有较高的折射率和较低的吸收率，并且具有较宽的光谱透过范围（300nm-10）。综上所述，表3-1列出了备选光学薄膜材料的基本特性表3-1 常用光学薄膜材料的特性材 料蒸发方法折射率透明区/um备注MgF2电子束0.1110极硬、张应力大TiO2 电子束0.3512稳定，真空加热易失氧Ta2O5电子束2.1（0.55）0.3510沉积速率不稳定SiO2电子束1.451.46（0.55）0.29极硬、压应力小3.3膜系设计由于在可见光区域应用的介质膜的折射率通常都小于2.5，因此，对自然光要达到50/50的分光要求，单层膜是困难的，它仅适用于反射率要求极低的场合，或入射光为S偏振光的场合。要想得到透射和反射比为50/50、可见光谱中性的介质分光膜，必须要用更多的膜层。对于平板分束镜，通常可采用G|HLHL|A或G|2LHLHL|A，其中A表示空气，G表示折射率1.52的K9玻璃基片。根据上述要求，采用两种方案设计分光膜。第一种：应用H4和SiO2作为高低折射率材料，K9玻璃为基底，采用全晶控方式监控。第二种：TiO2和SiO2作为高低折射率材料，K9玻璃为基底，采用全晶控方式监控。第一种方案：膜料：H4 /SiO2，基底K9，基础膜系：G|LHLHLHLHL|A，H和L分别为高低折射率薄膜，中心波长800。应用TFCalc膜系设计软件，优化后所得的理论膜系如表3.2示表3-2 方案一优化后的膜系Layer No膜层物质物理厚度（nm）光学厚度()1H4116.030.92348002SiO2139.670.83528003H495.590.76078004SiO2113.290.67748005H4114.400.91058006SiO2120.340.71968007H469.550.55258008SiO2105.070.62838009H450.070.398580010SiO295.490.571080011H452.730.419780012SiO2182.451.091080013H421.450.170780014SiO242.260.252780015H424.160.192380016SiO2140.590.8407800应用TFCalc膜系设计软件，得到的优化后的反射率的理论曲线如图3.2所示图3-2 方案一优化后的反射率曲线第二种方案：膜料：TiO2 / SiO2 ，基底K9，基础膜系：G|LHLHLHLHL|A，H和L分别为高低折射率薄膜，中心波长570。应用TFCalc膜系设计软件，优化后所得的理论膜系如表3-3所示表3-3 方案一优化后的膜系Layer No膜层物质物理厚度（nm）光学厚度()1TiO228.430.47005702SiO284.580.86295703TiO236.250.59935704SiO2142.751.45645705TiO264.391.06455706SiO2153.861.56975707TiO280.581.33235708SiO283.100.8478570利用TFC软件进行优化后得到的反射率曲线如图3-3所示：图3-3 方案一在400nm到800nm处的反射率曲线图表3-4 两种方案比较第一种方案第二种方案高折射率介质厚度(nm)543.98209.65低折射率介质厚度(nm)939.16464.29总厚度(nm)1483.14673.94最薄层第13层（21.45nm）第1层（28.43nm）最厚层第16层（140.59nm）第6层（153.86nm）总层数16层8层监控方式全晶控全晶控表3-4列出了两种方案的比较结果。根据图3-3可知第二种方案在400nm到800nm波段范围内，反射率极值最大为50.34%，最小为49.1%，基本满足分光比50/50的分光要求。相比较而言，第一种方案的分光比虽然也能满足分光比为1:1的要求，但由于其优化后的波形仍较差，而且膜层数也过多。综上理由，最终选取第二种方案。如图3-4和3-5是SiO2和TiO2的折射率色散曲线。根据薄膜的基本理论，玻璃基底在镀上分光膜后，元件背面有4%的反射，而在设计分光膜时并没有考虑这一问题。应在基片的背面再设计一个增透膜来使实际成品的透射率满足要求。镀制400-800nm的增透膜选用的是运用晶控的，中心波长为550nm，初始膜系为G|LHLHL|A的增透膜。其H和L是折射率分别为2.15和1.38的高低折射率薄膜。其中H代表H4，L代表MgF2。应用TFCalc膜系设计软件，优化后所得的理论膜系如表3-4所示表3-4 增透膜优化后的膜系Layer No膜层物质物理厚度（nm）光学厚度()2H4120.530.24815503MgF237.630.37765504H4132.391.92045505MgF295.780.9613550应用TFCalc膜系设计软件，优化后所得的透膜透射率曲线由图3-4所示。两面都镀膜后的理论曲线如图3-5所示。图3-4 增透膜的透射率曲线图图3-5 两面镀膜的理论曲线第4章 薄膜制备工艺薄膜制备技术包括很多方面，本章主要介绍镀膜机的结构，薄膜厚度监控技术和膜厚均匀性等方面的基本知识；并在此基础上，进一步介绍制备工艺对薄膜结构的影响以及改善微结构的途径。4.1镀膜机的结构现代的光学薄膜大多数是用真空蒸发的方法来制备的。所谓真空蒸发是指在真空条件下加热材料，从而让薄膜材料的原子或分子以直线的形式向周围蒸发，进而在被镀零件表面沉淀成均匀的薄膜。实验室使用的镀膜机是TXX-700型箱式真空镀膜机（如图4-1）。它采用电子束加热蒸发来制备光学薄膜。 图 4-1 TXX700-II型的真空镀膜机该机由三部分组成：膜厚监控装置、蒸发系统和真空系统。1） 真空系统真空系统（图4-2）用来获得必要的真空度，提供镀膜的必要条件。真空泵是获得真空的关键设备。但是，遗憾的是至今还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高真空。为此，必须将几种泵联合使用，如机械泵、扩散泵系统或机械泵、罗茨泵和扩散泵系统。为获得必要的真空度，该机采用机械泵和扩散泵联合抽气来实现，先用机械泵来抽取低真空，再用扩散泵获得高真空。用热电偶真空计和电离真空计来测量真空度。图 4-2 机械泵与扩散泵组成的典型的真空系统1机械泵 2机械泵放气阀 3预阀 4低阀 5热偶真空规 6高阀7扩散泵 8电离真空规 9真空室放气阀 10真空室 11蒸发源 12基片夹常用的机械泵有旋片式、定片式和滑阀式等。旋片式机械泵噪声小，运行率高，故在真空镀膜机中广泛应用。这种泵的主要组成部分是定子、转子、嵌于转子的两个旋片以及弹簧。旋片因弹簧作用而紧贴泵体内壁，如图 4-3 所示。机械泵中油的作用是很重要的，它有很好的密封盒润滑本领。不仅如此，它还有提高压缩率的作用。机械泵油的基本要求是低的饱和蒸汽压，一定的粘度和较高的稳定性。 图 4-3 旋片机械泵的结构扩散泵是依靠从喷嘴喷出的高速、高密度的蒸汽流而输送气体的泵。由于是依靠被抽气体向蒸汽流扩散进行工作的，故取名为扩散泵。2)蒸发系统用来加热镀膜材料的蒸发系统有两种蒸发方法，即阻蒸和离子镀。它配备有双坩埚和双电子枪，坩埚材料为无氧铜水冷坩埚，左边的是环型坩埚，右边的是4个坩埚。两个电子枪都是e型电子枪，它的好处是蒸发源的材料和阴极是分开的，并独立处于磁场中，坩埚与蒸发源的材料发射的电子立即受到磁场的作用，再次发生偏转并被收集极吸收，故而能到达基片表面的二次电子的数量就大大地减少了。电子束蒸发的优点在于使用这种方法，高熔点材料可以被蒸发；在蒸镀合金时可以实现快速蒸发，避免合金的分流；因为使用水来冷却坩埚，电子束蒸发只发生在被镀的材料的表面，因此，该反应不会导致被镀的材料之间坩埚被镀件的污染，这可以帮助制备出纯净的薄膜；因为蒸发时的能量密度较大，蒸汽分子动能增加，能够获得更牢固并且比用电阻加热法更紧凑的膜层；另外，它的热损耗小，同比电阻加热法需要1.5kW的功率才能蒸发普通材料，电子束只要0.5kW就可以蒸发高熔点材料了。3）膜厚监控装置膜厚监控装置包括光控和石英晶振控制，光控方法和晶控方法的最大区别是光控控制周期膜系，晶控可以控制非周期膜系，在下一小节中会详述监控的方法。虽然离子源并未用到本文所讨论的设计过程中，但由于其在实际生产中很有价值，笔者还要用一些额外的篇幅来介绍它