多层介质膜干涉滤光片的镀制

1、多层介质膜滤光片的镀制【摘要】本实验通过机械泵和油扩散泵的先后使用，将真空镀膜机抽成真空。再在高 真空条件下，采用入/4极值法控制光学厚度的方法，基底为玻璃、高反射率材 料为硫化锌(ZnS)、低反射率材料为冰晶石(Na3AlF6),利用蒸发法镀制膜系为 (HL)32H(LH)3的干涉滤光片。最后利用TU-122?双光束紫外和可见光分光光度 计绘制T-入曲线，得到干涉滤光片的波长为648nm,与理论值632.8nm的相对误 差为2.4%，半宽高为42nm【关键字】高真空镀膜干涉滤光片 入/4极值法 光学薄膜检测一、引言自然界中许多美丽的景物，如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及肥皂泡沫等，他们的 观赏效果都

2、与透明膜层内反射光波的干涉有关。从发现薄膜的干涉色彩现象起， 特别是1930年真空蒸发设备出现以后，人们对薄膜科学技术进行了大量研究。在光学薄膜技术中，多层多周期的光学薄膜最为突出，而窄带干涉滤光片则 是这一技术的最主要应用之一。一种典型的干涉滤光片是在玻璃基片上镀制“银 -介质-银”三层膜，前后两银膜构成两个相互平行的高反射率板。若n为间隔层介质折射率，d为该层几何厚度，则间隔层的光学厚度nd决 定了滤光透射峰值0。银层的反射率的主要作用是决定了法布里-珀罗干涉强的 惊喜常数，从而对滤光片的峰值透过率T和半宽度入产生影响。因银层具有很强的吸收，用银座反钠层的“金属-介质”干涉滤光片的透射 率

3、很难高于40%，而用多层透明介质膜构成的高反射膜板代替银层构成的干涉滤 光片能弥补这一缺点，可使峰值透过率高达80%以上二、原理1、真空技术“真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。在真空状态下，单位体积中 的气体分子数大大减少，分子平均自由程增大，气体分子之间、气体分子与其他 粒子之间的相互碰撞也随之减少。这些特点被广泛应用于科学研究和生产的许多 领域中，例如：电子器件、大规模集成电路、加速器、表面物理、热核反应、空 间环境模拟、真空冶炼和真空包装等。真空泵是把被抽容器中的气体排放出从而降低容器内气压的机具。根据排气 压强，真空泵大致可分为三类。第一类是往大气中排气的泵，这种泵一般称为粗抽泵

4、或前级泵，它可以从大 气压下开始工作，可以单独使用或与其他需要在出口处维持一低气压的泵连用。 旋转机泵、活塞式机械泵等都属于这一类。第二类是只向低于大气压的环境中排 气的泵。这类泵是在气体相当稀薄时才能开始工作，并气体排除到已被前级泵抽 成低真空的地方。这类泵称为高真空泵，如扩散泵、分子泵等。第三类是可束缚 住系统中的气体和蒸汽的泵，如吸附泵和低温泵等。而在本实验中，我们可以通过机械泵和油扩散泵的配合使用达到高真空条 件。但扩散泵不能再大气下运行，因此在高真空泵能够工作之前，必须先用机械 泵通过低真空阀门分别将钟罩内和扩散泵中的大部分气体抽到大气中。扩散泵需 要预热，待真空度合适后，将低真空阀

5、放在抽扩散泵一侧，然后慢慢打开高真空阀门。扩散泵和机械泵的组合可使钟罩内的压强降到大约7X10-Pa2、反射膜光线在单一分界面上的反射光线垂直入射到透明介质界面时，反射系数尸和反射率R分别为（2-1）（2-2）其中n、nt分别为两种介质的折射率。知道n-和nt便很容易地计算光垂直入射在 该界面上时的反射特性。在一般情况下，光线以一定的角度入射到分界面上，这时，要对两种偏振分 别计算反射率和透射率。假设入射光为平面电磁波E，并在波前平面内的偏振分 量p波和与该平面垂直的分量，波，反射波和透射波也做同样的分解，用上标匚 r和t分别代表入射波、反射波和投射波。于是，p波和，波的反射率和透射率分 别为

6、图2-1光线在单一界面上的反射_Er _ tan（甲一甲） p Eitan（甲.+甲）t Et2cos 中 sin 中p Eicos（p. 一中）sin（p +中）i t(2-3)Er sin（甲甲） s Ei sin（甲 +甲） sEt 2cos 甲 sin 甲 s Eisin（甲.+甲）定义介质的光学导纳HX(2-4)I K x E I其中K为与界面垂直方向的单位矢，H和E分别为磁场强度矢量和电场强度矢 量，脚标“/”指平行于界面的方向。门的大小既与介质的折射率n有关，也与Q Qn sin Q = n sin Q入射角i和t有关，由折射定律i i tt和绝缘刀质面上电磁幺场的边值关系(2-

7、5)(2-6)(2-7a)(2-7b)k x （E - E） = 0, k x （H - H ） = 0以及H和E的振幅比%|据I E/ I 旦可以推出如下关系叩= ,n* = nt （p波） p cos 甲 p cos 中t叩=n cos中,门t = n cos（p （s波） i i s t t于是可得振幅反射率及能量反射率(2-8)(2-9)（2-8）、（2-9）两式中的门无论对于p波还是s波都适用。（2-8）、（2-9）两式的形式与（2-1）、（2-2）两式完全相同，这就是说定义了介质的光学导纳门之后， 我们就可以用同一形式的公式来处理问题而不必区分垂直还是斜入射。由于不论对p还是s，在

8、忽略吸收条件下都有R+T=1 （2-10）因此，知道R后，便可求得T不必再直接计算。3、单层膜的反射率考虑在基片上单层膜平行平面薄膜的情况。光线入射时，会在界面I和界面上产生多光束干涉，.对这种情况下计算器反射率可以发现，可把它看做是单 一界面的情况，即可以把n0Tn2的单层膜系统看做n0 一 丫的单一界面来处 理，并且仍然可以用（2-9）式来计算反射率R。Y称为单层膜系统的有效导纳。 为了计算方便，我们采用矩阵法。单层膜系个各光学参数间的关系可用矩阵表示为：cos 61I 而 sin 6、i ii sin 6 cos16 /i /(3-1)等式右边2x2矩阵为膜层气的特征矩阵，其中(3-2)

9、称为ni膜层的相位因子，i为虚数单位，2x1矩阵称为基底为n2的特征矩阵。等 式右边的矩阵称为膜系的特征矩阵，膜系的有效导纳Y由此矩阵的两个矩阵元决 定，丫=B(3-3)由此单层膜的反射率为(3-4)4、多层膜的反射率对于多层介质膜系，也可以把膜层七n2,nk和基底ng等效成有效导 纳为Y的单一界面，此时(3-3)式仍然成立，而(3-1)式对应改为(3-5)= tiMi=1其中cos 5ii sin 5 门Icos5i J(3-6)为第i层的特征矩阵。即整个膜系的所有光学参数及其相对反射特性的影响取决 于各膜层的特征矩阵的乘积。yr 土口/土 中 5 *巾 /.t 工加 n d COS 5百古

10、 出 H-i 曰入 / 4 白Ai 口TA己在相位因子i中，我们称i i i为第i层的光学厚度，当匕正八/4的时候，膜层叫人/4层。若每层的光学厚度都是人/4的整数倍，则整个膜系叫做人/4膜 系。我们用字母的排列“GHLH”表示膜系的情况，其中，H、L分别代表光学 厚度为人/4的高、低折射率膜层，G为基片。对nidi %5i /4的膜系，5i =丸/2，cos5 = 0i，该层对应的特征矩阵为(3-7)满足这一条件的单层膜与基底门g构成的膜系有所以(3-8)(3-9)正入射时，(* Y-0n + y / 0/(1见I气/(3-10)则7 ng，R为极大值，这样的入/ 4层为高反射层，若ni n

11、g，则丫七，所以 cos 8. = 1,sin 8. = 0R为极小值，这样的人/4为低反射层。当nd. * *为人/4的偶数2m时，8 = m（m =】2） 这时该层的特征矩阵为(3-111)这是一个单位阵，它对波长人没有影响，在计算时，可以看做是虚设层，但应注挡板 蒸发源* I反射镜 单中仪I|膜序控制仪卜1光电由熠带工件架 轰击电极圈光源透镜 斩波器窗口意，对其他波长而言它就不是虚设层了。全介质人/4膜系构成高反射膜。它的反射率随波长 变化情况在计算中没有考虑光从空气中入射到玻璃 基片时的透过率的损失。5、膜厚的监控准确地控制每一层介质膜的厚度是制备多层介质膜 的关键。一般膜层厚度的允许

12、误差的最好小于2%,偶 尔允许到5%，本实验采用极值法进行膜厚度监控。信号用光笔探型镀接收钟罩内部结构及监控光路示意图当膜厚的光学厚度入o /4的整数倍时，薄膜的透射率 或反射率出现极值，即薄膜的透射率与反射率随膜厚 呈周期性的变化。选定控制波长后，将通过监控片的光 再用放大器显示出来。电信号从每个极大到极小所对应的膜厚度为X0 /4,反之，电信号从每个极小到每个极大所对经的厚度也是气/4。三、实验1、抽真空前的准备工作用吸尘器吸净中招内的杂质与灰尘，在舟1、舟2内方硫化锌，舟3、舟4内方 冰晶石，用酒精洗干净玻璃片后放入钟罩内置基片的地方。2、抽真空图2 TU-1221紫外和可见光分光光度计

13、的光路示意图先用机械泵将系统和钟罩内抽真空至7Pa后，用已经预热过的扩散泵抽真空。在 压强低于7*后对舟1、2、3、4进行 预熔。3、镀膜预熔后开始镀制11层全介质干涉膜。膜系为HLHLH2LHLHLH。在镀膜的过程 中，观察光电流的走向，当出现极值 点时，应及时更换镀膜材料。镀膜完 毕，待镀膜机冷却后，方可将镀膜片 取出。4、测量用分光光度计测量窄带滤光片的透过 率曲线，在曲线上标出峰值波长、半 高宽和最大透过率，。(光路示意图如图2)四、数据处理与数据结果分析层编号折射率光电流强度 ()层编号折射率光电流强度 ()1H91.2-69.56L51.8-38.22L69.5-62.57H38.

14、2-64.03H82,5-32.38L64.0-41.84L32.3-46.49H41.8-70.252H16.451.8，L为低折射率)1、干涉滤光片的镀制(H为高折射率当膜层的光学厚度为入o/4的整数倍时，薄膜的透射率出现极值，即薄膜的 透射率与反射率随膜厚度成周期性的变化。从而让我们可以通过光学极值法来检 测膜的厚度，以便于更好的控制膜厚度。2、 膜系 (HL )22H(LH)2的透射率 曲T%100350450550650750850950波长(n m )400.00500.00600.00700.00800.00900.00波长(pm)图4 TU-1221双光束紫外和可见光分光光度计的扫描曲线滤光片的一些重要参数：入 0=648nm94.9%从 /入=6.48%误差分析：1实验是通过入/4极值法来控制膜的厚度，但由于观测和反应以及实验仪器 精确度等原因，并不能保证正好在光学厚度为/4时保证停止镀当前镀膜层。2在实验过程中一直蒸发冰晶石和硫化锌来镀膜，必然导致在镀膜过程中气 体压强有所影响，而镀膜实验应该是要在外界环境不变