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1、多层介质膜滤光片的镀制【摘要】本试验通过机械泵和油集中泵的先后使用，将真空镀膜机抽成真空。再在高真空条件下，承受/4 极值法掌握光学厚度的方法，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Na AlF ，利用蒸发法镀制膜系为36HL)32H(LH)3 的干预滤光片。最终利用 TU-1221 双光束紫外和可见光分光光度计绘制 T-曲线，得到干预滤光片的波长为 648nm，与理论值 632.8nm 的相对误差为 2.4%，半宽高为 42nm【关键字 】高真空镀膜干预滤光片 /4 极值法光学薄膜检测一、引言自然界中很多秀丽的景物，如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及肥皂泡沫等，他们的赏识效果都
2、与透亮膜层内反射光波的干预有关。从觉察薄膜的干预颜色现象起， 特别是 1930 年真空蒸发设备消灭以后，人们对薄膜科学技术进展了大量争论。在光学薄膜技术中，多层多周期的光学薄膜最为突出，而窄带干预滤光片则是这一技术的最主要应用之一。一种典型的干预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。假设 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打算了法布里-珀罗干预强的惊喜常数，从而对滤光片的峰值透过率 T 和半宽度产生影响。M因银层具有很强的吸取，用银座反射层的“金属-介质”干预
3、滤光片的透射率很难高于 40%，而用多层透亮介质膜构成的高反射膜板代替银层构成的干预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削减，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削减。这些特点被广泛应用于科学争论和生产的很多领域中，例如：电子器件、大规模集成电路、外表物理、热核反响、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。依据排气压强，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头工作，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。其次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淡薄时才能开头工作，并气体排解到已被前级泵抽成低真空的地方。这类泵称为高真空泵，如集中泵、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。而在本试验中，我们可以通过机械泵和油集中泵的协作使用到达高真空条件。但集中泵不能再大气下运行，因此在高真空泵能够工作之前，必需先用机械泵通过低真空阀门分别将钟罩内和集中泵中的大局部气体抽到大气中。集中泵需要预热，待真空度适宜后，将低真空阀放在抽集中泵一侧
5、，然后渐渐翻开高真空阀门。集中泵和机械泵的组合可使钟罩内的压强降到大约 710-3Pa 2、反射膜光线在单一分界面上的反射光线垂直入射到透亮介质界面时，反射系数r 和反射率 R 分别为+nttr =i - n nnit2-1iR = r2 = ( nni- n+t )2nt2-2i、其中nn 分别为两种介质的折射率。知道nn 便很简洁地计算光垂直入射在i和tt该界面上时的反射特性。在一般状况下，光线以肯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重量s 波，反射波和透射波也做同样的分解，用上标i
6、 、r 和t 分别代表入射波、反射波和投射波。于是， p 波和s 波的反射率和透射率分别为图 2-1 光线在单一界面上的反射Err =ppEiptan(j= tan(jii-j )+jt )tEt2cos j sinjt=p=itpEipcos(j -j )sin(j +j )ititErsin(j -j )Et2cos jr =s sEissinj= sin(jii+jt )tt =s =sEissin(j i +jitt)(2-3)定义介质的光学导纳h =| H|/| KE/|(2-4)/ /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
7、行于界面的方向。h 的大小既与介质的折射率n 有关，也与i入射角j和jt有关，由折射定律nsinjii= n sinjtt和绝缘介质面上电磁场的边值关系k (Et- E ) = 0, k (Hit- H ) = 0(2-5)i以及 H 和E 的振幅比=| H|/| E|/(2-6)em可以推出如下关系nihi =n,ht=t p波pcosjipcosjt(2-7a)hi = n cosj ,ht = n cosjs波(2-7b)siistt于是可得振幅反射率及能量反射率hi -htr =hi +ht( 2-8)hi -htR = ()2hi +ht(2-9)2-8、2-9两式中的h 无论对于
8、p波还是s波 都适用。2-8、(2-9两式的形式与2-1、2-2两式完全一样，这就是说定义了介质的光学导纳h 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。由于不管对p 还是s ，在无视吸取条件下都有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状况。光线入射时，会在界面I 和界面上产生多光束干预，.对这种状况下计算器反射率可以觉察，可把它看做是单一界面的状况，即可以把n- n - n012的单层膜系统看做n- Y 的单一界面来处0 h理，并且仍旧可以用2-9式来计算反射率 R。Y 称为单层膜系统
9、的有效导纳。为了计算便利，我们承受矩阵法。单层膜系个各光学参数间的关系可用矩阵表示为：di sind Bcos1 1C =1h1ih sindcosd2111(3-1)1等式右边 2x2 矩阵为膜层n的特征矩阵，其中d = 2p n dcosj1l1 11(3-2)1称为n膜层的相位因子，i 为虚数单位，2x1 矩阵称为基底为 n 2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打算，Y = CB(3-3)由此单层膜的反射率为h - Y 2R = h0 + Y 0(3-4)4、多层膜的反射率对于多层介质膜系，也可以把膜层n , n,.n和基底n g等效成
10、有效导12k纳为 Y 的单一界面，此时3-3式仍旧成立，而3-1式对应改为 B = k M 1 C 其中i=1ihg(3-5) cosdi sind i M = i ihiisindihicosdi(3-6)为第 i 层的特征矩阵。即整个膜系的全部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。i在相位因子d中，我们称n dcosdi为第 i 层的光学厚度，当它是l / 4 的时候，ii膜层叫l / 4 层。假设每层的光学厚度都是l / 4 的整数倍，则整个膜系叫做l / 4 膜系。我们用字母的排列“GHLH”表示膜系的状况，其中，H、L 分别代表光学ii厚度为l / 4 的高、低
11、折射率膜层，G 为基片。对n dcosdi= l / 4ii的膜系， d = p / 2 ， cosd= 0 ，该层对应的特征矩阵为=Mh 0i ii 0 ihi(3-7)满足这一条件的单层膜与基底h g 构成的膜系有i ih g B = 0h 1 = h C i h i i ih0 g ih i所以Ch g(3-8)Y = B = hig(3-9)设0n= 1，正入射时，h2 2h - Y 2 1- hiR = 0= gh + Y h2 0 1+ hig (3-10)假设n nigY n则g，R 为极大值，这样的l / 4 层为高反射层，假设n n ，则Y n ，iggR 为微小值，这样的l
12、 / 4 为低反射层。当n d cosdiii为l / 4 的偶数 2m 时， d = mp (m = 1,2,.) ，所以cosd= 1,sin di= 0 ，i这时该层的特征矩阵为 01 10 (3-111)这是一个单位阵，它对波长l 没有影响，在计算时，可以看做是虚设层，但应留意，对其他波长而言它就不是虚设层了。全介质l / 4 膜系构成高反射膜。它的反射率随波长变化状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、膜厚的监控准确地掌握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误差的最好小于 2%,间或允许到 5%，本试验承受极值法进展膜厚度监控。当膜厚
13、的光学厚度l 0 /4 的整数倍时，薄膜的透射率或反射率消灭极值，即薄膜的透射率与反射率随膜厚呈周期性的变化。选定掌握波长后，将通过监控片的光信图号1用D光M电-45探0 测型器镀接膜机收钟，罩再用放大器显示出来。电内部构造及监控光路示意图0信号从每个极大到微小所对应的膜厚度为l/4，反之，电信号从每个微小到每0个极大所对经的厚度也是l/4。图 2 TU-1221 紫外和可见光分光光度计的光路示意图三、试验1、 抽真空前的预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、 抽真空先用机械泵将系统和钟
14、罩内抽真空至 7Pa 后，用已经预热过的集中泵抽真空。在压强低于 7*后对舟 1、2、3、4 进展预熔。3、镀膜预熔后开头镀制 11 层全介质干预膜。膜系为 HLHLH2LHLHLH。在镀膜的过程中，观看光电流的走向，当消灭极值点时，应准时更换镀膜材料。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1、干预滤光片的镀制H 为高折射率，L 为低折射率层编号折射率光电流强度A层编号折射率光电流强度A1H91.2-69.56L51.8-38.22L69.5-62.5
15、7H38.2-64.03H82,5-32.38L64.0-41.84L32.3-46.49H41.8-70.252H46.4-16.416.4-51.8当膜层的光学厚度为 lo / 4 的整数倍时，薄膜的透射率消灭极值，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，以便于更好的掌握膜厚度。2、膜系HL22H(LH)2的透射率曲图 3 实际测量的滤光片透过率与波长关系曲线图 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： 0=648nmTMAX=94.9% / =6.48%误差分析：1 试验是通过 /4 极值法来掌握膜
16、的厚度，但由于观测和反响以及试验仪器准确度等缘由，并不能保证正好在光学厚度为 o / 4 时保证停顿镀当前镀膜层。2 在试验过程中始终蒸发冰晶石和硫化锌来镀膜，必定导致在镀膜过程中气体压强有所影响，而镀膜试验应当是要在外界环境不变的条件下经行的，从而使试验产生误差。3 在镀膜的过程中，虽然已经用挡板将蒸发物挡住，但蒸发物不能马上冷却还在蒸发，会使接下来所镀的膜不纯，影响透射率五、结论本试验利用真空镀膜机，在机械泵和油集中泵的协作下制造高真空条件，并利用/4 极值法镀HL22H(LH)2 膜系，并利用TU-1221 双光束紫外和可见光分光光度计测量绘得透过率 -波长曲线。所测得峰值波长为 648nm，与理论值632.8nm 略有差异六、参考文献熊俊 近代物理试验 北京师范大学出版社