多層介質(zhì)膜干涉濾光片的鍍制

1、多層介質(zhì)膜濾光片的鍍制【摘要】本實(shí)驗(yàn)通過(guò)機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵的先后使用，將真空鍍膜機(jī)抽成真空。再在高 真空條件下，采用入/4極值法控制光學(xué)厚度的方法，基底為玻璃、高反射率材 料為硫化鋅(ZnS)、低反射率材料為冰晶石(Na3AlF6),利用蒸發(fā)法鍍制膜系為 (HL)32H(LH)3的干涉濾光片。最后利用TU-122?雙光束紫外和可見(jiàn)光分光光度 計(jì)繪制T-入曲線，得到干涉濾光片的波長(zhǎng)為648nm,與理論值632.8nm的相對(duì)誤 差為2.4%，半寬高為42nm【關(guān)鍵字】高真空鍍膜干涉濾光片 入/4極值法 光學(xué)薄膜檢測(cè)一、引言自然界中許多美麗的景物，如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及肥皂泡沫等，他們的 觀賞效果都

2、與透明膜層內(nèi)反射光波的干涉有關(guān)。從發(fā)現(xiàn)薄膜的干涉色彩現(xiàn)象起， 特別是1930年真空蒸發(fā)設(shè)備出現(xiàn)以后，人們對(duì)薄膜科學(xué)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。在光學(xué)薄膜技術(shù)中，多層多周期的光學(xué)薄膜最為突出，而窄帶干涉濾光片則 是這一技術(shù)的最主要應(yīng)用之一。一種典型的干涉濾光片是在玻璃基片上鍍制“銀 -介質(zhì)-銀”三層膜，前后兩銀膜構(gòu)成兩個(gè)相互平行的高反射率板。若n為間隔層介質(zhì)折射率，d為該層幾何厚度，則間隔層的光學(xué)厚度nd決 定了濾光透射峰值0。銀層的反射率的主要作用是決定了法布里-珀羅干涉強(qiáng)的 驚喜常數(shù)，從而對(duì)濾光片的峰值透過(guò)率T和半寬度入產(chǎn)生影響。因銀層具有很強(qiáng)的吸收，用銀座反鈉層的“金屬-介質(zhì)”干涉濾光片的透射 率

3、很難高于40%，而用多層透明介質(zhì)膜構(gòu)成的高反射膜板代替銀層構(gòu)成的干涉濾 光片能彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，可使峰值透過(guò)率高達(dá)80%以上二、原理1、真空技術(shù)“真空”是指氣壓低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)。在真空狀態(tài)下，單位體積中 的氣體分子數(shù)大大減少，分子平均自由程增大，氣體分子之間、氣體分子與其他 粒子之間的相互碰撞也隨之減少。這些特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和生產(chǎn)的許多 領(lǐng)域中，例如：電子器件、大規(guī)模集成電路、加速器、表面物理、熱核反應(yīng)、空 間環(huán)境模擬、真空冶煉和真空包裝等。真空泵是把被抽容器中的氣體排放出從而降低容器內(nèi)氣壓的機(jī)具。根據(jù)排氣 壓強(qiáng)，真空泵大致可分為三類。第一類是往大氣中排氣的泵，這種泵一般稱為粗抽泵

4、或前級(jí)泵，它可以從大 氣壓下開(kāi)始工作，可以單獨(dú)使用或與其他需要在出口處維持一低氣壓的泵連用。 旋轉(zhuǎn)機(jī)泵、活塞式機(jī)械泵等都屬于這一類。第二類是只向低于大氣壓的環(huán)境中排 氣的泵。這類泵是在氣體相當(dāng)稀薄時(shí)才能開(kāi)始工作，并氣體排除到已被前級(jí)泵抽 成低真空的地方。這類泵稱為高真空泵，如擴(kuò)散泵、分子泵等。第三類是可束縛 住系統(tǒng)中的氣體和蒸汽的泵，如吸附泵和低溫泵等。而在本實(shí)驗(yàn)中，我們可以通過(guò)機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵的配合使用達(dá)到高真空條 件。但擴(kuò)散泵不能再大氣下運(yùn)行，因此在高真空泵能夠工作之前，必須先用機(jī)械 泵通過(guò)低真空閥門分別將鐘罩內(nèi)和擴(kuò)散泵中的大部分氣體抽到大氣中。擴(kuò)散泵需 要預(yù)熱，待真空度合適后，將低真空閥

5、放在抽擴(kuò)散泵一側(cè)，然后慢慢打開(kāi)高真空閥門。擴(kuò)散泵和機(jī)械泵的組合可使鐘罩內(nèi)的壓強(qiáng)降到大約7X10-Pa2、反射膜光線在單一分界面上的反射光線垂直入射到透明介質(zhì)界面時(shí)，反射系數(shù)尸和反射率R分別為（2-1）（2-2）其中n、nt分別為兩種介質(zhì)的折射率。知道n-和nt便很容易地計(jì)算光垂直入射在 該界面上時(shí)的反射特性。在一般情況下，光線以一定的角度入射到分界面上，這時(shí)，要對(duì)兩種偏振分 別計(jì)算反射率和透射率。假設(shè)入射光為平面電磁波E，并在波前平面內(nèi)的偏振分 量p波和與該平面垂直的分量，波，反射波和透射波也做同樣的分解，用上標(biāo)匚 r和t分別代表入射波、反射波和投射波。于是，p波和，波的反射率和透射率分 別為

6、圖2-1光線在單一界面上的反射_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）定義介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納HX(2-4)I K x E I其中K為與界面垂直方向的單位矢，H和E分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量和電場(chǎng)強(qiáng)度矢 量，腳標(biāo)“/”指平行于界面的方向。門的大小既與介質(zhì)的折射率n有關(guān)，也與Q Qn sin Q = n sin Q入射角i和t有關(guān)，由折射定律i i tt和絕緣刀質(zhì)面上電磁幺場(chǎng)的邊值關(guān)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%|據(jù)I E/ I 旦可以推出如下關(guān)系叩= ,n* = nt （p波） p cos 甲 p cos 中t叩=n cos中,門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）兩式中的門無(wú)論對(duì)于p波還是s波都適用。（2-8）、（2-9）兩式的形式與（2-1）、（2-2）兩式完全相同，這就是說(shuō)定義了介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納門之后， 我們就可以用同一形式的公式來(lái)處理問(wèn)題而不必區(qū)分垂直還是斜入射。由于不論對(duì)p還是s，在

8、忽略吸收條件下都有R+T=1 （2-10）因此，知道R后，便可求得T不必再直接計(jì)算。3、單層膜的反射率考慮在基片上單層膜平行平面薄膜的情況。光線入射時(shí)，會(huì)在界面I和界面上產(chǎn)生多光束干涉，.對(duì)這種情況下計(jì)算器反射率可以發(fā)現(xiàn)，可把它看做是單 一界面的情況，即可以把n0Tn2的單層膜系統(tǒng)看做n0 一 丫的單一界面來(lái)處 理，并且仍然可以用（2-9）式來(lái)計(jì)算反射率R。Y稱為單層膜系統(tǒng)的有效導(dǎo)納。 為了計(jì)算方便，我們采用矩陣法。單層膜系個(gè)各光學(xué)參數(shù)間的關(guān)系可用矩陣表示為：cos 61I 而 sin 6、i ii sin 6 cos16 /i /(3-1)等式右邊2x2矩陣為膜層氣的特征矩陣，其中(3-2)

9、稱為ni膜層的相位因子，i為虛數(shù)單位，2x1矩陣稱為基底為n2的特征矩陣。等 式右邊的矩陣稱為膜系的特征矩陣，膜系的有效導(dǎo)納Y由此矩陣的兩個(gè)矩陣元決 定，丫=B(3-3)由此單層膜的反射率為(3-4)4、多層膜的反射率對(duì)于多層介質(zhì)膜系，也可以把膜層七n2,nk和基底ng等效成有效導(dǎo) 納為Y的單一界面，此時(shí)(3-3)式仍然成立，而(3-1)式對(duì)應(yīng)改為(3-5)= tiMi=1其中cos 5ii sin 5 門Icos5i J(3-6)為第i層的特征矩陣。即整個(gè)膜系的所有光學(xué)參數(shù)及其相對(duì)反射特性的影響取決 于各膜層的特征矩陣的乘積。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，我們稱i i i為第i層的光學(xué)厚度，當(dāng)匕正八/4的時(shí)候，膜層叫人/4層。若每層的光學(xué)厚度都是人/4的整數(shù)倍，則整個(gè)膜系叫做人/4膜 系。我們用字母的排列“GHLH”表示膜系的情況，其中，H、L分別代表光學(xué) 厚度為人/4的高、低折射率膜層，G為基片。對(duì)nidi %5i /4的膜系，5i =丸/2，cos5 = 0i，該層對(duì)應(yīng)的特征矩陣為(3-7)滿足這一條件的單層膜與基底門g構(gòu)成的膜系有所以(3-8)(3-9)正入射時(shí)，(* Y-0n + y / 0/(1見(jiàn)I氣/(3-10)則7 ng，R為極大值，這樣的入/ 4層為高反射層，若ni n

11、g，則丫七，所以 cos 8. = 1,sin 8. = 0R為極小值，這樣的人/4為低反射層。當(dāng)nd. * *為人/4的偶數(shù)2m時(shí)，8 = m（m =】2） 這時(shí)該層的特征矩陣為(3-111)這是一個(gè)單位陣，它對(duì)波長(zhǎng)人沒(méi)有影響，在計(jì)算時(shí)，可以看做是虛設(shè)層，但應(yīng)注擋板 蒸發(fā)源* I反射鏡 單中儀I|膜序控制儀卜1光電由熠帶工件架 轟擊電極圈光源透鏡 斬波器窗口意，對(duì)其他波長(zhǎng)而言它就不是虛設(shè)層了。全介質(zhì)人/4膜系構(gòu)成高反射膜。它的反射率隨波長(zhǎng) 變化情況在計(jì)算中沒(méi)有考慮光從空氣中入射到玻璃 基片時(shí)的透過(guò)率的損失。5、膜厚的監(jiān)控準(zhǔn)確地控制每一層介質(zhì)膜的厚度是制備多層介質(zhì)膜 的關(guān)鍵。一般膜層厚度的允許

12、誤差的最好小于2%,偶 爾允許到5%，本實(shí)驗(yàn)采用極值法進(jìn)行膜厚度監(jiān)控。信號(hào)用光筆探型鍍接收鐘罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)及監(jiān)控光路示意圖當(dāng)膜厚的光學(xué)厚度入o /4的整數(shù)倍時(shí)，薄膜的透射率 或反射率出現(xiàn)極值，即薄膜的透射率與反射率隨膜厚 呈周期性的變化。選定控制波長(zhǎng)后，將通過(guò)監(jiān)控片的光 再用放大器顯示出來(lái)。電信號(hào)從每個(gè)極大到極小所對(duì)應(yīng)的膜厚度為X0 /4,反之，電信號(hào)從每個(gè)極小到每個(gè)極大所對(duì)經(jīng)的厚度也是氣/4。三、實(shí)驗(yàn)1、抽真空前的準(zhǔn)備工作用吸塵器吸凈中招內(nèi)的雜質(zhì)與灰塵，在舟1、舟2內(nèi)方硫化鋅，舟3、舟4內(nèi)方 冰晶石，用酒精洗干凈玻璃片后放入鐘罩內(nèi)置基片的地方。2、抽真空?qǐng)D2 TU-1221紫外和可見(jiàn)光分光光度計(jì)

13、的光路示意圖先用機(jī)械泵將系統(tǒng)和鐘罩內(nèi)抽真空至7Pa后，用已經(jīng)預(yù)熱過(guò)的擴(kuò)散泵抽真空。在 壓強(qiáng)低于7*后對(duì)舟1、2、3、4進(jìn)行 預(yù)熔。3、鍍膜預(yù)熔后開(kāi)始鍍制11層全介質(zhì)干涉膜。膜系為HLHLH2LHLHLH。在鍍膜的過(guò)程 中，觀察光電流的走向，當(dāng)出現(xiàn)極值 點(diǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換鍍膜材料。鍍膜完 畢，待鍍膜機(jī)冷卻后，方可將鍍膜片 取出。4、測(cè)量用分光光度計(jì)測(cè)量窄帶濾光片的透過(guò) 率曲線，在曲線上標(biāo)出峰值波長(zhǎng)、半 高寬和最大透過(guò)率，。(光路示意圖如圖2)四、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)結(jié)果分析層編號(hào)折射率光電流強(qiáng)度 ()層編號(hào)折射率光電流強(qiáng)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為低折射率)1、干涉濾光片的鍍制(H為高折射率當(dāng)膜層的光學(xué)厚度為入o/4的整數(shù)倍時(shí)，薄膜的透射率出現(xiàn)極值，即薄膜的 透射率與反射率隨膜厚度成周期性的變化。從而讓我們可以通過(guò)光學(xué)極值法來(lái)檢 測(cè)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波長(zhǎng)(n m )400.00500.00600.00700.00800.00900.00波長(zhǎng)(pm)圖4 TU-1221雙光束紫外和可見(jiàn)光分光光度計(jì)的掃描曲線濾光片的一些重要參數(shù)：入 0=648nm94.9%從 /入=6.48%誤差分析：1實(shí)驗(yàn)是通過(guò)入/4極值法來(lái)控制膜的厚度，但由于觀測(cè)和反應(yīng)以及實(shí)驗(yàn)儀器 精確度等原因，并不能保證正好在光學(xué)厚度為/4時(shí)保證停止鍍當(dāng)前鍍膜層。2在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一直蒸發(fā)冰晶石和硫化鋅來(lái)鍍膜，必然導(dǎo)致在鍍膜過(guò)程中氣 體壓強(qiáng)有所影響，而鍍膜實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是要在外界環(huán)境不變