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】本實驗通過機械泵和油擴散泵的先后使用，將真空鍍膜機抽成真空。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?雙光束紫外和可見光分光光度 計繪制T-入曲線，得到干涉濾光片的波長為648nm,與理論值632.8nm的相對誤 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，人們對薄膜科學(xué)技術(shù)進行了大量研究。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-珀羅干涉強的 驚喜常數(shù)，從而對濾光片的峰值透過率T和半寬度入產(chǎn)生影響。因銀層具有很強的吸收，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 光片能彌補這一缺點，可使峰值透過率高達80%以上二、原理1、真空技術(shù)“真空”是指氣壓低于一個大氣壓的氣體狀態(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)氣壓的機具。根據(jù)排氣 壓強，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、或前級泵，它可以從大 氣壓下開始工作，可以單獨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)機泵、活塞式機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稀薄時才能開始工作，并氣體排除到已被前級泵抽 成低真空的地方。這類泵稱為高真空泵，如擴散泵、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。而在本實驗中，我們可以通過機械泵和油擴散泵的配合使用達到高真空條 件。但擴散泵不能再大氣下運行，因此在高真空泵能夠工作之前，必須先用機械 泵通過低真空閥門分別將鐘罩內(nèi)和擴散泵中的大部分氣體抽到大氣中。擴散泵需 要預(yù)熱，待真空度合適后，將低真空閥

5、放在抽擴散泵一側(cè)，然后慢慢打開高真空閥門。擴散泵和機械泵的組合可使鐘罩內(nèi)的壓強降到大約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，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便很容易地計算光垂直入射在 該界面上時的反射特性。在一般情況下，光線以一定的角度入射到分界面上，這時，要對兩種偏振分 別計算反射率和透射率。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分別為磁場強度矢量和電場強度矢 量，腳標“/”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）兩式中的門無論對于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處理問題而不必區(qū)分垂直還是斜入射。由于不論對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，會在界面I和界面上產(chǎn)生多光束干涉，.對這種情況下計算器反射率可以發(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 丫的單一界面來處 理，并且仍然可以用（2-9）式來計算反射率R。Y稱為單層膜系統(tǒng)的有效導(dǎo)納。 為了計算方便，我們采用矩陣法。單層膜系個各光學(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(3-3)式仍然成立，而(3-1)式對應(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。即整個膜系的所有光學(xué)參數(shù)及其相對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，當匕正八/4的時候，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nidi %5i /4的膜系，5i =丸/2，cos5 = 0i，該層對應(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，(* Y-0n + y / 0/(1見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nd. * *為人/4的偶數(shù)2m時，8 = m（m =】2） 這時該層的特征矩陣為(3-111)這是一個單位陣，它對波長人沒有影響，在計算時，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，對其他波長而言它就不是虛設(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 變化情況在計算中沒有考慮光從空氣中入射到玻璃 基片時的透過率的損失。5、膜厚的監(jiān)控準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%，本實驗采用極值法進行膜厚度監(jiān)控。信號用光筆探型鍍接收鐘罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)及監(jiān)控光路示意圖當膜厚的光學(xué)厚度入o /4的整數(shù)倍時，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。選定控制波長后，將通過監(jiān)控片的光 再用放大器顯示出來。電信號從每個極大到極小所對應(yīng)的膜厚度為X0 /4,反之，電信號從每個極小到每個極大所對經(jīng)的厚度也是氣/4。三、實驗1、抽真空前的準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、抽真空圖2 TU-1221紫外和可見光分光光度計

13、的光路示意圖先用機械泵將系統(tǒng)和鐘罩內(nèi)抽真空至7Pa后，用已經(jīng)預(yù)熱過的擴散泵抽真空。在 壓強低于7*后對舟1、2、3、4進行 預(yù)熔。3、鍍膜預(yù)熔后開始鍍制11層全介質(zhì)干涉膜。膜系為HLHLH2LHLHLH。在鍍膜的過程 中，觀察光電流的走向，當出現(xiàn)極值 點時，應(yīng)及時更換鍍膜材料。鍍膜完 畢，待鍍膜機冷卻后，方可將鍍膜片 取出。4、測量用分光光度計測量窄帶濾光片的透過 率曲線，在曲線上標出峰值波長、半 高寬和最大透過率，。(光路示意圖如圖2)四、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)結(jié)果分析層編號折射率光電流強度 ()層編號折射率光電流強度 ()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為高折射率當膜層的光學(xué)厚度為入o/4的整數(shù)倍時，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光學(xué)極值法來檢 測膜的厚度，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(n m )400.00500.00600.00700.00800.00900.00波長(pm)圖4 TU-1221雙光束紫外和可見光分光光度計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實驗是通過入/4極值法來控制膜的厚度，但由于觀測和反應(yīng)以及實驗儀器 精確度等原因，并不能保證正好在光學(xué)厚度為/4時保證停止鍍當前鍍膜層。2在實驗過程中一直蒸發(fā)冰晶石和硫化鋅來鍍膜，必然導(dǎo)致在鍍膜過程中氣 體壓強有所影響，而鍍膜實驗應(yīng)該是要在外界環(huán)境不變