薄膜光學(xué)與技術(shù)2012期末考試試題A-答案

1、2012-2013學(xué)年第 1學(xué)期薄膜光學(xué)與技術(shù)期末考試試題（ A 卷）參考答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一、填空題 （每空 1 分，共 24 分）1、在折射率為 3.5 的基底表面鍍單層減反射膜， 對(duì)于 4000nm的光波，理論上能 達(dá)到最佳減反射效果的薄膜折射率為： 1.8708 ，需要鍍制的薄膜光學(xué)厚度 為 1000 nm。2、若薄膜的折射率為 n，光線在薄膜內(nèi)的折射角為 ，則 s、p 光的修正導(dǎo)納分 別為 ncos 、 n/cos 。3、對(duì)于波長為 的光來說，單層膜的光學(xué)厚度每增加/4，薄膜的反射率就會(huì)出現(xiàn)一次極值變化。 當(dāng)薄膜的折射率小于基底折射率時(shí)， 出現(xiàn)的第一個(gè) 反射率極值是 極小 （極大、極小）

2、值。4、虛設(shè)層的形成條件是：薄膜的光學(xué)厚度等于半波長的整數(shù)倍 。5、周期性對(duì)稱膜系 （pqp）s 的等效折射率和基本周期 /pqp 的等效折射率完全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的 s 倍 。6、折射率為 n1，光學(xué)厚度為 0/4，基底的折射率為 ns，那么，該單層膜與基底 的組合導(dǎo)納為： Y n12 ns7、介質(zhì)高反射膜的波數(shù)寬度僅與兩種膜料的 折射率 有關(guān)，折射率 差值越大 ， 高反射帶越寬。8、熱偶真空規(guī)是通過測(cè)量溫度達(dá)到間接測(cè)量真空 的目的。9、鍍膜室內(nèi)真空度高表明氣體壓強(qiáng)小 ，真空度低則氣體壓強(qiáng) 大 。10、薄膜幾何厚度的監(jiān)控通常用石英晶振膜厚儀來實(shí)現(xiàn)， 光學(xué)厚度常常采用 光電

3、膜厚儀來監(jiān)控。11、采用 PVD 技術(shù)制造薄膜器件時(shí)， 薄膜折射率的誤差主要來自三個(gè)方面：膜層的聚集密度 、 膜層的微觀組織物理結(jié)構(gòu) 、 膜層的化學(xué)成分 。12、改善膜層厚度均勻性的措施包括旋轉(zhuǎn)夾具 和 膜層厚度調(diào)節(jié)板 。13、采用光電極值法監(jiān)控膜厚，如果需要鍍制光學(xué)厚度為900nm 的薄膜，在500-700nm 范圍內(nèi)，可以選取的監(jiān)控波長為600 和 514.3 nm。15 分）、辨析題：先回答以下說法是否正確？然后說明理由或修改正確 說明：以上各題判斷正確 1分，原因敘述正確或修改正確 2 分（對(duì)于正確的表述， 可以不說明原因）。敘述不完全的根據(jù)實(shí)際情況酌情給分。21、膜層的有效位相厚度表

4、示為：ndcos ，當(dāng)光波斜入射時(shí)，對(duì)于 s 光和p光而言，要分別代入修正后的折射率值進(jìn)行運(yùn)算。2 答：錯(cuò)誤。膜層的有效位相厚度表示為： 2 ndcos ，當(dāng)光波斜入射時(shí)，無 論對(duì)于 s光和 p 光而言，折射率值均是同一個(gè)值。2、介質(zhì)高反射膜無論入射角下多大，其 s偏振和 p 偏振光所對(duì)應(yīng)的帶寬都是相 同的。答：錯(cuò)誤。介質(zhì)高反射膜在垂直入射條件下， s 偏振和 p 偏振光所對(duì)應(yīng)的帶寬都 是相同的；而在斜入射條件下，由于 s 偏振和 p 偏振光的修正導(dǎo)納不同，從而導(dǎo) 致其帶寬也不同，此時(shí)， s 偏振光所對(duì)應(yīng)的帶寬大于 p 偏振光所對(duì)應(yīng)的帶寬。3、測(cè)量鍍膜樣片的透射率時(shí)，將鍍膜面向著光源和背對(duì)光源

5、測(cè)得的結(jié)果相同。 答：正確。透射率測(cè)量與測(cè)量方向無關(guān)，無論膜層是否存在吸收。4、膜系 G/M2HLHLHL/A 中，低折射率膜層的幾何厚度均為 0 。4答：錯(cuò)誤。膜系中，低折射率膜層的光學(xué)厚度均為 0 ，而不是幾何厚度。45、PVD 真空鍍膜機(jī)的真空系統(tǒng)，一般需要一臺(tái)擴(kuò)散泵就可以完成抽氣過程。 答：錯(cuò)誤。要達(dá)到 PVD 鍍膜的真空度，一般需要機(jī)械泵（低真空泵）和擴(kuò)散泵（高真空泵）組合抽氣才能達(dá)到。三、問答題 （每題 7分，共 21分）1、什么是單層介質(zhì)膜層反射率的雙重周期性？其周期性的主要特點(diǎn)有哪些?答：單層介質(zhì)膜的反射率會(huì)隨著薄膜位相厚度的變化而呈現(xiàn)周期性變化（ 2 分）； 當(dāng)膜厚確定后，隨

6、著光波波長的變化，反射率會(huì)隨之發(fā)生周期性變化（ 2 分）。 隨厚度變化的周期呈現(xiàn)間隔相等， 而隨波長變化的周期不等， 波長越大， 周期越 長。如將波長轉(zhuǎn)化為光波頻率， 則隨頻率不同， 反射率的周期是等間隔的 （ 1 分） 說明：周期性每正確一點(diǎn) 2 分，特點(diǎn)回答正確 1 分。2、在鍍膜前與鍍膜過程中，常常需要進(jìn)行離子束轟擊，在這兩個(gè)過程中，離子 束輔助的作用是什么？答：鍍膜前的離子轟擊： 用離子束轟擊將要鍍膜的零件表面 （取代低真空離子轟 擊），既起到清洗被鍍表面、活化表面的作用，又壓縮了離子轟擊的時(shí)間，更重 要的是使離子轟擊的作用得到了最大程度的發(fā)揮。 （2 分） 鍍中轟擊：濺射突出島，消除

7、陰影效應(yīng)，破壞柱狀結(jié)構(gòu)，形成均勻填充生長（ 2 分）；膜層受到轟擊獲得能量，可以產(chǎn)生級(jí)聯(lián)碰撞，增加原子 /分子的遷移率，有 利于致密成膜（ 2分）；晶格振動(dòng)加劇，形成局部熱峰，產(chǎn)生淬火效應(yīng)。 （1 分）3、極值法監(jiān)控膜厚有哪些技巧，請(qǐng)簡要說明。答：主要有 3 種方法：過正控制，選用比由 nd=/4 確定的波長稍微短一點(diǎn)的波 長作為監(jiān)控波長，允許 T 或 R 有一定的過正量，讓停鍍點(diǎn)避開極值點(diǎn)（ 3分）； 高級(jí)次監(jiān)控，增大 T或R的變化總幅度，減小 T或 R的相對(duì)判斷誤差，提高膜 層厚度的控制精度 （2分）；預(yù)鍍比較片，是通過提高監(jiān)控片的等效導(dǎo)納， 增大 T 或 R 的變化總幅度，減小了 T 或

8、 R 的相對(duì)判斷誤差（ 2 分）。四、計(jì)算題（每題 10分，共 40分） 注：計(jì)算結(jié)果保留到小數(shù)點(diǎn)后 2 位，透射率或反射率以百分?jǐn)?shù)表示。1、K9 平板玻璃單面鍍制單層光學(xué)厚度 280nm的 MgF 2膜層后，它對(duì)波長 1120nm、 560nm 的反射率各是多少？光線 0入射，不考慮另一面的影響。（玻璃 ng=1.52； 薄膜 nf=1.38）解：因?yàn)楣鈱W(xué)厚度 280nm是 1120nm波長的 1/4（1 分），因此對(duì) 1120nm的光波，2組合導(dǎo)納 Y n （2 分）ng223 分）R (11 YY)2 (nngg nn22)2 (11.5522 11.338822)2 1.26%對(duì)于 5

9、60nm的波長，薄膜光學(xué)厚度是波長的 1/2，因此相當(dāng)于虛設(shè)層， （1 分）3 分）1 ng 2 1 1.52 2 R (g )2 (1 1.52 )2 4.26%1 ng 1 1.52說明：對(duì) 1/4 波長及虛設(shè)層判斷正確各 1分，3 個(gè)公式正確各 2分，計(jì)算結(jié)果正 確各 1 分。如果沒有分步計(jì)算， 或沒有判斷膜層特點(diǎn)， 根據(jù)其運(yùn)算及理解程度酌 情給分。如果運(yùn)算完全正確，而沒有判斷膜層特點(diǎn)，不扣分。2、石英玻璃基底上鍍制高反膜 G/（HL） 5H/A ，若鍍膜材料為 ZnS和 MgF2，求峰值反射率和中心波長處反射帶的波長寬度？（中心波長500nm；ZnS 折射率為2.15；MgF2折射率為

10、1.38；玻璃ng=1.46)解：組合導(dǎo)納為 Y2(nH2 )5 nL2n2H12n1H22.1512266.7582（2 分）nG10nL nG1.3810 1.46峰值反射率R(1 Y) 21Y98.51%（2 分）波數(shù)寬度g 2 arcsin( nH n L ) nH n L0.14（ 2 分）波長寬度 2 0 g/ g2 2 500 0.14 140（nm）（2分）說明：每個(gè)步驟的公式正確各 2 分，4個(gè)計(jì)算結(jié)果正確共 2分。如果沒有進(jìn)行分 步運(yùn)算，根據(jù)計(jì)算情況酌情給分。3、已知 nG 1.52,nH 2.3, nL 1.44 ，窄帶濾光膜系 GHLHLHLHLH2LHLHLHLHA的

11、峰值透射率是多少？（不考慮基底背表面的影響）2 分）解：根據(jù) 2H或2L為虛設(shè)層的特點(diǎn)， 膜系可以等效為 GHLG 結(jié)構(gòu)，組合導(dǎo)納2nL2nH2nG21.442 1.522.320.59583 分）膜系中可以看出，入射介質(zhì)為空氣，因此反射率為1 Y 2(11 YY)221 0.5958 21 0.59586.42%所以，膜系的透射率最終為T 1 R 93.58%說明：如果沒有進(jìn)行分步運(yùn)算，根據(jù)計(jì)算情況酌情給分3 分）2 分）4、圖示為 K9 平板玻璃（ ng=1.5）單面鍍制單層膜的反射率曲線（膜基界面反射 率，不考慮另一面），計(jì)算薄膜的幾何厚度和折射率。其中，反射率極大值的波解：根據(jù)單層膜光譜特性及極值點(diǎn)的條件， 設(shè) 917nm 的干涉級(jí)次為 m，則 550nm 處的干涉級(jí)次為 m+2，由11m4 1 (m 2)4得1m 91741(m 2) 550 4（ 2 分）解得 m=3（ 1 分）1于是 nd 5 550nm4687.5nm（ 1 分）要計(jì)算薄膜折射率， 首先要確定不鍍膜基底的反射率， 由單一界面反射率表達(dá)式，(11 11.55)21 ng 2(11 nngg )2Rb4%1 分）可知，計(jì)算薄膜折射率要用反射率極大值來計(jì)算， 反射率極大值的波長位置為 550nm 和 917nm，這