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(NaAIFe),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-1221雙光束紫外和可見光分光光度計(jì)繪制 T-入曲線，得 到干涉濾光片的波長為587nm半寬高也幾/人=0.0210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

2、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)濾光片的峰值透過率Tm和半寬度入產(chǎn)生影響。因銀層具有很強(qiáng)的吸收，用銀座反射層的“金屬 -介質(zhì)”干涉濾 光片的透射率很難高于40%而用多層透明介質(zhì)膜構(gòu)成的高反

3、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或前級(jí)泵， 它可以從大氣壓下開始工作，

4、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 閥放在抽擴(kuò)散泵一側(cè)，然后慢慢打開高

5、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 7X 10-3Pa2、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)r和反射率R分別為 一 ntt(2-1 )(2-2)其中n、nt分別為兩種介質(zhì)的折射率。知道ni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s波，反射波和 透射波也做同樣的分解，用上標(biāo)i、r和t分別代表入射波、反射波和投射波。于是，p波和s波的反射率和透射率分別為圖2-1光線在

6、單一界面上的反射r EPtan( i - t)rP EPtan( i J丄Ep2coSpi si nttPEPcos(i-t)sin(it)E；2cos%s in 半 tt _ s _ itEssin ()定義介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納(2-3)(2-4)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|H/|K E/|場(chǎng)強(qiáng)度矢量，腳標(biāo)“/”指平行于界面的方向。的大小既與介質(zhì)的 折射率n有關(guān)，也與入射角i和t有關(guān)，由折射定律nsin i訥sin t和絕緣介質(zhì)面上電磁場(chǎng)的邊值關(guān)系k ( _EJ =0,k (Ht _HJ =0(2-5)以及H和E的振幅比|H 丨；|E(2-6)可以推出如下關(guān)系P亠

7、，；cos當(dāng)一(p波)cos t(2-7a)(2-7b)s 二 ni cos , ； = nt cos t(s波)于是可得振幅反射率及能量反射率(2-8)i _ t(2-9)R 十r)2（2-8 ）、（ 2-9）兩式中的 無論對(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，這就是說定義了介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納 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(duì)P還是s，在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)，

8、會(huì)在界面和界面上產(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，即可以把一 nn2的單層膜系統(tǒng)看做no 一丫的單一界面來處理，并且仍然可以用(2-9 )式來計(jì)算反射率R。丫稱為單層膜系統(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:isingJ2cosdn1P11 sin cos 丿(3-1)等式右邊2x2矩陣為膜層ni的特征矩陣，其中,2兀加n1d1 cos(3-2)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)納丫由 此矩陣的兩個(gè)矩陣元決定，(

9、3-3)-C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 2,珈和基底ng等效成有效導(dǎo)納為丫的單一界面，此時(shí)(3-3 )式仍然成立，而(3-1 )式對(duì)應(yīng)改為(3-5)其中Mi 二COSQ sinisinnicos 丿(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。在相位因子中，我們稱nidi COS i為第i層的光學(xué)厚度，當(dāng)它是/4的 時(shí)候，膜層叫/4層。若每層的光學(xué)厚度都是/4的整數(shù)倍，則整個(gè) 膜系叫做/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/4的高、

10、低折射率膜層，G為基片。對(duì) nidi cos、i/ 4的膜系，八/2 , cos，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g構(gòu)成的膜系有i、(1 )3 、1 gn1=n1Na g丿丿0(3-8)所以丫空ging(3-9)設(shè)no，正入射時(shí),f 0 -丫 2 +Y丿n2 21寸g1計(jì)g丿(3-10)-a-r-I加対銳嚇色世I圖1 DM-450型鍍膜機(jī)鐘罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)及監(jiān)控光路示意圖它的反射率隨波若ni ng則丫 ng，R為極大值，這樣的/4層為高反射層，若nng，則丫 5g，R為極小值，這樣的 /4為低反射層。當(dāng)nidiCos為 /4的偶數(shù)2m時(shí)，:二市二1,2，)，所以cos、廠-i

11、n=0，這時(shí)該層的特征矩陣為q o0 1丿(3-111)這是一個(gè)單位陣，它對(duì)波長沒有影響，在計(jì)算 時(shí)，可以看做是虛設(shè)層，但應(yīng)注意，對(duì)其他波長 而言它就不是虛設(shè)層了。 全介質(zhì)幾/4膜系構(gòu)成高反射膜。長變化情況在計(jì)算中沒有考慮光從空氣中入射到玻璃基片時(shí)的透過 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。當(dāng)膜厚的光學(xué)厚度0/4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。選定控制波長后，將通過監(jiān)控片的光信號(hào)用光電探測(cè)器接收，再 用放大器顯示

12、出來。電信號(hào)從每個(gè)極大到極小所對(duì)應(yīng)的膜厚度為0/4，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,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)熱過的擴(kuò)散泵抽真空。在壓強(qiáng)低于7*。/4在舟 1、舟2內(nèi)方硫化鋅，舟3、PMT圖2 TU-1221紫外和可見光分光光度計(jì)的光路示意圖后對(duì)舟1、2、3、4進(jìn)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(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

13、，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率曲線，在曲線上標(biāo)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1、干涉濾光片的鍍制（H為高折射率，L為低折射率）層編號(hào)折射率光電流強(qiáng)度（卩A）加熱電流（A）1H94-66.21652L66.2-84.71403H84.7-29.61654L29.6-45.81405H45.8-10.71656L10.7-18.714072H18.7-3.21653.2-18.88L18.8-11.41409H11.4-35.216510L35.2-24.114011H24.1-4916512H49-

14、40.714013L40.7-53.3165當(dāng)膜層的光學(xué)厚度為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 通過光學(xué)極值法來檢測(cè)膜的厚度，以便于更好的控制膜厚度。2、膜系（HL）32H（LH）3的透射率編號(hào)中心波長扣（nm）中心透過率峰值Tmax半高寬也九仏1587.0082.0%0.02112587.0081.2%0.0209圖見附錄，樣品一，樣品二將兩個(gè)膜的T 一 曲線在計(jì)算機(jī)上合并，可以看出兩者幾乎可以重合在 一起求得 =587.00nm，Tmax =81.6%， - /=0.0210誤差分析：1實(shí)驗(yàn)是通過入/4極值法來控制膜的厚度，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 o/4時(shí)保證 停止鍍當(dāng)前鍍膜層。2在實(shí)驗(yàn)過程中一直蒸發(fā)冰晶石和硫化鋅來鍍膜，必然導(dǎo)致