SLL多层介质膜干涉滤光片的镀制

多层介质膜干涉滤光片的镀制 实验日期：2013/11/15指导老师：熊俊 【摘要】在本实验中利用高真空镀膜机在玻璃基片上镀制多层介质膜，实验中选硫化锌（ ）为高折射率材料（ ），冰晶石（ ）为低折射率材料（ ），并采用极值法对膜厚进行监控，镀制膜系为 的多层介质膜法布里-珀罗型干涉滤光片，并对制成的滤光片在分光光度计上测量，可得 曲线，从而得到介质干涉滤光片的三个主要参数第一块 ，第二块 ，可知 ，可见得到的两块干涉滤光片均为窄带滤光片。 关键词：高真空镀膜  窄带干涉滤光片 多层介质膜 薄膜检测  分光光度计 一、 引言 自然界中许多色彩斑斓的景物，他们的观赏效果都与透明膜层内反射光波的干涉有关。从发现薄膜的干涉色彩现象起，特别是1930年真空蒸发设备出现以后，人们对薄膜科学技术进行了大量研究。 在光学薄膜技术中，多层多周期的光学薄膜最为突出，而窄带干涉滤光片则是这一技术的最主要应用之一，它是将宽带光谱变为窄带光谱的光学元件。一种典型的干涉滤光片是在玻璃基片上镀制“银-介质-银”三层膜，前后两层银膜构成两个相互平行的高反射率板，介质膜层通常为冰晶石或氟化镁等，作为中间隔层，这种干涉滤光片被称为法布里--珀罗型干涉滤光片。 本实验中要求镀制一块多层介质膜法布里--珀罗型干涉滤光片，并测量其相关参数，通过实验掌握干涉滤光片的原理，并熟悉真空系统的操作和滤光片的镀制过程。 二、 原理 1. 法布里--珀罗型干涉滤光片的基本结构 在干涉滤光片中，设n为间隔层介质折射率，d为该层几何厚度，间隔层的光学厚度为 决定了滤光片透射峰值波长 ， ，其中m是整数。银层反射率决定了法布里-伯罗干涉腔的精细常数，从而对滤光片的峰值透过率 和半宽度 产生影响。由滤光片特性曲线图2可见， 一半处对应的波长是 和 ，相应透过率的宽度为 ，称为半高宽，相对半宽度 大于 的滤光片叫做宽带滤光片，介于5%和1% 之间的叫做窄带滤光片，小于1%的叫做超窄带滤光片。 银有很强的吸收，用银做反射层的“金属-介质”的干涉滤光片的透射率很难高于40%。而用多层介质膜构成的高反射率膜板代替银层构成的干涉滤光片能弥补这一缺点，峰值透过率可以达到80%。这就是全介质型干涉滤光片。 图2透射特性曲线 图1法布里--珀罗型干涉滤光片结构示意图 2. 反射膜 1) 单一界面 光线在单一分界面上的反射光线垂直入射到透明介质界面时，反射系数 和反射率 分别为 ，            （1） ，    （2） 其中 分别为两种介质的折射率。在一般情况下，光线以一定的角度入射到分界面上，这时，要对平面内的 波与该平面垂直的 波两种偏振分别计算反射率和透射率，理论计算后得公式对 都适用。 定义介质的光学导纳 ,其中 为与界面垂直方向的单位矢， 分别为磁场强度矢量和电场强度矢量，脚标“ ”指平行于界面的方向。振幅反射率及能量反射率 （3） ，          （4） 与单一界面形式一样，说明利用光学导纳 ，使计算时不必考虑垂直入射还是斜入射。由于不论对 还是 ，在忽略吸收条件下都有 ，在已知 求得 。 2) 单层膜 对于基片上单层膜平行平面薄膜的情况。光线入射时，会在两个界面上产生多光束干涉，.通过计算得其反射情况可看作单一界面的情况，即把 的单层膜系统看作 的单一界面来处理，如下图2,3所示，并且仍然可以用（2）式来计算反射率R。Y称为单层膜系统的有效导纳。 图3单层膜的多光束干涉 图4等效截面 单层膜系个各光学参数间的关系可用矩阵表示为： (5) 等式右边 矩阵为膜层 的特征矩阵，其中 ，称为 膜层的相位因子，i为虚数单位， 矩阵称为基底为 的特征矩阵。等式左边的矩阵称为膜系的特征矩阵，膜系的有效导纳 ，由此可得单层膜的反射率 （6） 3) 多层膜 对于多层介质膜系，也可以把膜层 和基底 等效成有效导纳为Y的单一界面，而（5）式对应改为 （7） 其中 为第 层的特征矩阵，即整个膜系的所有光学参数及其对反射特性的影响取决于各膜层的特征矩阵的乘积。第 层的光学厚度 是 的整数倍时，膜层叫 膜层。一系列 膜层叫做 膜系。用字母的排列“ ”表示膜系的情况， 分别代表光学厚度为 的高、低折射率膜层，G为基片。对 的膜系 ， ，则对应的 ， ，可得 ，设 正入射时 代入（6）式，可得膜系的反射率，若 则 ， 为极大值，该 层为高反射层，反之为低反射层。 当 为的 偶数2m时， ( )，这时 ，特征矩阵为 ，为单位矩阵，对波长为λ的光波反射率数值无影响，可看作虚设层。 4) 干涉滤光片的带宽 波长为 ，通带半宽度 ， 为间隔层对控制波长干涉级次，对给定的峰值波长 ，R越大， 越小；干涉级次m越大， 越小。 3. 窄带全介质干涉滤光片 1) 膜系结构 窄带全介质干涉滤光片的典型膜系为 .其中 是多层高反射率膜堆，j为HL的重复周期，中间的2H为间隔层。这种膜系对控制波长 而言， 层形同虚设，并且2H层两侧一一对应的2L层和2H层也可逐级看作虚设，所以，它们对控制波长有极大的透射率，而对其他波长则均低于此值，甚至透过率零。 2) 膜厚监控 采用极值法进行膜厚监控，即当膜层的光学厚度为 的整数倍时，薄膜的透射率出现极值，选定波长后将通过监控片的光信号用光探测器接收，再用放大器显示出来。电信号从每个极大到极小所对应的膜厚变化为 ，反之亦然。 4. 真空技术 1) 真空度区域的划分大致可以分为三个区域：低真空（ ）、高真空（ ）、超高真空（ ）。 2) 真空泵的分类：第一类往大气中排气的泵，例如机械泵，一般用作前级泵，第二类只往低于大气压环境中排气的泵，只有在气体相当稀薄时才开始工作（否则会有损坏），例如分子泵，第三类是可以束缚住系统中的气体和蒸汽的泵，如吸附泵，本实验要求达到 ，需要先用机械泵，再用分子泵以达到所需真空度。 三、 实验 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 1. 实验装置 图5镀膜机钟罩内部构件及监控光路 本实验仪器主要部分：国产 型真空镀膜机， 双光束紫外和可见光光度计，本实验主要镀制 膜系的干涉滤光片。 2. 实验内容 1) 真空获得与膜料放置 实验中首先对真空室放气，用吸尘器吸净室内的杂质与灰尘，在舟1、舟2 内盛满硫化锌，舟3、舟4 内盛满冰晶石，利用纱布、酒精清洁玻璃片，将玻璃片放在盛基片的圆环内，然后放入钟罩内置基片处。 真空的获得是通过机械泵与分子泵抽取的，镀膜机存在两道气路， 机械泵—低真空阀—真空室； 机械泵—分子泵—真空室；先进行 的操作，再对 抽取，可按实验室相关操作进行，待真空达到以下7х 10-3pa 时依次对四个舟预熔，预熔时要用挡板挡住膜料（以防有材料蒸发镀膜到基片上，预溶电流不可过大，防止材料蹦出小舟）。 2) 多层滤光片的镀制 当真空度达到要求后，采用λ /4 极值法控制，其中硫化锌的加热电流约为163A，冰晶石的加热电流约为123A，在透过率达到极值时，关闭加热电流，同时将挡板旋至该小舟上，防止继续镀制。 镀膜结束后，根据操作 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 停止加热，关闭真空泵，待到合适条件对真空室充气，取出滤光片。 用机械泵对真空室抽真空约十分钟，防止大气条件下对真空室造成损坏，将各开关关闭，总电源关闭后，关闭冷却水。 3) 光学薄膜的测量 图6分光光度计光路示意图 对干涉滤光片的测量在 双光束紫外和可见光光度计上进行，可直接测量 曲线，从曲线上求出干涉滤光片的三个参数 ，如图所示为分光光度计的内部实验电路图，通过两路光线的比对得到滤光片的透过率曲线。 四、 实验数据处理与实验结果分析: 1. 滤光片镀制参数 在实验中利用极值法对基片进行了13层膜的镀制，其中第9层应不确定对极大值判断是否错误进行了再次镀制，发现已超过最大值，即膜厚已超过λ0/4，所以镀制3λ0/4厚度的膜，即多加一层虚设层。 实验中得到的每层膜的透过率变化如下表1所示，可得在每层膜镀制过程中透过率均在极值之间变化，符合λ/4膜的理论分析，且在第8层之前与理论相符基本，在第8层后也在极值间变化，但与理论有偏差，由于镀制的每层膜都有膜厚不均匀和一定的厚度偏差，使得在叠加成为虚设层时存在越来越大的偏差。 表一镀膜过程透过率变化参数 层数 膜性质 透过率变化% 加热电流（A） 层数 膜性质 透过率变化% 加热电流(A)   G 92.5   7 H 3.6--15.0 163 1 H 92.5--63.8 165 8 L 15.0--10.1 123 2 L 63.8--78.5 125 9 H 10.1--23.7 162 3 H 78.5--27.6 161 9 H 23.7--8.7 162 4 L 27.6--38.2 136 9 H 8.7--21.8 162 5 H 38.2--10.1 163 10 L 21.8--17.2 123 6 L 10.1--15.6 122 11 H 17.2--26.8 163 7 H 15.6--3.6 163 12 L 26.8--24.1 121         13 H 24.1--29 163                 2. 膜系为 的透过率曲线 本实验得到两块膜系为 的干涉滤光片，其透过率曲线如下图7、图8 图7干涉滤光片1透过率曲线 图8干涉滤光片2透过率曲线 分析：根据透过率曲线可知两块干涉滤光片的参数如下表二 表二：干涉滤光片参数 滤光片 中心波长 （nm） 中心透过率峰值 半高宽?λ(nm) 相对半高宽 1 591.00 72.1% 10.94 1.85% 2 592.00 70.6% 11.67 1.97%           实验分析：得到的两个滤光片透过白炽灯观看为粉色。由图7图8及表二可知实验测得的干涉滤光片透过率曲线与理论值有一定偏差，通过对其相关参数的测量可知 ，即镀制成功的两个滤光片均为窄带滤光片，符合法布里--珀罗型干涉滤光片的理论要求。 五、 误差分析 实验得到的两个干涉滤光片均为窄带滤光片，从参数及图像可以看出相关参数有些不同，分析原因有以下几点： 1. 清洗基片时未清洗干净，上面会有少许灰尘，对实验结果造成一定影响； 2. 清洁真空室时未将全部死角的灰尘，使得在镀膜时有杂质； 3. 镀膜材料本身也有一些杂质成分； 4. 实验过程中电信号不稳定，电流会有一定变化，会对透过率的测量造成一定影响； 5. 每层膜镀制过程中对透过率最大值判断有一定偏差，会造成膜厚略大于或略小于λ0/4; 6. 每层膜的界面不太平整，分光光度计测量时会有不同和偏差。 六、 结论与建议 本实验对多层干涉滤光片进行了镀制，仪器操作较为简单，按照实验步骤操作即可，但需要操作尽量精细，本次试验镀制了两块膜系为 的干涉滤光片，相关参数如下第一块 ，第二块 ，均为窄带滤光片，可见本次试验较为成功，实验过程要求对透过率极值判断尽可能精确，以达到尽可能高的透过率。 建议： 1) 基片清洁要彻底； 2) 对膜料预溶要彻底，否则会造成在初始镀膜时真空度降低； 3) 对透过率极值判断尽可能准确； 4) 保持电信号稳定在600A，否则会对透过率有较影响； 5) 加热电流控制好，防止膜料溅出，导致膜料不够用。 七、 参考文献 [1] 熊俊.近代物理实验.北京：北京师范大学出版社，2007 [2]多层介质膜干涉滤光片的镀制补充讲义 北京师范大学