绿光激光器光学系统滤波器的设计与制备

长春理工大学本科毕业设计编号 本科生毕业设计绿光激光器光学系统滤波器的设计与制备 Design and Fabrication of Green Laser Optical System Filter学 生 姓 名孟宪东专 业光电信息工程学 号100212603指 导 教 师付秀华学 院光电工程学院二一四年六月毕业设计(论文)原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计(论文)绿光激光器光学系统滤波器的设计与制备，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计(论文)中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计(论文)中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计(论文)的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计(论文)的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计，可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年 月 日摘 要 光学干涉截止滤光片是绿光激光器光学系统重要的光学元件，尤其在医疗技术和光通信方面有着重要应用。为了研制出适用于绿光激光器光学系统的干涉截止滤光膜，筛选出H4和SiO2作为高低折射率材料，根据光学薄膜理论，利用TFC和大众版膜系设计软件进行膜系优化设计，得到了相对易于制备的膜系结构。用电子束加热蒸发方法并加以离子辅助沉积系统制备薄膜，采用晶控的方法控制膜厚。通过对镀制后基片的光谱测试结果分析，由光谱测试曲线可以得出该滤光膜在532nm波长处透射率T95%，在1064nm波长处反射率R99%，满足本课题绿光激光器光学系统的使用要求，最终得到了光谱性能较好的滤光膜。关键词：激光滤光膜 膜系设计 真空镀膜 离子辅助沉积Abstract This research is the filter used in green laser optical system,Preparation of high transmission at the wavelength of 532nm,the wavelength of 1064nm dual band filter membrane with high reflection.By selecting H4 and SiO2 as the high and low refractive materials,According to the theory of optical films,continually optimizing the film system design curve by TFC and the public version of the film system design software,then obtain film system that relative easy for making.The thin films are prepared through electron beam heating evaporation and ion assisted deposition system,By using the method of crystal controlled films thickness.Through the analysis of the results of the test substrate plating system,The filter meet the application requirements of green laser.the filter membrane with better spectral performance is obtained . Key words:Laser filter membrane;Film design;Vacuum coating;Ion assisted depositi on technique 目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 薄膜的发展11.2 激光薄膜的国内外发展及应用11.3 研究内容2第2章 光学薄膜的理论基础32.1 光学薄膜的多光束干涉原理32.2光学薄膜的特性矩阵和导纳62.2.1单层薄膜的特性矩阵导纳62.2.2 多层薄膜的特性矩阵和导纳9第3章 膜料的选取及其光学性质123.1材料的选取123.1.1 高折射率材料的选取133.1.2 低折射率材料的选取143.2 膜系设计15第4章 薄膜制备204.1 镀膜设备204.2 膜厚监控原理214.3 蒸镀过程及制备工艺234.4 离子源24第5章 测试结果与分析255.1 光谱测试与分析26总 结27参考文献29致 谢30II第1章 绪论 1.1 薄膜的发展 光学薄膜作为现代光学的一个重要分支，己经被广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输、医学、军事、天文、红外物理学、激光技术等领域，在人们的日常工作和生活中起着越来越重要的作用。在科技日新月异的今天，现代通讯、能源利用、宇航技术等领域的飞速发展，为光学薄膜的发展提出了更高的要求。 自70年代以来，薄膜技术得到突飞猛进的发展。无论在学术上，还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。薄膜技术已经成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域，在新技术革命中具有举足轻重的作用。薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品的全方位开发与应用。从发展趋势看，国内外薄膜产业方兴未艾，多种迹象表明。薄膜技术在近期内，将有较大的突破。从而必将带动薄膜产业更大的发展1。十余年来，在薄膜技术飞速发展，工业上有许多更大突破的同时，伴随有各种类型的新型材料的开发，新功能的发现。所有这些都蕴藏着极大的发展潜力，并为新的技术革命提供可靠的基础。现在薄膜技术和薄膜材料除大量用于电子器件和大规模集成电路之外，还可用于支取磁性膜及磁记录介质、绝缘膜、电介质膜、压电膜、光学膜、光导模、传感器膜，耐磨、抗蚀、自润滑膜，装饰膜以及各种特殊需要的功能等2。干涉截止滤光膜作为光学薄膜中最重要的一种，对于干涉截止滤光膜的研究是一项比较有意义的工作。1.2 激光薄膜的国内外发展及应用 美国从上个世纪六十年代末开始着手氟化氘激光的研究，激光输出功率在八十年代已达到兆瓦量级3。为此，人们系统地开展对激光薄膜的研究。在七十年代中期，美国开始使用金属增强型反射镜，反射率达到99.8%左右，吸收为1680ppm，使用的基底为金属钼4。在八十年代后期，美国制定了研制超低损耗光学薄膜，制备非冷却光学元件计划5。美国弹道导弹防御局在九十年代中期开始实施极低损耗薄膜（VLA）的研究计划，把用于HF激光器中的制备技术移植到MIRACA上，并取得很好的效果。该项目结束时，研制的反射镜反射率达到99.99%以上，吸收损耗只有几十个PPM，并且成功地取代了系统中的水冷反射镜6。为了提高薄膜的损伤阈值，在上个世纪八十年代，美国花费了五年时间用来减少硅基板镀膜后的表面缺陷。在这个计划结束时，薄膜表面缺陷密度比开始减少了100倍。研究表明缺陷主要来源于基板表面的抛光产生的亚表面缺陷和周围环境的洁净度。为了减少环境污染产生的缺陷，专门定制了一台前后开门的镀膜机，前门用于光学元件装件，真空室清洁从后门进行，这样避免了污染前面的超净室，保证基片的洁净7。 对高能激光系统来说，由于光学薄膜相对于其它元件有更低的破坏阈值，它的激光损伤阈值往往要低于光学元件裸表面的2-4倍，因而在激光器中薄膜损伤阈值限制了激光器功率的进一步提高，特别对作为定向能武器使用的高能量、高功率的激光器件来说更是如此8。因此，光学薄膜的抗激光强度是激光系统设计的重要依据和最大限制，改进薄膜性能，提高其破坏阈值就有更加重要的实际意义。近年来，随着激光器输出功率和输出能量的迅速增加，光学介质薄膜的抗激光破坏的问题己越来越突出，因而高功率激光与光学介质薄膜破坏机理的研究，一直是激光工作者关注的热点问题9。 在高能激光器中，光学薄膜作为光学元件一个组成部分，通常是重要而又薄弱的环节，其重要性在于激光器及其应用系统中光学薄膜无所不在，并且起着不可缺少的作用。在激光系统中，由它构成谐振腔和其它腔内光学器件；在激光行波放大中，由它构成隔离、滤波、扩束、透光元件；在激光传输中，由它组成反光、折光、分光、合束元件；在激光应用过程中，它可以优化和组成导光系统10。正因为如此，光学薄膜性能的好坏将直接影响到激光系统的性能指标。在生物工程，国防科技，医疗手术，激光治疗和激光显示等领域中绿光激光器都有着广泛的应用11。优良的激光器元件不仅能增加激光透射率，而且能消除激光器可能产生的杂散光，因此元件滤光膜的研制变得愈加重要。为了使绿光激光器达到最佳的和频输出，还应严格控制激光的透射率，而这种控制的精确实现是非常困难的，需要通过不断地实验改进等才能达到透射率的最佳取值。1.3 研究内容 在薄膜技术高速发展的今天，在高功率的激光器上镀制各种要求的膜系是必不可少的，激光薄膜的镀制大大提高了激光器的工作性能，使激光器在各个领域广泛的应用。 本论文研究的主要是对532nm波段的激光进行增透，对1064nm波段的激光进行高反的干涉截止滤光膜的设计与制备。主要包括以下几方面内容： 1.根据各种高低折射率的膜系材料的光学性质并结合本文主要研究的课题，筛选合适的镀膜材料。 2.根据光学薄膜相关理论，利用TFC膜系设计软件进行膜系的优化设计，达到波长在532nm和1064nm两点处透射率与反射率的要求，通过反复优化得到易于制备的膜系结构。 3.用镀膜机进行镀制实验，采用晶控方法控制膜厚，完成薄膜的制备。4.进行样品的光谱性能测试，分析理论设计膜系与实际制备膜系光学性能差异的原因。第2章 光学薄膜的理论基础 薄膜光学以膜对光的透射、吸收、反射、位相变化以及偏振特性为研究对象的工程技术学科，它主要通过研究光在薄膜介质中传播时的各个参量，来分析对光学系统能量分布特性的影响12。基于光的干涉效应及其原理，光学薄膜可以获得光传播过程中各种各样的传输特性，可以根据使用要求来调整光能量的传输路径。特征导纳矩阵法，可以便捷地实现对任意多层膜的特性进行精确地计算。干涉截止滤光膜可以对某些波段的光能量进行拦截，而使其他波段的光能量透过率得到提高13。本文所要研制的干涉截止滤光膜，要实现对波长为532nm的增透和1064nm的高反。膜系设计时用到的理论就涉及到薄膜的干涉理论和特征导纳矩阵法。 2.1 光学薄膜的多光束干涉原理 光是一种具有粒子性和波动性的电磁波，即所谓的波粒二象性13。光的干涉现象是光波动性的一个重要特征。但是两列光波要产生干涉现象，必须满足相干光的条件： (1)两列波的频率相同； (2)具有相同的振动方向或有相同的振动分量； (3)具有相同的相位或是相位之差是个定值。 只有在这三个条件同时满足的情况下，两个相干光源所发出的光波才是相干的，因而就能够形成干涉。为了便于讨论薄膜干涉作用，可以引入光程差的概念14。 图2-1 薄膜中光的干涉现象 是薄膜材料的折射率，薄膜的上下两个界面分别用1和2表示，当从光源上发射出的某单色光的一束光入射到薄膜界面1上时，将会在薄膜的表面发生反射和折射现象，假设在界面1上的反射振幅为，另一部分透过界面1折射到薄膜的界面2后再次发生反射，然后在经过界面1射出，设其振幅为。两光束和均由同一束分离出来，是相干光，沿着光束和的方向垂直放一个接受屏就会看到干涉现象。 两光线干涉条纹的强度决定于它们的光程差，过C点做垂直于光线的垂线CD，利用图中所示的几何关系和折射定律，可以得到和两光束的光程差为： (2-1) 由于位相差和光程差的关系式如下： 从而得到位相差为： (2-2) 当两束光的光程差为： (m=0，1.，2，3，) (2-3)时，将产生相长干涉；当 (m=0，1，2，) (2-4)时，将产生相互取消的干涉。 称为光学薄膜的有效光学厚度，而则称为膜层的有效位相厚度15。 根据光波的叠加原理，将反射光和的振动过程进行叠加，其振动情况分别表示为 叠加后得到合振动的电场强度为： 式中r是合振幅可表示为： (2-5) (2-6) 式中 按照光强定义，将反射光合振动的光强表示为，而，。则两束光叠加的干涉强度的计算公式如下： (2-7) 式中的正负号号取决于和的符号，即当和同号时取加号； 而当和异号时取减号。 通常情况下，如果薄膜界面的反射率比较低时，我们只考虑前两次的反射和折射，而把其他的归属全部忽略掉，多光束干涉就简化成双光束干涉来进行处理，使对干涉的分析变得简单。但是在薄膜界面的反射率较高的情况下，一系列的反射光，之间的多光束干涉，还有一系列的透射光，之间的多光束干涉也是需要考虑的16。 多光束干涉强度的计算和双光束强度的计算思路是相似的，先将所有的归属进行振动的迭加，然后再计算其强度，只不过参与计算的干涉光束由两束增加到多束。为了减少计算量，采用复振幅进行运算。那么，对于反射光束系列，和透射光束系，的各个振幅和相位差计算如下。由斯托克定理我们可以得到： (2-8) (2-9)在介质对光能量无吸收时，假定入射光束的能量为1，反射光振幅，可以表示为： (2-10) 透射光束的振幅可以表示为： (2-11)综上所述，对反射光束的复振幅为进行叠加。可得所有反射光的合成振幅为： (2-12) 要是薄膜面积很大，整理后可得： (2-13) 代入(2.12)式后再利用关系式(2.8)(2.9)，得到 (2-14) 反射光的相位关系为： (2-15)则反射率有 (2-16)透射率为 (2-17)综上所述可得到结论如下：当，满足(m=0，1，2，)时，可以得到透射极大值件；而当时，满足时，也可以得到透射极大值。2.2光学薄膜的特性矩阵和导纳2.2.1单层薄膜的特性矩阵导纳 1.振幅反射系数 当光垂直于介质入射时， 上式表示需将导纳N用代替，满足垂直入射的公式也同样对倾斜入射的情况有效，也就是适用于斜入射。这里需要我们注意，用推导P-分量反射率，用推导S-分量，再利用公式计算出自然光合成反射率17。2.等效界面以计算光学薄膜特性为目的，是需要一个相关的理论基础的，这个基础就是单层膜的特性矩阵，而等效界面更清晰合理地说明这点。等效界面就是将一个单层薄膜的两个界面看成是一个等效界面，这在数学上的理论上是成立的，定义Y是膜层和基片的组合导纳，于是有。式中 (2-18) (2-19)单层膜的反射系数为 得到此反射系数后，我们看到和是相互联系的，而将它们联系起来的就是组合导纳Y，然后再应用公式，和，这就是边界条件，则用矩阵的形式表示和之间的关系，矩阵定义为基片和薄膜组合的特征矩阵。 (2-20) 矩阵 叫做薄膜的特征矩阵。由得 (2-21) 则 将代替，这种情况下的膜层反射率是不会变化的。 又有，此种情况下的膜层反射率也是不会变化的。 3. 反射率为极值时膜的光学厚度 假定 且时，分两种情况讨论： (1) m取奇数，则，得 以下是分析正入射时的情况， 在膜层折射率比基底的折射率低的情况下，也就是，反射率存在极小值；在膜层折射率高于基底的折射率的情况下，也就是，反射率存在极大值。 (2) m取偶数，则，以下同样是分析在取偶数的时候，正入射时的情况，由上式可以明显地看到m取偶数时膜层的反射率与膜关系，也可以理解成，当光学厚度是的整数倍的时候，产生的薄膜对波长为时的反射(或透射)率是无影响的。所以，只要m=2k的情况下，膜层的折射率是大还是小，对于膜层的控制波长来说，可认为是虚设的，这层膜也被叫做虚设层，因此，虚设层是将光学厚度为波长一半时的整数倍的膜层。同理 和层的折射率N，没有则可以计算出单层膜的振幅反射系数为： 将代替，这种情况下的膜层反射率是不会变化的。 又有，此种情况下的膜层反射率也是不会变化的。 从推导过程可以知道，只要组合导纳Y被确定，就可以根据公式计算出单层膜的反射特性和透过特性。用矩阵形式表示的式子是 (2-22)边界条件可以如下表示： 因此 写成矩阵形式是 将此式带入到(2-22)得到 (2-23) 由于在界面两边的切向分量是具有连续性的，又由于 于是方程(2-22)可以这样表示 (2-24) 是薄膜的特征矩阵，是基底和薄膜组合的特征矩阵。显然由 (2-25) 得到： (2-26)振幅反射系数为： 能量反射率为： 2.2.2 多层薄膜的特性矩阵和导纳 和单层膜一样，可以利用多层膜的导纳对入射光在多层膜的反射或透射情况进行表征，对要将单层膜组合导纳扩展到多层膜的场合，需利用薄膜递推法及薄膜矩阵法。 假设令 按照组合导纳公式，第k层膜和衬底的组合导纳公式可以由下式表示为： (2-27) 推导计算完所有多层膜之后，可以得到膜系的组合导纳： 下面使用矩阵法来计算多层介质膜的反射率： 图 2-2 求解多层膜矩阵 首先应用边界条件根据图2-2的表示，在界面1和2上可以得到： 依次类推，在界面2和3上得到，公式中的下标都是与界面数相对应的： 推导到界面k、界面k+1有： ， 得到膜层的矩阵方程式： 矩阵方程式进行线性变换，可得膜系的特征矩阵为： (2-28) 于是，位相厚度是 (2-29) 折射角由折射定律所确定，导纳由下式给出： (2-30) (2-31) (2-32) (2-33) 综上所述，本课题的滤光膜要求对532nm和1064nm处分别增透及高反，对于滤光膜的设计需要根据薄膜干涉理论以及特征矩阵法解决。其中反射率及透射率的计算是膜系设计很重要的指标也是膜系设计的方向。 第3章 膜料的选取及其光学性质 在镀膜前，首先要选择被镀膜的基底和镀膜材料。这是设计膜系前的基础工序，因为根据不同的基底和材料，膜系设计的方案也不同。而根据膜系的具体要求，要选择适合的镀膜材料。这也是本论文的难点之一。 具体的光谱参数如表3-1所示：表3-1 光谱参数波长 透过率 532nm 95% 1064nm 95%），要求在1064nm处高反（R98%）。根据技术要求可以得出镀膜波形类似于短波通，故选择了短波通作为基础膜系进行优化。本课题膜系优化过程中主要考虑以下两点：1由于实际膜层制备过程中膜层厚度存在控制误差，为了减少误差的累积，总层数不能太多；2尽量使膜系中各层厚度保持均匀。过厚的膜层会产生较大的应力，影响牢固度，而过薄的膜层则不容易监控，导致膜层厚度误差很大，影响整个光谱曲线。设计时先暂不考虑背面的影响，在基础膜系的基础上进行优化，再采用多层膜的针式优化设计，最后滤光片的前表面初始膜系的基本结构选用Sub|(0.5L H 0.5L)12|A。前表面选用H4和SiO2的匹配进行滤光片的设计。用TFC膜系设计软件进行大量模拟优化，最终确定的膜系为：Sub|0.97L 1.01H 1.17L 0.89H 0.91 L 1.09H 0.94L 0.90H 1.09L 0.97H 0.97L 1.02H 1.00L 0.98H 1.08L 0.92H 0.93L 1.09 H 0.92L 0.86H 1.15L 0.90H 0.83L 1.15H 0.54L |A，其中该膜系的中心波长为1064 nm，L表示SiO2的1/4的光学厚度，H表示H4的1/4的光学厚度。Sub表示K9基底，A表示空气。计算各个材料的总厚度如表3-2所示： 表3-2 材料的总厚度材料厚度最大膜层厚度(nm）总厚度(nm）H4158.151614.42SiO2214.252320.94总计3935.36表3-3表示优化设计后各个膜层的几何厚度及光学厚度：表3-3 各个膜层的厚度参数膜层材料光学厚度（nm）物理厚度（nm）1SiO20.9721180.322H41.0151138.983SiO21.1691216.864H40.8894121.775SiO20.9145169.646H41.0918149.477SiO20.9369173.798H40.9040123.759SiO21.0857201.410H40.9662132.2711SiO20.9734180.5512H41.0183139.4113SiO21.0092187.214H40.9766133.6915SiO21.0752199.4416H40.9237126.4617SiO20.9273172.0118H41.0949149.919SiO20.9226171.1320H40.8570117.3221SiO21.1550214.2522H40.9003123.2523SiO20.8298153.9324H41.1552158.1525SiO20.5413100.41 如图3-2所示为在400nm1200nm波段范围内前表面的理论设计光谱透过率曲线。 图3-2 400nm1200nm波段范围内前面理论设计光谱透过率曲线由图3-2可以看出初步设计曲线基本满足膜系的设计要求，由图可知在532nm处透射带宽达到90nm，透射率达到99%以上；在1064nm处透射带宽达到100nm，反射率达到99.5%以上，已经到达了预期要满足的理论设计要求。其总层数为25层，物理厚度为3935.36nm，可以看出此膜系适合于实际制备。 为了提高透过率，减少基底背面的反射损失，需要在基底背面设计增透膜。对于背面增透膜系的设计，通过大众和TFC膜系设计软优化设计，采用H4和SiO2为镀膜材料，采用设计的基础膜系结构为Sub|HLHLHL|A，经膜系设计软件优化后得到膜系Sub|1.37H 1.08L 1.49H 1.71L 1.13H 0.63L|A，其中H代表材料H4的1/4光学厚度，L代表材料SiO2的1/4光学厚度，中心波长为700nm。其中4001200nm波段范围内的理论设计光谱透射率曲线如图3-3所示 图3-3 4001200nm波段范围内的理论设计光谱透射率曲线 由上图3-3可知，在532nm处透射带宽达到了90nm，透射率达到了95%以上。后面膜层是主要考虑波长为532nm处增透膜的设计，满足了设计要求。 表3-4所示为优化设计后背面各个膜层的理论厚度。表3-5所示为背面增透膜系中膜料最大膜层厚度和总厚度。 表3-4 背面各个膜层的理论厚度 材料厚度最大膜层厚度(nm）总厚度(nm）H4132.14353.42SiO2207.72415.20总厚度768.62表3-5 背面增透膜系中膜料最大膜层厚度及总厚度 对于背面增透膜的设计，H4和SiO2材料从透明度、吸收、散射特性、机械牢固度和化学稳定性等方面都能满足使用要求，而且二者具有较好的应力匹配，对于层数较少的增透膜采用这两种材料进行设计是合理的。 最后基底材料两面镀膜后的用TFC软件模拟的光谱特性在4001200nm波段范围内的透射率曲线如图3-4所示 图3-4 4001200nm波段范围内的光谱透射率曲线从图3-4可以看出，在波长在532nm处透射率达到了99.98%，在490n590nm波段范围内，透射率都大于99%。在波长为1064nm处反射率达到了99.7%，在1010nm1110nm波段范围内，反射率都高于99.5%。即所得到的理论设计曲线达到了设计目标，并且光谱性能很好。 膜系设计完成后，就要把设计的相关参数输入到膜厚控制系统中进行薄膜的制备，同时还要根据膜系的特点，制定镀制方案并对镀膜设备进行相应的调整和设置。 第4章 薄膜制备4.1 镀膜设备 镀膜设备具体包括很多种类，包括真空离子蒸发，磁控溅射，MBE分子束外延，PLD激光溅射沉积等很多种18。主要分成蒸发和溅射两种。常用的镀膜设备主要是德国莱宝，日本光驰和国内的南光和北仪场生产的镀膜机，镀膜机主要配有蒸发系统，真空系统，和膜厚监控系统。其中监控系统包括光控系统和晶控系统。本实验室镀膜设备如图4-1所示 图4-1 TXX-700镀膜机 图4-1是成都天星真空科技有限公司生产的型号为TXX700的镀膜机，该镀膜机主要由真空系统、蒸发系统和膜厚监控系统三部分组成19。真空系统通常由真空泵、真空计、被抽容器和其它辅助部件如真空阀门、冷阱等，通过真空管道，来实现抽气功能的抽气装置。镀膜室内的真空系统的职能是在设定的时间内、来获得真空并且保持真空，确保镀膜室内某项工艺过程的实施。本机的真空系统采机械泵和扩散泵联合抽气，先用机械泵抽低真空，当室内压强在5Pa左右时，用机械泵和扩散泵抽高真空。从低真空度达到高真空度(p= Pa)，对于本镀膜机一般需要40分钟。把真空计插到真空管道内进行真空度的测量，用热电偶真空计放在和机械泵相连的管道内测量低真空。把电离真空计放在和扩散泵相连的管道内测量高真空。蒸发系统用于加热镀膜材料使之蒸发成为气体或微粒，常用的蒸发方法分为三种：离子溅射，热蒸发和离子镀。这是按工作原理分类的。其中热蒸发又分电阻加热，电子束加热，高频感应加热和激光加热等加热方式。在本实验室镀膜机采用的是电子束热蒸发的方法，加热膜料使之进行沉积，电子枪采用e型电子枪，从电子枪射出的电子在磁偏磁场作用下转动270，e型电子枪有能克服二次电子影响的优点。电子枪电源有6KV和10KV的两档电压可选择。镀膜材料在蒸镀时，大部分材料需要在高温的条件下进行，所以真空室内配有电阻加热系统，本真空室内的电子加热系统是由三根电阻丝组成的，根据具体需要，可安装箔状、丝状等不同样式的加热电阻丝。另外，真空室内还配有阻蒸系统，用来蒸镀金属膜料，其最大电流为30A20。4.2 膜厚监控原理 对于光学薄膜，要达到理论设计的曲线，就必须要求理论厚度和设计厚度要一致。所以厚度监控是薄膜制备工艺过程中非常重要，现阶段，薄膜厚度的监控主要分为石英晶体振荡法和光电极值法两种方法21。光电极值法的原理是，光能量在快到达极值点时，光的信号相比较下很弱，信号不够灵敏，反应成数字信号时，数值走的比较慢。当快接近不动的一瞬间到达峰值，这要求我们那时关闭挡板。但实际操作起来有一定难度，对工艺部是很熟悉的人，很难判断光控极值点的准确时刻，关闭挡板早会少镀，关闭晚时会多镀。都会影响膜层厚度的精准性。但光控控制的是整个四分之一波长的厚度，即，所以光电极值法监控膜层的厚度是比较精确的。但这也限制了光电极值法只能监控规整膜层的，即四分之一波长整数倍的光学厚度。对于非四分之一波长整数倍厚度的监控，一般采用石英晶体振荡法来控制其膜层厚度，晶控法在实际操作上比较简单，通过晶控片来监控膜层的厚度，灵敏度较高，而且可以通过镀膜前输入执行程序实现自动控制。但石英晶体振荡法监控的只是膜层的物理厚度，即中的d，折射率n也是随波长的变化而变化的,但对膜层的厚度影响不大22。 本实验镀膜机的真空室内配有以上两种膜厚监控仪器，分别是光电极值制控仪和IC/5石英晶体控制仪。下面详细介绍下这两种监控膜厚的方法。 光电极值法可分为反射式和透射式来监控膜厚，它是光源发出的光束射到光控片上，通过反射或投射被光电接受器接收，通过光栅，信号放大器等信号处理，反映到数字显示器上。通过它的数值来了解极值趋势。其中透射式装置如下图4-2所示：图中L为光源，RS为反射信号，TS为透射信号，M为调制器，D为检测器，W为窗口，B为分束器，S为光控片，F为滤光片。 图4-2 透射式极值法控制装置图 对于上述极值控制法就是光控法，光控法为当膜层的光学薄膜的厚度等于l/4厚度的整数倍时，透射率会出现极大值或者极小值：当 时， (k=0，1，2，3) (4-1) 光控走极大值，透射率极小； (k=0，1，2，3) (4-2)透射率极大是当时， (k=0，1，2，3) (4-3) 光控先走极小值，透射率极大。石英晶体震荡监控法的原理：利用石英晶体的质量负荷效应和压电效应。根据石英晶体本身的固有震荡频率，由于受到沉积镀膜厚度的影响而发生的变化来监控。石英晶体表面会镀有薄层，由于金或银由良好的金属性和延展性能，薄层的材质一般是金或者银等稀有金属。当镀膜材料沉积到石英晶体表面时，石英晶体的固有震荡频率发生变化，随着膜料在石英晶体上沉积，晶控片本身的固有震荡频率于膜厚的重量表现为线形关系，当石英晶体上膜料的质量增加时，固有震荡频率会随着下降，这样利于观察，不会像光控法那样控制信号起伏不平。 由于晶控片片的位置和基片的位置不同，必然会导致膜层的理论厚度和实际厚度不一致，这就是导致tooling值产生的原因。因此，为了尽量达到实际于理论厚度的一致性，我们还需调解各种镀膜材料的tooling值。有些材料的tooling值会高于100%，有些材料的tooling值会低于100%，这都是为了尽量使监控厚度和理论厚度一致的缘故。 由第三章可知，本膜系为非周期膜系膜系，并且膜层数并不太多，所以在本次膜层监控时采用晶控方式监控膜层的几何厚度。4.3 蒸镀过程及制备工艺 镀膜的工艺如图4-3所示抽真空清洁真空室装件清洁基底加膜料烘烤离子轰击预熔测试蒸发图4-3 真空镀膜流程图 (1)准备工作首先基底表面的洁净度是影响薄膜的附着力的重要因素，研磨粉末、油污同其他物质将会混入膜层产生应力，甚至导致薄膜出现缺陷，严重影响薄膜的附着力和激光损伤阈值。课题要求的基底是K9玻璃，在薄膜制备前，所要制备薄膜的基底K9玻璃的清洁是非常必要的