外差测距干涉仪分束镜的制备

编号 本科生毕业设计外差测距干涉仪分束镜的制备Preparation of Beam Splitting Prism for Ranging Heterodyne Interferometer学 生 姓 名王妍妍专 业光电信息工程学 号100212611指 导 教 师付秀华学 院光电工程学院二一四年六月 长春理工大学本科毕业设计毕业设计(论文)原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计(论文)外差测距干涉仪分束镜的制备，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计(论文)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(论文)，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 日摘要外差干涉仪已广泛应用于测速、测长、测角、测振等应用，外差测距是通过外差干涉仪来实现的。分束镜作为外差干涉仪中的重要组成元件，利用薄膜技术来改善干涉仪的光学性能，其研制成为一个新的研究热点1。本文针对干涉仪分束镜的使用要求，借助TFCalc膜系设计软件设计了45入射600-700nm波段干涉测量所需分束镜，实现透反比8:2分光。试验在700箱式真空镀膜机(TXX700)上完成，利用电子束加离子辅助沉积系统，在K9基底上采用Ta2O5和SiO2作为高低折射率材料交替沉积。经过反复试验，解决了各膜层蒸镀参数工艺差异问题，有效控制膜厚监控精度，最终研制出附着力好、光学性能稳定的分束镜。关键字：分束镜 真空镀膜 离子辅助沉积AbstractHeterodyne interferometer has been widely used in speed, length measurement, angle measurement, vibration measurement applications. Heterodyne ranging is implemented through heterodyne interferometer. As an important element in heterodyne interferometer, the beam splitter prism use thin film technology to improve the optical properties of the interferometer, Its development has become a new research topic. In the article, based on the use requirements of interferometer beam splitting prism, with the help of TFCalc design software, the ratio of transmittance and reflectance for this beam splitting prism in 600750nm band, incident angle 45, is 8:2. We prepared it by 700 box-type full automatic vacuum coating machine(TXX700), with the electron beam and the ion assistance system, selecting Ta2O5 and SiO2 as high and low refractive index materials respectively, and depositing on substrate K9. After repeated tests, solved the difference problem of film deposition process parameters, controlled thickness monitoring precision effectively and finally prepared the ideal beam splitting prism which is high adhesion and stable optics properties.Keywords: beam splitting prism; vacuum coating; ion-assisted depositionI目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1现代光学薄膜的发展以及应用11.1.1光学薄膜的发展11.1.2光学薄膜的应用11.2分束镜概论31.3课题研究背景及意义41.4研究内容5第2章 镀膜理论基础62.1薄膜反射率的计算62.1.1单层薄膜的反射率62.1.2多层薄膜的特性计算72.2对称膜系的等效层8第3章 分束镜的设计113.1膜料的选择113.1.1介质薄膜的特性113.1.2介质膜料的选择133.2分光膜的设计133.2.1分光膜设计理论133.2.2分光膜设计过程143.3增透膜的设计163.3.1增透膜设计理论163.3.2增透膜设计过程17第4章 分束镜的制备204.1镀膜工艺204.1.1真空简介214.1.2电子束加热蒸发214.1.3离子辅助沉积技术224.1.4石英晶体监控224.2工艺参数选择234.3膜层的制备244.3.1制备步骤244.3.2注意事项25第5章 测试结果和分析265.1透过率测试265.2环境测试265.2.1牢固性测试265.2.2抗激光损伤测试275.3误差分析27结论29参考文献30致谢31I第1章 绪论1.1现代光学薄膜的发展以及应用1.1.1光学薄膜的发展作为现代光学的重要组成部分，光学镀膜是各种应用领域中光学仪器制造加工的必备过程，在光学系统中，光学仪器零件中的光学材料(例如：光学玻璃、光学塑料、光学晶体等)往往需要镀制光学薄膜来提高其成像质量，光在光学薄膜内部传播时，光束的反射或者透射光的光强、位相以及偏振状态会按照一定规律发生改，在光学材料表面蒸镀具有一定光学性能的光学薄膜就是利用这种干涉作用来提高光学系统的成像质量，从而达到光学系统的技术要求。不仅如此，蒸镀在光学材料表面的光学薄膜一般情况下都具有良好的光学稳定性，同时光学薄膜也极大的减小了光学系统体积，因此在光学零件表面蒸锻光学薄膜是优化系统参数的重要手段。18世纪，“牛顿环”标志着光学薄膜产生的萌芽；1801年，杨(Young)在光学历史上第一次通过光学理论解释了牛顿环产生的原因；1871年，夫琅禾费制备出了光学史上的第一批增透膜；1873年，麦克斯韦从理论上证明了光波即为电磁波，其著作论电与磁为以后薄膜光学的发展指明了方向，奠定了光学薄膜的理论基础；1899年法布里(Fabry)标准具的出现促使了带通滤光膜的产生；1930年扩散菜的问世标志着光学薄膜的发展可以实现工业化，此后简单的光学薄膜(比如反射膜、增透膜等)相继实现；1940年以后，随着光学薄膜制备工艺的发展，光学薄膜的理论和膜系设计也逐渐完善。光学薄中膜能够应用到所有的光学系统、光电仪器系统，至今仍没发现可以替代光学薄膜的其他技术经过近百年的发展，光学薄膜已经是一门综合性的工程技术并且具有完整的、专业性很强的光学理论，这种理论涉及到薄膜的设计和制备，包括增反膜、分光膜、干涉截止滤光膜等，并已经发展到了产业化生产。目前，光学薄膜已在照相机、望远镜、显微镜、摄像机等光电设备上得到广泛应用，他们有的需要增加透射光的光强锻制增透膜，有的需要增加反射光的光强镀制高反射膜，而有的根据光学系统涉及到的光学性能需要镀制分光膜、干涉截止滤光膜或者带通滤光膜等。在这些光学系统中，光学薄膜通过改变光强、位相和以及偏振状态，提高了光学利用率、减少杂光、直接实现了光束的再分配，而且通过改变光波在各个波段上的透射率和反射率降低了光学系统在实际应用过程中的信噪比等。1.1.2光学薄膜的应用目前，光学薄膜技术从理论、计算、设计、测量和工艺已形成完整的体系，广泛地应用于日常生活、工业、农业、建筑、交通 运输、医学、天文学、军事和宇航等宽广的领域。光学薄膜应用广泛，最基础的如照相机、摄像机、望远镜、显微镜镜头为了增加透射光强而需要镀单层或多层增透膜;为增加反射光强需要镀增反膜；光学系统中所用的分束镜、截止滤光片和带通滤光片等也要由光学薄膜来实现；此外光纤通信、激光光学中也用到大量的薄膜器件；薄膜还广泛应用于信息存储、半导体器件、光电显示等领域2。在日常生活中，镜子是用化学法在玻璃背面镀银的一种背面镜。眼镜片用真空法镀着色膜或多层增透膜。照相机的物镜，摄影机的镜头，望远镜的透镜以及显微镜、测距仪和潜望镜的棱镜和透镜都必须镀增透膜。用多层介质膜组成的分光镜，可把白光分成红、绿和蓝三原色，用于彩色电视和彩色印刷等多方面。掺锡的氧化铟光学薄膜，可反射红外线，透过可见光，用作微波烤炉窗口玻璃上的透明隔热膜。这种薄膜淀积在灯泡壁上，可使灯泡照明度变好和节约电能。在工业上，光学薄膜广泛地应用于各种产品。在激光技术中的主要应用是激光反射镜的反射膜，激光材料的增透膜，倍频及参量放大器薄膜和薄膜偏振镜等。光盘上真空淀积蹄、秘、硒等金属膜，用作光的储存介质，其存储的信息量是同面积磁盘的100倍。光谱学中用的氯化钠和碘化艳等卤化物晶体窗口或透镜，极易潮解。用等离子聚合法将单体氟化物在其上聚合成1的有机薄膜保护层，使碘化铯的寿命可达几百个小时，无保护的几分钟就破坏。用ZnS /MgF2和TiO2/SiO2等多层全介质膜制的冷光镜反射可见光，透过红外光，用于放映机、幻灯机、复印机以及电影和电视摄影用的大功率泛光灯上。反射红外线、透过可见光的薄膜制热反射镜，常和冷光镜配合使用，屏蔽热辐射。黑铬、黑镍、钥和钨等金属膜，氧化铟、氧化锡、硅和锗等半导体膜，Cr/ Cr2O3、Au/Mg O和Ni/Al2O3等金属/陶瓷膜，可制选择吸收太阳能的材料。在玻璃上真空淀积铑、钯、钨、铬和镍/铬等金属制的中性密度滤光片，用于各种测量和分析仪器。用真空蒸发和溅射制的氧化铟、氧化锡、氧化镉和金等材料制的透明导电薄膜，用于电子表与电子计算器的显示以及仪表的抗静电镀层等用途。为了装饰和装磺，玻璃和塑料等廉价材料制 的消费品和汽车零件等工业制品镀金、银、铜和代替金的CuAl和CuZn合金。用镀金属或介质膜的透明玻璃或塑料制成压制物，然后切割，可制人造宝石。在军事上，宽带增透膜和宽带高反射膜广泛用于军用光学仪器。用具有一定工作波长的滤光片和其它部件组成的红外探测器和红外器件，可探测发出大量热能的导 弹和飞机等军事目标的行踪。这些器件也用于红外制导导弹。热成像仪光学器件上镀制 的硬碳膜和金刚石膜，耐风沙和雨水。坦克用激光测距仪的镜头，需镀增透膜和防霜导 电金属膜。透明的导电薄膜用于战斗机上防雷达。在宇航技术方面，科学卫星表面镀铝和氧化硅膜，可使卫星的温度控制在1040 范围。硅太阳能电池是空间飞行器的主要能源。通常在太阳能电池的熔石英盖片上淀积热性能控制滤光片。该滤光片只允许透过可转变成电能的太阳可见光和近红外区的辐射，反射有害的红外区热量。 1.2分束镜概论在光学玻璃表面镀上一层或多层薄膜，这时一束激光投射到镀膜玻璃上后，通过反射和折射，激光就被分为两束或更多束，这种镀膜玻璃就叫做分束镜，其主要作用是把入射光分为反射光和透射光两部分。分光膜是根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜。分光膜主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜等几类。波长分光膜又叫双色分光膜，顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片，所不同的是，波长分光膜不仅要考虑透过光而且要考虑反射光，二者都要求有一定形状的光谱曲线。波长分光膜通常在一定入射角下使用。光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜，这种薄膜有时仅考虑某一波长，叫做单色分光膜；有时需要考虑一个光谱区域，叫做宽带分光膜；用于可见光的宽带分光膜，又叫做中性分光膜。这种膜也常在斜入射下应用，由于偏振的影响，两束光的偏阵状态可以相差很多，在有些工作中，可以不考虑这种差别，但在另一些工作中(例如某些干涉仪)则要求两束光都是消偏振的，这就需要设计和制备消偏振膜。偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的。偏振分光膜可以分成棱镜型和平板型两种。棱镜型片偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应(见光在界面上的折射和反射)。常见的中性分束镜有两种，一种是把膜层镀在透明的平板上，另一种是把膜层镀在45的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜，构成胶合立方体。平板分束镜由于不可避免的象散，通常应用在中、低级光学装置上。对于性能要求较高的光学系统，可以采用棱镜分束镜。胶合立方体分束镜的优点是，在仪器中装调方便，而且由于膜层不是暴露在空气中，不易损坏和腐蚀，因而对膜层材料的机械、化学稳定性要求较低。但是胶合立方体分束镜的偏振效应较大也是显而易见的。中性分束镜还可分为金属分束镜和介质分束镜。金属膜分束镜的一个共同缺点是吸收损失较大，分光效率较低。对于金属膜分束镜来说，由于膜层中存在吸收，分束镜的反射率与入射光的方向有关。从空气侧入射测得的反射率要比从玻璃侧入射测得的要高，而透射率与光的传播方向无关，不管膜层有无吸收，这个结论都是正确的。所以金属膜的正确安置是必须注意的。而介质分束镜与金属膜分束镜相比较，因为介质膜的吸收小到可以忽略的层度，所以分光效率高。但是介质分束镜的另一个特性是对波长较敏感，给中性分束带来困难，同时一般介质分束镜的偏振效应较大3。激光器通常非常昂贵，因此在激光运用的场合，为了提高工效，工程人员希望用分束镜将激光分成几路，从而有效的利用激光。分束镜可以用作各类激光器谐振腔(平平腔、共焦腔、共心腔、凹凸腔、半共心腔等)的腔镜，也可以用作激光器外围光路衰减光强的元件等。分束镜可用于高功率激光或大能量激光，也可用于普通的各种工业化激光器4。对于分束镜而言为了提高分束镜的分光效率，充分利用激光能量，通常在分束镜的后表面镀制增透膜。增透膜(也叫减反射膜)，在现代光学薄膜生产中占有十分重要的地位。在光学系统中，有两种原因需要降低零件表面的反射。第一种原因是未经处理的光学零件由于有反射损失，其透射率总是低于100%。例如，常用的冕牌玻璃零件的透射率只有92%，而火石玻璃低到85%。大多数仪器都包含许多个串置的零件，若零件表面不镀制增透膜，则仪器的总透射率将更低。第二种原因是零件表面的反射光经过多次反射，有一部分成为杂散光，最后也到达像平面，使像的衬度降低。在零件上镀制增透膜，可以减少光能损失，减少杂散光，去掉鬼象，提高清晰度。1.3课题研究背景及意义图1-2为外差激光干涉仪的原理示意图，偏振方向相互垂直的同轴双频激光被分光镜BS 分为二部分，反射部分经检偏器P1由光电探测器D1接受，作为系统的参考信号；透射部分在偏振分光镜 PBS 处按偏振方向分解，一路指向定镜 R，频率为 f 1；另一路指向动镜 M，频率为f2。当动镜M移动时，返回光产生多普勒频移f ，f 2+f 与f 1 两光束在偏振分光镜PBS汇合，经45度放置的检偏器 P2，由光电探测器D2接收。图1-1 外差激光干涉仪激光外差干涉技术就是在一般干涉仪的参考光路中引入具有一定频率的载波，被测摘号通过这一载波来传递，并被光电探测器接收，从而探测器后可用一交流放大器代替常规的直流放大器，这样就可隔绝外界环境的干扰。分束镜在干涉仪用于测距时实现分光，可以有效利用激光能量。本文所研制的分束镜把激光光强的20%反射进入反馈光学系统，80%透射光进入测试光路，性能优良的分束镜能有效提高其测试精度56。1.4研究内容(1)600-700nm波段分束镜制备所用膜料的选取。(2)分光膜和增透膜膜系的设计。(3)TXX-700型真空镀膜机镀膜实验和镀膜注意事项。(4)对镀制的样品进行检测和误差的分析。第2章 镀膜理论基础通常，光学多层膜的设计涉及到很多界面，我们可以通过讨论单一界面反射率的情况，然后将之扩展到多层薄膜，可以计算得到多层薄膜的反射率。2.1薄膜反射率的计算2.1.1单层薄膜的反射率在单一界面上应用边界条件可以写出 (2-1) (2-2)单层薄膜的两个界面可以用一个等效的界面来表示，膜层和基底组合的等效导纳为Y，则由式(2-1)和式(2-2)可以推倒出式中，。图2-1 单层薄膜的等效界面由菲涅尔公式可得单层膜的反射系数只要确定了组合导纳就可以计算单层膜的反射和透射特性。因此主要求出入射界面上与的比值。应用矩阵式表示与为= = (2-3)又因为则式(2-3)可写为 = (2-4)故令=矩阵定义为薄膜和基片组合的特征矩阵。其中，称为薄膜的特征矩阵。它包含了薄膜全部有用的参数。其中；对分量，而对分量，。对以后分析薄膜特性时是非常有用的。由可得2.1.2多层薄膜的特性计算单层膜的讨论可以扩展到多层膜，任意光学多层膜多可以用以等效界面代替，而且等效界面的导纳。图2-2 多层薄膜的等效界面假设有层的多层膜，则矩阵方程式可写为 =由于，且在基地中只有正向波，,所以=故而，膜系的特征矩阵为= (2-5)多层膜和基片的组合导纳是。2.2对称膜系的等效层下面我们就以最简单的对称膜系(pqp)为例，说明对称膜系在数学上存在一个等效折射率的概念，这个对称膜系的特征矩阵为 作矩阵的乘法运算,我们求得=-=+=+-= (2-6)正是由于最后一个关系成立，才有可能引入等效折射率的概念，由于对称膜系的特征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的性质，可假定以相似的形式来表示 =因此，它可以用一层特殊的等效单层膜来描述，这层等效膜的折射率E(等效折射率)和位相厚度(等效位相厚度)可由下面关系式决定。=因为 =， =所以 又根据式(2-6)，有=显然，上式中位相厚度的解不是唯一的，通常取最接近对称膜系实际位相厚度的解。很容易证明，这个结果能够推广到由任意多层膜组成的对称系。首先划定多层膜的中心三层，它们独自形成一个对称组合，这样便可用一个单层膜来代换。然后这个等效层连同两侧的两层膜，又被取作第二个对称三层组合，依然用一个单层膜来代换。重复这个过程，直到所有膜层被代换，于是最终又形成一个等效单层膜。从和的表达式(2-6)中可以看到，在某些波长范围内，必然会出现=1的情况，即这些波段内等效位相厚度是虚数又由式-=1可知，这时和的值符号相反。因而在这些波段内，等效折射率也是虚数。这就是说,在这些波段内等效折射率的概念不复存在。这些波段相应于对称膜系的截止带(抑制带)，在截止带中的光学特性的计算，只能直接借助于它的特征矩阵的连乘积。在和为实数的波段，相应于对称膜系的透射带，在透射带中，只要求出和就可得到它的全部光学特性。而相应于=1，也就是，为或偶数倍的那些波长，也就是对称膜系的透射带开始向截止带过渡的波长，或称为截止波长。在这些波长处，等效折射率趋向于零或无限大.应该指出，虽然是趋向于零或无限大，但由于趋向于或其偶数倍，所以反射率值仍然是不确定的(不是趋向于1)，随着周期数的增加而增加。任何对称膜系在数学上存在着等效折射率和等效相位厚度，即可以用一等效的单层膜来代换，这一发现的重要性既在于它的光学特性容易得到解释(单层膜的特性比多层膜直观得多)，又在于容易将单个周期的结果推广到多个周期组成的多层膜。若令一个周期性对称膜系的基本周期的特征矩阵为那么周期性对称膜系的特征矩阵应为各基本周期特征矩阵的乘积，即可以证明上式表示一个周期性对称膜，在它的透射带中仍然存在有一个等效折射率，它和基本周期(对称组合)的等效折射率完全相同，并且它的等效位相厚度等于基本周期的等效位相厚度的倍。这说明在考虑周期性对称膜系透射带中的透射率问题时，只要考虑它的基本周期的性质就够了。特别是当基本周期的等效折射率和基片以及入射介质的折射率匹配良好的情况下，即使周期数变动很大，位相厚度的变化只能引起透射率的微小波动而无关大局。这样，就大大地简化了周期性对称膜系透射带中光学特性的计算工作。由于周期性对称膜系的这一重要特点，所以被广泛地用于滤光片的设计中。第3章 分束镜的设计本文膜系设计是在选择适当的基础膜系和合适的膜料的基础上，用TFCalc软件，使膜层的厚度参与优化，最终得到理想的结果。3.1膜料的选择光学薄膜材料的选择，主要从其透明度、折射率、机械牢固度、化学稳定性、吸收和散射性等方面考虑。可以通过讨论和比较可见光范围内常用材料的一些特性，来选择合适的膜料7。表3-1 薄膜材料一般要求具备的特征特性要求折射率规定的、均匀的、可重复的透射高散射很小几何厚度规定的、可重复的应力低、规定的、可重复的附着力高，MILC-675硬度高，像玻璃，MILC-675热稳定性200-400不溶解度MILC-675抗激光辐射能力尽可能高结构缺陷尽可能小3.1.1介质薄膜的特性 (1)二氧化钛(TiO2)膜料 此膜料在可见光与红外区域透明，透明波段为，密度为 4.29，薄膜折射率高，膜层致密、牢固稳定，抗化学腐蚀性好，这些优异的性能使它在光学薄膜方面的应用十分诱人。该材料适用于电子枪蒸发，蒸发时需要充氧，成膜后膜层表现为较小的压应力。但是，由于二氧化钛材料在真空中加热蒸发时会分解失氧，形成高吸收的钛的亚氧化物薄膜，所以蒸镀起来比较困难。由于TiO2在高温下产生热离解，所以电子束蒸发T iO2时必须充氧(O2)并保持1.3310- 2Pa 的气压，这样就能够保证TiO2的吸收达到最小。在基片温度较低或(和)充氧量少时，膜层存在严重吸收，膜层发暗。(2)五氧化二钽(Ta2O5)膜料五氧化二钽(Ta2O5)是一种很好的高折射率镀膜材料，分子量441.89，密度8.74，熔点1850。可用钨舟加热蒸发，用电子束加热蒸发效果良好。氧化钽与二氧化硅组合镀制的增透膜、反射膜、干涉滤光片等膜层牢固、化学稳定性好、抗激光损伤能力强8。Ta2O5薄膜有良好的机械性能，在玻璃基板或其他光学材料上的Ta2O5薄膜具有很好的附着力。此外在可见光谱区内，Ta2O5材料具有较高的折射率和较低的吸收率，并且具有较宽的光谱透过范围()。在介电材料方面，与SiO2相比，Ta2O5具有很高的介电常数(3035)、很好的化学稳定性和热稳定性。(3)二氧化硅(SiO2) 膜料该膜料属于低折射率氧化物材料，其折射率为1.46，透明区一直延伸到紫外，分解很小。它有光吸收小、膜层牢固、抗磨耐腐蚀等优点。但SiO2的熔点较高，导热率差， 红外透明而吸收低，要使熔化蒸发，就必须提高蒸发源的温度。然而，温度增高的同时会导致SiO2与蒸发源发生反应，引起SiO2分解。如果采用钨蒸发源蒸发，会引起棕色的氧化钨吸收膜污染。采用钽蒸发，会生成玷污膜层的五氧化二钽。用电子束蒸发时，对坩埚进行水冷却，可有效地抑制材料与坩埚反应，形成的膜层呈现压应力，且数值较小。但必须注意的是电子束的焦斑要大一些，蒸发速率也不要太高，应在坩埚转动时进行电子束扫描。(4)氟化镁(MgF2) 膜料这是一种性能比较稳定的镀膜材料，可以说是镀膜中最为常用的。该膜料折射率较低，为1.38，外观为白色，密度为，透明区域为，熔点为1 266。蒸发前首先充分预熔材料，以消除材料内残留气体，防止镀膜时喷溅而影响零件表面光洁度。(5)氧化锆(ZrO2)膜料氧化锆膜料具有较高的折射率，膜层牢固稳定，短波吸收低，可以应用于紫外区域。二氧化锆薄膜呈现四方相结构，在强激光作用下会转变为单斜相，因而抗激光损伤能力不高。ZrO2薄膜往往呈现较高的张应力，与二氧化硅组成多层膜易破碎。(6)氧化铝(Al2O3)膜料普遍用于中间材料,该材料有很好的堆积密度并且在200-7000nm区域的透明带，该制程是否需要加氧气以试验分析来确定，提高基板温度可提高其折射率。上述可见光常用薄膜材料的特性见表3-2。表3-2 可见光常用薄膜材料的特性材料熔点()蒸发温度()蒸发方法密度()折射率透明区()Ta2O518001920阻蒸，电子束8.741.980.3-10TiO218502200电子束，溅射4.292.1330.35-10ZrO227004300阻蒸，电子束5.491.9320.34-12Al2O320453500阻蒸，电子束，溅射3.971.6130.2-8MgF213952239阻蒸，电子束2.9-3.21.3710.21-10SiO21730700阻蒸，电子束4.831.250.19-133.1.2介质膜料的选择分束镜有金属膜分束镜和介质膜分束镜。而金属分光膜存在一个显著的缺点，就是仪器的有效透射率低，仅为0.0 80.1，这是由于金属膜吸收损耗导致下降的结果，因此选择适用介质膜分束镜。光束经过分光膜8:2分光后，为保证透射光在K9玻璃平板另外一个面的高透过率，还需在另一面镀制增透膜。在 450650nm 波段常用的高折射率材料为Ta2O5、TiO2和ZrO2。Ta2O5和TiO2材料都有着较高的折射率和较宽的光谱透过范围，但是无论用电子枪蒸镀或溅射(用Ta靶)，TiO2在蒸发过程中容易失氧形成高吸收，所以镀制Ta2O5都比镀制TiO2稳定，且容易得到较小吸收和散射的膜层。ZrO2常用于三层减反膜的镀制，折射率略低于Ta2O5，非均匀性比其它材料严重。Ta2O5常用于分光膜的镀制，且用电子枪蒸镀Ta2O5很容易得到低吸收的膜层，所以选作高折射率材料，其透明区为 320nm-7000nm。SiO2和MgF2是常用的低折射率材料，而MgF2紫外区透明度更高，故常用于紫外波段。SiO2是一种分解很小的低折射率氧化物材料，其透明区为160nm-9000nm，其中在200nm-4000nm范围内为无吸收区，具有良好的硬度、光学、及耐磨、绝热、光透过率高、抗蚀等特性，SiO2膜的结构精细，呈网络状玻璃态，不但散射吸收小，而且保护能力极强，并且SiO2薄膜呈现压应力，在工作波长上色散较小，具有较高的抗激光损伤阈值。且Ta2O5与SiO2组合镀膜时，膜层牢固，化学稳定性好，抗激光损伤能力强，所以选则SiO2作为低折射率材料。3.2分光膜的设计3.2.1分光膜设计理论光学薄膜的基本现象是：入射光的入射角不同，分光特性的偏振程度就不同，因此分光反射率和透过率就不同。光学薄膜的色偏移指的是随着入射角的变化，分光特性起了变化，从而引起了色的变化。但是，在平板分光时偏振小，色偏移不严重，在立方棱镜分光时，偏振度大。因此本文在进行设计时采用平板分束镜。为了满足外差干涉仪中分束镜的使用要求，需设计一透射和反射比为8:2的分光膜，实现45入射时600700nm波段处分光。根据使用要求进行膜系设计，同时必须综合考虑可见波段要求、设备条件、镀制工艺的实现等方面的问题，所以膜系设计是首要解决的难点9。由薄膜理论知识可知，在透明基片(ng)上有一层厚度为0/4的高折射率介质薄膜(n0)，就能增加反射率，减小透过率。在中心波长0附近一个相当宽的波长范围内，这种膜的反射率随波长改变的非常缓慢。中心波长0处的反射率为一极大值，其值可由下式计算对P分量有 对S分量有 式中0为入射角，1和g分别是膜系中的基片中的折射角。由于该分束镜是在倾斜45角使用，根据波动光学理论，当一束光以角倾斜入射到薄膜上时，TH波(或P偏振光)和TE波(或S偏振光)将表现出不同的有效折射率。因为该分束镜的目的是能量的分束，在设计中不考虑偏振光对设计的影响，按照垂直入射时平均能量的方式进行优化设计。因为在可见光区域应用的介质膜的折射率通常都小于2.5，因此，对600700nm波段要达到8:2分光要求，单层膜是困难的，它仅适用于要求较低的场合，或入射光为s偏振光的场合。所以要得在600700nm宽波段的透射和反射比为8:2的介质分光膜，必须用多层膜。3.2.2分光膜设计过程对于平板分束镜，通常采用作为基础膜系10，有时也可采用长波通或者短波通作为基础膜系，其中H代表高折射率材料Ta2O5，L代表低折射率材料SiO2，A表示空气，G表示折射率的K9玻璃基片，S为膜层周期数，用TFCalc软件进行优化，得到理想膜系。方案一：采用(0.5LH0.5L)4作为基础膜系，优化后的膜系为:Sub|1.6511L 0.1985H 0.4394L 1.2575H0.9775L0.2567H1.0084L|Air,实现600-700nm透反比8:2，在该波段的平均透过率为80.0001%。其设计曲线如图3-1所示11。该分光膜每个膜层的具体参数见表3-3。图3-1 方案一分光膜的理论设计光谱曲线表3-3 方案一分光膜的理论设计膜层参数膜层1234567材料SIO2TA2O5SIO2TA2O5SIO2TA2O5SIO21/4光学厚度1.65110.19850.43941.25750.97750.25671.0084物理厚度(nm)185.0414.8549.2494.12109.5419.21113.01方案二：采用(HL)4作为基础膜系，优化后的膜系为：Sub|0.7029H 0.3455L 0.7918H 0.6758L 0.6498H 1.1898L 1.1361H 1.2023L|Air，实现600-700nm透反比8:2，在该波段的平均透过率为80.0002%，其设计曲线如图3-2所示。该分光膜每个膜层的具体参数见表3-4。图3-2方案二分光膜的理论设计光谱曲线表3-4 方案二分光膜的理论设计膜层参数膜层12345678材料TA2O5SIO2TA2O5SIO2TA2O5SIO2TA2O5SIO21/4光学厚度0.70290.34550.79180.67580.64981.18981.13611.2023物理厚度(nm)52.6138.7259.2675.7348.63133.3485.03134.74表3-5 方案一和方案二的比较项目膜层数最薄层厚度(nm)平均透过率方案一714.8580.0001%方案二838.7280.0002%如表3-5所示，对比两次分光膜设计可以看出，两种设计都达到了要求的透反8:2分光，虽然方案一所设计的分光膜的膜层数量少于方案二的膜层数量，但是方案一的有一层Ta2O5膜层厚度较薄，经过反复优化物理厚度仍仅14.85nm，在实际镀制过程中不易控制膜厚，容易产生较大的误差，所以选择方案二。3.3增透膜的设计 分束镜的最终透过率应是光束经过分光膜后的透过率和经过第二面的透过率的乘积，因此在第二面镀制增透膜，可以减少能量损失，有效利用激光能量。对于背面增透膜的设计，应用双有效界面法并结合TFCalc膜系设计软件，同时也综合考虑工艺的实现条件，优化得到理想膜系。3.3.1增透膜设计理论增透膜的设计要用到双有效界面法，其原理如下：当光线从折射率为n0的介质入射到折射率为n1介质时，在两种介质的分界面上就会产生光的反射。如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线垂直入射，则反射率R为：如果不考虑吸收，透射率为T=1-R。增透膜的原理就是消除镜片界面的反射。对于一个单层介质薄膜，当进入这层介质膜时，要在膜层内多次反射，并且每次反射都有一部分波透过相应的界面，对各部分求和就可以得到反射波透射波的和振幅。经过求和，和振幅反射系数为： (3-1)和振幅透射系数为： (3-2)这样，单层膜的两个界面就可以用一个等效界面来表示。它的振幅反射系数和振幅透射系数由式(3-1)和式(3-2)得出。而对于多层膜的情况，我们把选定的膜层从膜系中分离出来，整个膜系组合就可以用两个有效界面表示。只考虑单层膜中的多次反射，则对多层膜的特性就可以进行分析，只要求出选定膜层两侧子膜系的反射系数和透射系数即可。假设膜系两侧的介质导纳相同，则透射率T为:则:若已知以及，就可以完全确定多层膜的透射率。透射率表达式也可以写成如下形式：显然，即使膜系两侧的介质有不同的导纳，上式也成立。令：，则：当T=1时，R=0。式中的和只取决于分隔出的上下两子膜系的发射率，而只取决于两分膜系的反射相移及中间层的膜层厚度。只有当和时，整个膜系在该波长处的透过率接近112。3.3.2增透膜设计过程要降低玻璃基片的反射率，我们通常采用的膜系是：先在玻璃上一层沉积高折射系数材料，然后再沉积低折射系数的材料(见图3-3)，高折射率系数材料可以是任何折射系数大于基片或低折射系数材料的电介质材料。图中可看出光线#1和光线#2的反射情况，且它们各自产生了180度和360度的相位差。但是由于光线#3的反射光线是进入低折射系数材料，所以它不会再高折射率材料(H)与基片交界面上发生位相变化。不过，由于它两次通过了1/4波长的膜厚，所以它相对于光线#1也多传播了一个整波长(360度)。因为它与光线#1之间存在180度的相位差，所以它与光线#1发生了相消干涉。而它与光线#2则发生相长干涉。一般来说，对于玻璃、高折射系数材料、低折射系数材料和空气1/4光波膜系而言，它的降低折射率的效果要比单层膜的效果好，也就是增加透射率的效果好于单层膜。通常，用相同的薄膜材料，如果我们在膜系中增加更多的膜层，就可以得到更低的反射率13。图3-3 基片上的双层膜所以在设计增透膜时先选择一个初始膜系结构，初始膜系的选择可根据经验任意给出。根据上述分析，本文的初始膜系定为，其中，H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，G代表基底，A代表空气。根据前面的讨论，低折射率材料选用SiO2。高折射率材料可以选择Ta2O5或者TiO2，考虑到分光膜的设计选用Ta2O5材料，所以为方便镀膜，选用Ta2O5作为高折射率材料。经过反复试验，选用(HL)3作为初始膜系，其中H代表Ta2O5，L代表SiO2。用TFCalc软件进行优化得到理想膜系，其膜系为：Sub|1.0518H 1.2297H 0.9205L 0.4346H 1.5973L|Air。设计曲线如图3-4所示，实现600700nm波段在不考虑背面反射的情况下单面的平均透过率为99.5569%。该增透膜每个膜层的具体参数见表3-5。图3-4 增透膜的理论设计光谱曲线表3-5 增透膜的理论设计膜层参数膜层1234材料TA2O5SIO2TA2O5SIO21/4光学厚度2.28150.92050.43461.5973物理厚度(nm)170.76103.1532.53179.01把分光膜的设计作为前表面，增透膜作为后表面膜层，在TFCalc软件中将环境参数中的出射介质改为空气，这样单纯分析，可以得到所设计分束镜的光谱曲线，如图3-6所示，其在600-700nm波段的平均透过率为79.7100%。由理论曲线可知，该设计满足600-700nm透反分光比8:2的设计要求。图3-6 分束镜的理论设计光谱曲线第4章 分束镜的制备4.1镀膜工艺真空镀膜是在真空条件下，由物理或者化学方法在基片上产生膜层的技术，一般可以采用物理气相沉积(PVD)、化学液相沉积(CLD)化学液相沉积3种技术来制备光学薄膜。在真空室内材料的原子从加热源离析出来打到被镀物体的表面上。物理气相沉积(PVD)工艺可以精确控制膜厚，膜层强度好于CLD工艺的磨层强度，所以常采用PVD工艺。在PVD方法中，根据膜料汽化方式不同，可分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。待系统抽至高真空后，加热坩埚使其中的物质蒸发。蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间(或决定于装料量)，并与源和基片的距离有关。蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比，具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜。本实验分束镜的制备是使用TXX-700型真空镀膜机(如图4-1)完成的。它主要由三大部分组成：真空系统，热蒸发系统和膜层厚度控制系统。该设备的工作环境是温度不得高于40，相对湿度不大于85%，且设备及工作环境必须保持清洁。图4-1 TXX-700型真空镀膜机4.1.1真空简介真空是指压强低于一个大气压的任何气态空间。大于103Pa以上的气体性质与常压差不多；其气流特性一气体之间的碰撞为主，压力在103Pa左右气体开始出现导电现象。101 Pa是一般机械泵能达到的极限真空。 106 Pa为扩散泵能达到的极限真空。在101106 Pa区真空特性以气体分子与容器壁碰撞为主。在超高真空区，气体分子在固体上以吸附停留为主，此时测量和获得的工具与高真空区也不一样。所以，我们一般把气压大于103Pa的成为粗真空；103101 Pa之间的成为低真空；101106 Pa之间的成为高真空；气压小于10-6pa时为超高真空。 真空在薄膜制备中的作用如下：(1)减少蒸发分子和残余气体的碰撞，避免引起蒸发气体运动散乱。(2)抑制蒸发分子和残余气体间之间的反应，以免影响光学薄膜的纯度14。4.1.2电子束加热蒸发热蒸发方法主要有电阻蒸发源蒸镀法、电子束蒸发源蒸镀法、高频感应蒸发源蒸镀法、激光束蒸发源蒸镀法。本文采用电子束蒸发法，电子束蒸发的原理是:金属在高温状态下，它内部的一部分电子获得足够的能量，溢出金属表面，这就是所谓的电子发热。将蒸发材料放入水冷钢坩锅中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。电子束蒸发的优点是可以蒸发糕熔点材料，由于使用了水冷坩埚，电子束蒸发仅发生在被镀材料的表面，因此不会导致坩埚与被镀材料之间的反应与污染，有利于制备纯净的薄膜，由于蒸发时能量密度较大，所以能得到更牢固更致密的膜层15。 依靠电子束轰击蒸发的真空蒸镀技术，根据电子束蒸发源的形式不同，又可分为环形枪，直枪，e型枪和空心阴极电子枪等几种。本实验中所用TXX-700型真空镀膜机配有两个e型电子枪。e型电子枪，即270摄氏度偏转的电子枪，克服了直枪的缺点，是目前用的较多的电子束蒸发源之一。e型电子枪可以产生很多的功率密度，能融化高熔点的金属，产生的蒸发粒子能量高，使膜层和基底结合牢固，成膜的质量较好。缺点使电子枪要求较高的真空度，并需要使用负高压，真空室内要求有查压板，这些造成了设备结构复杂，安全性差，不易维护，造价也较高。电子束蒸发源的优点有：(1)电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。可以将高达3000度以上的材料蒸发，并且能有较高的蒸发速度；(2)由于被蒸发的材料是置于水冷坩锅内，因而可避免容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，这对提高镀膜的纯度极为重要；(3)热量可直接加到蒸镀材料的表面，