（光学工程专业论文）1520nm～1580nm红外减反射膜的制备.pdf

摘要 随着光纤接入网络的快速发展，对光纤传输的光学性能方面提出 了更严格的要求。 本篇论文研究的是在近红外区波长为1 5 2 0 1 5 8 0 n m 范围反射小于 0 2 减反射膜的设计与制备。由于此减反射膜是应用于光纤，要求制备 出的膜层应均匀、牢固、抗腐蚀性好，因此选择膜料、膜系的设计以及 镀制的工艺十分重要。 本文首先详细叙述了无吸收膜料的选择和双层非周期膜系的设计 过程；其次介绍了镀膜机的结构和膜系镀制的工艺。 经多次实验镀制的薄膜经测试其实际剩余反射率曲线与理论曲线 相符，性能达到了技术要求。 关键词：红外减反射膜光纤离子辅助系统 a b s t r a c t t h e r e q u i r e m e n to f t h eo p t i c a lf i b e rd e v i c e sp e r f o r m a n c eh a sb e e n i n c r e a s e da st h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to f a c c e s sn e t w o r k t h ea i mo f t h et h e s i si st od e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f a n t i r e f l e c t i o n c o a t i n gt h a tt h er e f l e c t a n c em u s tb eb e l o w0 2 a t15 2 0 15 8 0 n ma st h e n e a r - i n f r a r e dr a n g e i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc h o o s i n gc o a t i n gm a t e r i a l s ， d e s i g n i n gt h ec o a t i n ga n dm a n u f a c t u r e ，i tb e c a u s et h ec o a t i n gf o rt h eo p t i c a l f i b e r sm u s tb ev e r yf i r ma n dh a st h eh i g ha b r a s i o nr e s i s t a n c e f i r s t l y , m i st h e s i se x p l a i n sh o w t oc h o o s et h en o n a b s o r p t i o nc o a t i n g m a t e r i a l sa n dt h ep r o c e s so f d e s i g n i n gt h ed o u b l e l a y e r sc o a t i n g ；s e c o n d l b t h et h e s i sd e s c r i b e st h es t r u c t u r eo f t h ec o a t e ra n dt h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s s t h er e s u ko fm e a s u r i n gt u r n e do u tt h a tb o t hi d e a lc u r v ea n dt h e p r a c t i c a lc h i v ei sv e r ys i m i l a ra n dg o tt ot h er e q u k e so f t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：i n f r a r e d ，a n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g ，o p t i c a lf i b e r i o ns o u r c e 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，红外减反射膜的制备( 1 5 2 0 一 1 5 8 0 n m ) ) ) 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、 博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：迪 指导导师签名：氇蕉缝 咀年三月翌日 、丝2 年立月丝日 第一章绪论 1 1 研究背景 以激光、红外、微光、光纤、c c d 等现代光电子器件及技术为基础， 由光学、电子、精密机械、计算机技术相结合的光电技术近年来得到了 长足的进步和发展。 互联网和各种先进的数据业务在全球范围内的兴起，使人们对网 络容量的需求出现了爆炸性的增长，满足这一主要途径是扩大光纤通信 网的建设。 光纤可用于大容量，长距离的陆地干线、海底光缆、大城市通信 线路、有线电视线路、屋内通信网线路等。 8 0 年代之后，1 5 5 0 n m 波长窗口的光纤系统所需激光管和检测管等 光器件已能供应，因而开始利用这最低损耗窗口，尤其是9 0 年代开始， 波分多路技术( w d m ) 兴起，掺铒光纤放大器( e d f a ) 成功，单模光纤 波长1 5 5 0 n m 窗口变得越来越重要，大容量、长距离光纤系统只有利用 1 5 5 0 n m 窗口。 g 6 5 5 光纤主要传输窗口在1 5 5 0 n m 以上。 1 9 9 6 年，美国一批新兴的通信网络公司，包括l e v e l 、q u e s t 、 p a t h n e r 、e n r o n 和p f n e t 等，在全美范围内大规模建设光纤网路，其 中p f n e t 网络运营公司，建立了1 5 0 0 0 k m 光纤网，价值2 亿美元，全 部全程采用了朗讯科技的g 6 5 5 真波光纤。近两年来，由于电信业务尤 其是数据业务的发展，干线传输网容量又一次成为新问题，为此电信界 又一次掀起了建设新干线网络的高潮。美国仅新建的国家级干线网络就 有六条，总长度2 0 万k m 以上，并且全部采用g 6 5 5 光纤。美国最大的 电信运营商a t & t 投入巨资修建色散处于正区的“真波光纤”光传输系 统。在越洋海底光缆上，g 6 5 5 更是得到了广泛的应用，其中中美海底 光缆和s e a - m e w e 3 也采用了g 6 5 5 光纤。具统计，1 9 9 8 年美国g 6 5 5 光纤的使用量已在3 0 0 万k m 以上。 在加拿大、欧洲和日本g 6 5 5 光纤也相继得到了开发和应用，如 欧洲著名的g l o b a lc r o s s i n g 公司和v i a t e l 公司、南美的i m p s a t 公司 都采用了朗讯科技的真波光纤。 我国从1 9 9 8 年也开始使用g 6 5 5 光纤，第一条是西安一武汉，接 着是广州一惠州。光纤使用量大约为1 0 万芯k m 。由于全国范围内的连 通干线、省级广播电视网、电力通信网和光纤用户接入网将会有巨大发 展，因此，无论对于长途通信干线还是用户网的d w d m 系统，g 6 5 5 光 纤逐步受到了运营商的青睐，中国电信、中国联通、中国网通等在其骨 干网的建设中纷纷采用。 光纤如此广泛地应用于远程通信照明、图像传输、传感器等领域。 在某些情况下，在光纤端头镀上减反射膜对于提高光在光纤中的传输是 很有必要的，同时又可减少菲涅耳后向反射。例如，在许多情况下需要 把半导体激光器发出的光耦合到光纤中去，但如果有相当一部分从光纤 端反射回激光器中，就会导致激光器的状态不稳定。在光纤端镀上减反 射膜就可以解决这一问题。 由此可见，在光纤端面上镀波长范围为1 5 2 0 1 5 8 0 n m 的减反射膜 有着实际和重要的意义。 1 2 光学薄膜的种类 光电仪器的主要功熊就是利用目标的光学特性进行目标的探测、 图像再现等。目标通过光电仪器到达探测器的可探测和接受的能量的大 小是最为关心的指标。要提高到达探测器的能量，一方面可通过扩大光 电仪器口径，即增大能量通道的方式来实现，另一方面通过减少能量经 过光学系统时在光学零件表面的反射损失的方式来实现。一般情况下， 由于光学系统整体影响，增大口径往往受到很大限制，甚至经常需要减 小口径，以减小光电系统体积。因此，增加能量比较有效的方法就是减 少光线通过光学系统时在玻璃零件表面的反射损失，即利用光在膜的各 表面上的反射光干涉相消的原理使反射光减为最小，即在玻璃表面镀制 减反膜，也叫减反射膜。 由减反膜开始，随着科技水平的发展和进步，又提出了对各种膜 系的新要求，如高反射膜、带通和截止滤光片、渐变滤光片、中性分光 镜、各种功能性薄膜等。由于光电传感器器件制造技术的发展，光电仪 器的光谱范围有紫外、可见光到红外。 在光电仪器上应用的膜层，根据其用途和功能一般分为以下几种： ( 1 ) 减反射膜，主要提高系统能量和探测效率，包括单一波长增透、 宽带增透、超宽带增透； ( 2 ) 分光膜。实现光谱在不同探测通道的分配，包括光谱分光、 能量分光，立方体分光、平板分光： ( 3 ) 反射膜，主要实现能量反射，包括金属反射膜介质反射膜： ( 4 ) 功能性薄膜：包括透明导电膜，复合膜，变色膜，电阻膜， 热反射膜，冷光碗，各种眼镜片膜等。 薄膜产品及器件的应用范围包括：光通讯产品、军用光电产品、 激光与光电子产品、视频光学元件、医用光学及生物与分析仪器产品等， 涉及航空、航天、国防、工业及民用等领域。 2 1 3 光学薄膜工艺技术发展历程 r o b e r tb o y l e 和r o b e r t h o o k 。各自独立发现的“牛顿环”现 象，其实就是现代薄膜光学的萌芽。1 8 0 1 年1 1 月1 2 日，t h o m a sy o u n g 对英国皇家协会发表演讲时，阐述了光的干涉原理：1 8 3 2 年，菲涅耳提 出的反射与折射定律“菲涅耳定律”，是研究薄膜内的干涉问题的 基础知识：1 8 7 3 年，j a m e sc l e r km a x w e l l 的电磁论 问世，至此， 分析薄膜光学问题的全部基本理论完成n ”s ，。 j o s e p hf r a u n h o f e r 于1 8 1 7 年通过浓酸对抛光玻璃表明的蚀刻， 制成了第一批减反射膜：1 8 8 6 年，l o r dr a y l e i g h 在英国皇家协会作报 告时说，经腐蚀的冕玻璃平板，其表面反射率比刚抛光的玻璃板更低， 其原因是在玻璃表明形成了一层薄膜，这层薄膜的折射率比玻璃材料的 折射率低。1 8 9 1 年，d e n n i s t a y l o r 明确宣布，使玻璃表面失泽的薄 膜增加了物镜的透过率。在十九世纪，在薄膜光学领域最有意义的工作 和成绩是1 8 9 9 年制成的f a b r y - p e r o t 干涉仪，它是薄膜滤光片的一种 基本构成形式。 1 9 3 0 年以前，由于当时缺乏实用的真空抽气机，二十世纪初叶发 现的真空蒸镀法并不能作为实际使用的镀膜方法。1 9 3 0 年，l r b u r c h 对扩散泵油的研究工作成果使实用的镀膜用真空抽气机的制造变 成现实。同时，德国的b a u e r 制出了减反射( 增透) 膜，p f u n d 镀制出了 分光镜的高反射膜，与此同时，美国人j o h ns t r o n g 在减反射膜的镀制 方面做了大量的积极的工作。同时，通过实际，人们对硫化锌、二氧化 钛、氟化物等镀膜材料的性能有了一定认识。1 9 3 9 年，6 e f f e k e n 镀出 了第一批金属一介质薄膜滤光片。此后，由于光学仪器制造需求的牵引， 薄膜光学技术有了巨大的进展，近些年来更是突飞猛进。研究膜系的物 理过程和其镀制的工艺过程的技术薄膜光学，已成为现代光学的一 个重要分支。 我们把膜层与基底组成的系统称做膜系，光波在两种介质的界面 上依次反射和透射而产生的多光束干涉的结果决定了薄膜的光学性质， 薄膜的光学性质一般由其反射率特性和透射率特性表征。由于能量守 恒，在薄膜膜层无吸收时，我们只讨论膜层的反射率特性。 光电仪器设计和制造技术的发展推动了光学薄膜工艺技术水平的 提高，反过来，光学薄膜技术的发展又强有力地推动了光学设计水平的 提高，为设计高性能的光电仪器提供了基本技术支持啪】。 1 4 光学薄膜制备技术 目前，常用的光学薄膜的镀制方法基本上有两种：物理镀膜法和化 学镀膜法 物理镀膜法就是在真空条件下，膜层材料在高温融化后快速蒸发 或在高温下升华， 从而在光学零件表面形成光学薄膜的真空镀膜技术。物理镀膜法 包括热蒸发、溅射和离子镀等方法，由于具有光学薄膜质量好，生产效 率高，适用范围广等特点，它日益成为光学薄膜镀制技术中的主要方法。 化学气相沉积镀膜技术是通过膜层材料在气相中进行化学反应， 把反应生成物淀积在光学零件表面形成光学薄膜。 利用真空镀膜技术要获得膜层，当然离不开真空镀膜机。真空镀 膜机一般由真空系统、真空室、蒸发装置、电气控制系统及膜厚测量控 制系统等几个主要部分组成。 真空系统包括真空获得设备及真空测量仪器。真空在薄膜制备中 主要有两方面的作用，即减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞，并且抑 制它们之间的反应。真空泵是获得真空的关键设备，典型的真空泵包括 机械泵，分子泵、罗茨泵、油扩散泵、冷凝泵等。真空计按原理和结构 的不同可以分成许多种，主要是热真空计和电离真空计“1 。 在膜层的镀制过程中，影响膜层质量要的工艺因素很多，因此， 要对工艺参数进行控制和监测。 膜层的光学性质指它的光谱特性，主要包括透射率和反射率，吸 收率和散射率：膜层的力学性质指膜层的附着力和硬度以及膜层的应 力。 薄膜的制备是一个涉及到许多学科的复杂的过程，受到不同材料、 不同工艺及一些意想不到的突发因素的影响。它是通过将大块蒸发或溅 射，最后在基板表面凝结而得到的。在制备过程中，各种因素相互作用， 相互影响，致使膜层性质产生很大差异。影响的主要工艺因素包括：基 板的处理，制备参数，材料蒸发的入射角及老化处理。 膜层是直接淀积在基板上，因此，基板的清洁无疑是至关重要的。 镀膜前，必须对基体进行仔细清洗，根据不同的基体材料和要求，可以 采取不同的清洗方法。清洗方法主要有酸洗、洗涤剂、有机溶剂和超声 波等。在基板放入真空室后，清洁的最后一个环节是离子轰击。离子轰 击结束后，应尽快镀膜。来自机械泵和扩散泵的油蒸汽会对真空室里的 基板造成重新污染，因此，随着轰击到蒸镀时间间隔增加，轰击效果迅 速退化。 在具体在膜层制备过程中，基板温度、蒸发速率和真空度是三个 重要的制备参数。 在高温度的基板上，吸附在基板表面的残余气体分子减少，从而 增加膜层在基板上的附着力。水分子的吸附分为物理吸附和化学吸附： 4 高温会促使物理吸附向化学吸附转化，增加分子之间的相互作用力，使 膜层机械强度增加。基板温度升高，减少了膜料蒸汽分子再结晶温度与 基板温度之差，从而可有效减小膜层内应力。提高基板温度还可促进淀 积分子与残余气体分子的化学反应，改变膜层的结晶结构，改变膜层的 光学性能，特别是氧化物，当温度从室温增加到3 0 0 折射率可增加。 但基板温度也不能过高，必须适当。对一些低熔点的氧化物或金属材料， 温度尤其不能过高或不加温，否则，会使散射增大。 膜层材料的蒸发淀积速率较低时，膜层结构松散：反之，淀积速率 提高，结构较紧密。在具体选择淀积速率时，视不同材料而定。淀积速 率的提高可通过提高蒸发源的温度或增大蒸发面积来实现。 真空度也是一个重要因素。真空度的影响主要有二个方面：足够高 的真空度能增加膜层牢固度：尽可能高的真空度能保证金属膜和半导体 膜的纯度：对氧化物和炭化物，真空度影响较大，相对来说，对硫化物 和氟化物的影响就不太强烈。 当然，上面三个参数并不是独立的，它们中间存在着相互制约作 用。既要选择适当的工艺参数，又要在镀制过程中使参数尽量保持恒定。 对制备参数要进行监测，当然有专门的控制和监测仪器和设备。 现代镀制技术要控制较多参数来满足复杂高要求的光学膜层的需 要。对薄膜材料，基底材料的研究，对膜厚的理论分布的研究到改善均 匀性的措施及均匀性的测量，薄膜厚度的测量监控，薄膜的光学性质及 测量，薄膜的力学性质及检测等，正在进行这些方面的工作。 镀膜不但要求真空镀膜杌上具有各种控制仪器和成膜手段，而且 各种控制仪器必须与真空室有确定不变的几何位置，镀膜机己发展成为 与计算机相结合的具有按给定程序控制镀膜过程功能的全自动镀膜机： 抽真空，基底加热，离子轰击，蒸发速率控制，膜厚测量，达到预期厚 度时自动关闭档板等。新器件新技术使的光学薄膜的光学性能和机械性 能，可重复性，成品率，生产率都得到显著提高 “ 【。 1 5 本领域国内外情况对比分析 1 5 1 本领域国外的装备与先进制造工艺技术发展现状与趋势 国外设备基本是全自动高精度镀膜机，代表性的有专业的光学镀 膜设备l e y b o l do p t i c s 系列，如s y r u si i ，c c si i ，s y r u s p r oa p s l l 0 4 。 d y n a m e t4 v ，d y n a m e t3 h 等镀膜设备，美国t e l e m a r k 公司、丹顿真空 ( d e n t o nv a c u u m ) ，v e e c o 高级镀膜机，韩国( 株) u n i v a c 系列，韩一 真空机械( h a n i l ) 、日本o p t o r u n 镀膜设备。 国外主要产品实现了设备制造中心、设备工艺服务中心、设备操 作者、工艺工程师之间通过网络连接，可进行远程操作、监控、工艺技 术交流与共享。由于工艺技术与设备制造的紧密合作，设备制造商从膜 层设计阶段就可向用户提供多方面的服务支持。具有设备模块化、系列 化发展特点。国际上主要致力于精确而实用的光学膜厚监控系统与晶体 膜厚监控系统研究与开发。 另外，在国际上离子工艺技术在光学镀膜工艺上已大量应用。离 子辅助沉积技术应用最普遍。等离子体反应镀膜技术、等离子反应溅射 技术、离子束溅射技术、低压反应离子镀技术等将会得到更多的应用： 激光反应镀膜技术也将受到重视”，。 目前，在工艺参数的精确控制与误差自动修补技术研究方面还有许 多工作可做。具体包括真空度、基底温度、镀膜材料蒸发参数、材料折 射率的控制及其稳定性、任意膜层厚度的精确控制技术等。 国际上，无温漂、环境适应性好的高质量膜层镀制工艺技术研究 方兴未艾。 1 5 2 本领域国内的装备与先进制造工艺技术发展现状与趋势 国内装备大多以国产镀膜机为主，最近几年由于光通讯领域的需 求牵引也引进了一定数量的进口高级镀膜机。国产设备以手动操作为 主，自动化程度不高，故障率较高。 国内镀膜技术以传统的热蒸发镀膜工艺为主，技术上以镀制常规 膜层为主。随着近几年国外先进设备的g l 进，工艺上有与国际先进方法 接轨的趋势。也在仿制国外镀膜设备，但其性能差距巨大。同时也在进 行离子辅助工艺的研制与设备及技术开发。在薄膜性能测试手段上，国 内的设备局限性较大，性能差，精度低。 目前，在薄膜材料、制备参数自动控制技术、膜厚监控技术、特 性评价与检测技术、薄膜应用开发研究等领域都在做工作。 由于整个国家工业基础、制造业、元器件生产水平的差距，在设 备制造上，国产设备以手动操作为主，自动化程度不高，性能较差，膜 厚控制精度低，故障率高，价格低。国际上的镀膜机具有全自动化功能， 控制精度高，工艺性好，具有高的可靠性，运行性能稳定，有强大软件 支持，可在镀膜工艺过程中对膜层性能进行在线检测，对误差进行计算 和修正。 国外的镀膜设备生产厂家有自己的镀膜工艺实验室，通过自己的 工艺技术研究对设备性能进行改进和提高，反过来高性能的设备又为工 艺技术研究提供强有力的硬件支撑。国内设备生产厂家自身对镀膜工艺 不太了解，缺少镀膜工艺技术人员与设备生产厂家的合作，工艺设备缺 陷较多，工艺性、稳定性差，使用上总感觉到有些不尽如人意。 工艺技术上，国内缺乏自主创新和开发能力。由于在制造工艺技术 领域，工艺和设备是密不可分的，因此，目前国内的设备较难满足镀膜 工艺技术发展的要求。由于缺少明确的需求，国内工艺技术研发基本上 是跟在国外工艺的后面。 在离子辅助技术方面、在等离子体源应用方面、低压反应离子镀 技术方面、在测厚系统及实时监控系统技术上，目前国际上有着较大领 先有势“0 1 。 由于国内工艺设备水平的限制，工艺研发手段受到很大影响。国外 的研发条件在设备制造领域、工艺研究领域和产业领域都己形成了好的 配套能力，即以研究所和大学为主体的基础研究和新产品开发、以企业 为主体的生产的配套能力。 国内近些年来引进了数量较多的国外先进镀膜设备使得研发手段 和条件得到了迅速改善，但另方面，这些引进设备大多分布在一些公 司、工厂企业，他们基本上根据自己企业的产品要求进行产业化生产， 在整个行业上缺乏协调和合作，研发条件小而全、大而全，低水平投入 的情况较多。特别是由于利益原因，在社会资源充分利用方面还存在保 护主义，甚至保守、封闭o n 1 】 州。 1 6 本课题主要工作 本篇论文研究的是在近红外区波长为1 5 2 0 1 5 8 0 n m 范围反射小于 0 2 减反射膜的设计与制备。由于此减反射膜是应用于光纤，要求制备 出的膜层应均匀、牢固、抗腐蚀性好，因此膜料的选择尤为重要，在所 选膜料的基础上进行膜系的设计，并将几种方案进行分析比较，选择最 优的方案进行操作。因为是工艺的研制，所以镀制的工艺过程十分重要， 本论文在实际的镀膜过程中做了大量的工作，最终得以实现理论设计的 曲线。 本文首先详细叙述了无吸收膜料的选择和双层非周期膜系的设计 过程；其次介绍了镀膜机的结构和膜系镀制的工艺。其创新之处在于， 红外波段无吸收膜层材料的选择与镀制。 7 第二章减反射膜系设计 光学薄膜是一门综合性的技术科学。它包括以电磁场理论和物理光 学为基础的薄膜光学理论，以物理气相沉积为代表的成膜技术，它涉及 真空设备、镀膜材料、制备参数自动控制技术、膜厚自动监控技术、特 性评价与检测技术、薄膜应用开发技术等等。 众所周知，一束光由一介质进入另一介质时，在界面上将发生反射 和折射，反射的大小与入射角和入射介质与折射介质的折射率的比值有 关。假设光线从折射率为的介质射入折射率为，z i 的另一介质时，如果 介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率： r ：( 墅丑) ： + q 透射率t = 1 一r 。 2 1 未镀减反射膜情况分析 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 当激光从空气中射入光纤中时，r = ( 兰； 等) 2zo 0 4 2 ，波长范 1 0 十1 ) 二 围1 5 2 0 1 5 8 0 n m ，其中空气折射率n o = 1 0 ，k 9 玻璃( 注：实际光纤 的材料为石英，折射率约为1 4 8 5 ，由于实验室条件所限，用折射率近 似的k 。玻璃作为测试样品) 的折射率鸭= 1 5 2 。即反射率约为4 2 “1 。 这种光纤端面的反射会使光波在光纤中传输时带来一定的光能损耗。所 以在光纤端面镀光学薄膜来消除或降低反射光损耗是必要的。 由上述计算未镀薄膜时通过计算机模拟反射率曲线如下图2 1 所 示： , m l1 啊i s i s1 5 3 1 - s 柚i s s ii 5 1 1 1 5 蛐】1 5 1 31 一 图2 1 未镀膜时反射率r 曲线 因此，为了减少表面反射光，最简单的途径是在光纤端面镀上一层 低折射率的薄膜即结构最简单的单层膜“2 1 。 2 2 镀单层膜情况分析 见下图2 2 单层减反射膜的矢量图。膜有两个界面就有两个矢量， 每一个矢量表示在一个界面上的振幅反射系数。如果膜层的折射率低于 基底的折射率，则在每一个界面上的反射系数： ，：堡二堡 4 胛o + 碍 ，n - 一” 0 2 币1i - w 2 都为负值，这表明相位变化为1 8 0 。m 1 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 合矢量的轨迹为一圆周。但膜层的位相厚度为9 0 。时，即膜层的光 学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的方向完全相反，合矢量 便有最小值。若矢量的模相等，则对该波长，两个矢量将完全抵消，于 是就可出现零反射率“1 。 名，妒一 2 a 、 、 二 ，7 一、 7、 图2 2 单层减反射膜的矢量图 9 2 知嚣= 焉鬻。i 饥- n = 9 1 1 21 n o + 惕碍+ ql + 门2 啊 所以要求旦n o2 詈或砰2 也。 ( 2 5 ) 因此，要得到零反射率，必须满足的条件是：膜层的光学厚度为波 长的四分之一，其折射率为基底和入射媒质折射率相乘积的平方根。 由此可得对于光纤，从空气中垂直入射，消除反射的薄膜折射率 喝= 甩。= 1 o 1 5 2 = 1 2 3 。然而在实际情况中很难找到一种材料满 足这种要求，一般情况下常常选用氟化镁( m g f z ) 作减反射膜的材料， 它的折射率在1 5 5 0 n m 处约为1 3 5 9 。 利用特征矩阵法： 刚三i s i n 磊6 1 川) - 1 仲燃差 磊= 等q 碣c o s 妒= 号( m 一= 号，垂直入射c o s 妒= 1 ) 因此，组合导纳 ，r = 丢= 鲁 肚l n o + _ y ，、| z = n o - # n , ) 2 ( z 6 ) 所以当在光纤端面镀单层肋觋，啊= 1 3 5 9 ( 1 5 5 0 h m 处) ， n o = 1 0 ，吃= 1 5 2 ，由上式得最低反射率 尺= ( 谳2j 2 = ( 端) 2 一o 4 ，i l l j r = 0 9 4 见下图2 3 镀单层肋窑时通过计算机模拟反射率曲线，可知达不到 存波长1 5 2 0 1 5 8 0 r i m 范闱内r 02 的尊求 1 0 k h 、 、 1 4 6 81 5 0 91 5 1 915 3 01 5 4 01 5 5 1 1 5 6 11 5 7 2i 5 8 31 5 9 3 1 8 0 4 i n 嘲 图2 3 镀单层懈时通过计算机模拟反射率曲线 2 3 设计双层膜系 上述单层减反射膜虽然使表面的反射率降低，但是剩余反射率还显 得太高，不能达到要求，因此考虑多层减反射膜。 因为增透波长要求1 5 2 0 1 5 8 0 n m ，增透区只有6 0 h m ，带宽很窄接 近于单点反射。以下我们用矢量作图法和矩阵法来设计满足要求的非周 期性双层减反射膜。 非周期性膜系又称非州4 规整膜系，设计这种膜系的优点在于可以 先根据实际情况选定材料，再计算出满足要求的膜层厚度5 州“。 2 3 1 膜料选择 首先我们来确定薄膜材料。 目前可用作薄膜材料的化合物或元素不下百余种，这些材料可适用 于不同的光学波段以满足不同的设计要求。但是就其光学性质、力学性 质、化学稳定性以及热稳定性全面考虑，比较适用的材料并不多，特别 是适用于激光薄膜的材料更少。目前在光学薄膜中用得比较多的是氧化 物、氟化物、硫化物、半导体材料以及金、银、铝、铬、铂等少数金属 材料。 一般来说，能做薄膜材料的要求如下： ( 1 ) 适宜的透明范围，在应用波段没有光吸收。 ( 2 ) 适宜的折射率，良好的光学稳定性。 x=|“枷：3柚似： r ( 3 ) 良好的化学稳定性和真空热稳定性。 ( 4 ) 力学性能好，内应力低，机械强度高。 ( 5 ) 不潮解，不吸湿。 ( 6 ) 与基底结合性能好，多层膜中要考虑材料之间的结合力。 ( 7 ) 在真空中放气量少，不存在挥发性物质。 ( 8 ) 杂质含量低，不允许存在有吸收的杂质。 ( 9 ) 有适宜的蒸发源进行蒸发。 ( 1 0 ) 制备方便，价格低廉。“1 氟化镁( m g f 2 ) ：它是薄膜制备中用得最多的材料，分子量6 2 3 l ， 密度2 9 3 2 ，熔点1 3 9 5 0 c ，沸点2 2 3 9 0 c ，在l o - 4 t o r r 真空度时的 蒸发温度为1 5 4 0 。c 可用钨、钼、铂舟加热蒸发，也可用4 厶n 坩埚或 电子束加热蒸发。它在五= 5 5 0 n m 处折射率为1 3 8 ，长波折射率值稍 有降低，在五= 1 5 5 0 n m 处折射率约为1 3 5 9 。透明区为0 2 1 , o n 1 0 旧n 。 它常与历s 和c e o ，等组合。 硫化锌( z 心) ：它是用于可见区和红外的一种重要材料。分子量 9 7 4 4 ，密度4 0 9 ，熔点1 8 3 0 。c ，在l o - 4 t o r r 真空度时的蒸发温度为 1 2 0 0 。c ( 升华) 。可用钨、钼舟加热蒸发，也可用石英蚶埚加热蒸发， 用电子束加热蒸发效果良好。它在可见光区的折射率为2 3 2 6 。 五= 5 5 0 n m 处折射率为2 3 5 ，a = 1 5 5 0 n m 处折射率约为2 2 4 6 。透明 区为03 8 z m 一1 4 u n 。它常与低折射率的氟化物组合。 二氧化锆( z r o ，) ：它具有较高的折射率，易于蒸发得到低吸收 的薄膜，而且膜层十分牢固稳定。分子量1 2 3 2 2 ，密度5 4 9 ，熔点 2 7 0 0 。c ，沸点4 3 0 0 0 c ，在1 0 4 t o r r 真空度时的蒸发温度为2 2 0 0 0 c 。 可用钼舟加热蒸发，用电子束加热蒸发效果良好。a = 5 5 0 n m 处折射 率为2 1 ，a = 1 5 5 0 n m 处折射率约为2 0 3 1 。透明区为0 3 , o n 1 2 f 册。 二氧化钛( t i 0 ，) ：薄膜折射率高，牢固稳定，在可见和近红外区 透明，透明区为o 3 5 n 1 2 z m ，分子量7 9 8 8 ，密度4 2 9 ，熔点 1 8 5 0 。c ，在1 0 。4 t o r r 真空度时的蒸发温度为2 2 0 0 。c 。可用钨、钼舟 加热蒸发，用电子束加热蒸发效果良好。膜层机械性能及牢，在潮湿 的环境中也不腐蚀，抗酸，抗碱，是良好的硬膜材料。a = 1 5 5 0 n m 处 t = 2 5 0 0 c 在离子源辅助下折射率可达到2 5 。 二氧化硅( s i o ，) ：它是唯一例外的分解很小的低折射率氧化物 材料，其折射率在旯= 1 5 5 0 n m 处约为1 4 4 5 。透明区从红外一直延伸 到紫外( 02 ，删8 o n ) 。可用电子束加热蒸发。它的光吸收很小，膜 1 2 层牢固，耐磨，抗腐蚀，结构精细，而且保护能力强。应用很广泛嘲【1 6 【1 7 】【1 9 】 】 由此可见，上述几种材料均可应用于要求的膜系设计。 2 3 2 方案a ：z r 0 2 与s i o ：相匹配的膜系 ( 1 ) 矢量作图法 膜系如图2 4 所示，设空气折射率= 1 0 ，s i o ：的折射率 啊= 1 4 4 5 ，z r 0 2 的折射率他= 2 0 3 1 ，( 九= 1 5 5 0 n t o ) 基底鼠的折射 率= 1 5 2 。 空气，? = 1 0 所d 1 ，i = 1 4 4 5 z 口i 地= 2 ，0 3 l 基底7 = 1 5 2 图2 4 膜系示意图 = 糟= 鲁10 篙14 4 5 川m 泓哦 + 鸭 + 铲喝r t i + - 7 2 = 瓦1 4 4 丽5 - 2 0 3 1 = _ o 1 6 8 5 8 4 5 8 ； 。 飓+ 埔1 4 4 5 + 2 0 3 1 。一 r 3 ：n 2 - - , g ：2 0 = = 3 1 - 1 5 2 ：0 1 4 3 9 0 31 2 6 。 玛+ 栉。 2 0 3 1 + 1 5 2 将，吒、的数值都扩大1 0 0 倍，则 r t = 一1 8 2 0 0 4 0 9 ： r z = 一1 6 8 5 8 4 5 8 ： r 3 = 1 4 3 9 0 3 1 2 6 。 如图2 5 所示，画绝对值为1 8 2 0 0 4 0 9 单位长度的直线段，以右 端点为圆心，绝对值为1 6 8 5 8 4 5 8 单位长度的直线段，2 为半径画圆。再 以左端点为圆心，绝对值为1 4 3 9 0 3 1 2 6 单位长度的直线段为半径 画圆，两圆相交于两点。就可以确定，2 和的位置。因为有两个交点， 所以膜系有两种情况。 一、 一一一、0 瓷 1 、 ? ，| i ； 。j ， ， 、 i嵋，i ie 一i 一 ： 蛩7 、 ，。 ，h? 一j 、，。 图2 5 矢量图 分别平移两种情况下的矢量于坐标系中。 则第一种情况如图2 6 弋劣 。j ，最= ，r q 9 图2 6 矢量作图法的第一种情况 1 4 量得j 2 42 1 3 j j 瓯= 6 6 。 1 2 正= 2 8 9 。i 瓦= 1 4 4 5 0 第二种情况如图2 7 厂 2 2 8 。 l ， ，i 么文 一 图2 7 矢量作图法的第二种情况 量得2 磊5 2 2 j j4 = 1 1 4 。 【2 6 22 7 1 ”【疋= 3 5 5 0 比较两种情况下的位相差磊和龟可知，第二种情况的位相差五和民 要比第一种情况下的小。在同样都满足技术要求的情况下，位相差点和 疋小即膜层较薄，不容易龟裂和脱落。所以我们选择第二种情况的膜系。 4 = 等qc o s 司 由42 1 1 4 。 j 碣：1 2 6 6 6 6 6 7 l ； 五= 1 5 5 0 n m j c o s 妒2 1i 同理可得吃= 0 3 9 4 4 4 4 h 。 即此膜系为基底j z ，d 2 | d 2 l 空气 1 5 2 io 3 9 4 4 4 4 月l1 2 6 6 6 6 6 7 lf 1 0 此膜系通过计算机模拟反射率曲线如图2 8 所示。 r s 五 弋 ? z 一 弋， 少 1 5 0 91 5 1 5 1 5 2 81 5 3 81 5 4 81 5 5 51 5 6 81 5 7 71 5 8 71 5 9 71 6 0 7 i n m l 图2 8 镀由矢量作图法计算出的确至，d 2 一所0 2 膜系通过计算机模拟反射率曲线 可见此膜系达到在波长1 5 2 0 1 5 8 0 n m 范围内r y 1 5 0 81 5 1 91 5 2 91 5 3 9 1 8 4 91 5 5 9 1 5 6 9 1 5 7 91 5 8 9 1 6 0 0 1 6 1 0 i n n d 图2 - 1 0 镀由矩阵法计算出的z ，d 一懒膜系通过计算机模拟反射率曲线 此膜系通过计算机模拟计算数据如下： m e r i tf u n c t i o nv a l u ei s ( 10 0 0 0 0 0 i 埔es t r u c t u r ei s s u b ：n ( 1 5 2 0 ，- 0 0 0 0 i 1 1 l ：f r e e ：n ( 2 2 4 6 一0 0 0 0 it h i c k 7 8 5 7 9 l 1 2 ) ：f r e e ：n i l 3 5 9 ，一0 0 0 0 】t h i c k ( 4 9 4 8 3 6 l m e d i a ：n ( 1 0 0 0 ，- 0 0 0 0 i c c n t r a lw a v e l e n g t hi s ：15 5 0 0n m 2 3 4 方案c ：乃0 2 莆f l s i 0 2 相匹配的膜系 所d 2 的折射率玛= 1 4 4 5 ( 凡= 1 5 5 0 h m ) ，t i 0 2 的折射率= 2 5 ( 凡= 1 5 5 0 n m ，t = 2 5 0 。c ，离子源辅助) 矧 膜系为基底i 1 5 2 l 0 2 1 7 觋8 4 0 5 8 9 h | 1 野0 2l 空气 1 3 3 6 1 6 6 2 lf1 0 此膜系通过计算机模拟反射率曲线如图2 1 l 所示。 1 9 峨 一r手_ 。董j 一? l 霉 丁 z ，。 z 量 1 5 0 31 5 1 31 5 2 3 1 5 3 31 5 4 31 5 5 3 1 5 6 31 5 7 31 5 6 31 5 9 31 6 0 4 【n l n i 图2 1 1 乃0 2 一s 0 2 膜系通过计算机模拟反射率曲线 此膜系通过计算机模拟计算数据如下； m e r i tf u n c t i o nv a l u ei s p0 0 0 0 0 m t h cs t r u c t u r cj o s u b ：n 1 。5 2 0 ，- 0 。o o o l 1 1 l ：f r e e ：n ( 2 5 0 0 一0 叫哪t h i c k l 8 4 4 13 l 1 2 ) ：f r c e ：n ( 1 4 4 5 一0 0 0 哪t h i c k 5 17 7 6 4 l m e d l a ：n 1 0 0 0 , - 0 0 0 0 1 c e n t r a lw a v e l e n g t hi s ：15 5 0 0a m c o l o ro r d i n a t ex = o 0 0 0 0 0 0y = o 0 0 0 0 0 0z = o 0 0 0 0 0 0 2 3 5 确定方寨 比较三种方案。 首先，就上述列出的图表数据能看出三种方案都能满足要求，膜系 反射率和透射率曲线方案b ：z n s 和m g f ：相匹配的膜系最佳，方案a ： z r o ：与盛d 2 相匹配的膜系次之，方案c ：t i o ：和彤d 相匹配的膜系不 如方案a 与方案b 。但由计算机模拟计算数据看出方案b 与方案c 的第 一层低折射率层光学厚度在l o o n m 以下，在镀制薄膜时用光学控制方法 不容易控制。而方案a 的第一层低折射率层光学厚度约为1 5 0 r 皿，用 a = 6 0 0 h m 的2 4 极值法光控镀制较容易实现“1 。 其次，方案b 中，由于螂膜具有很高的张应力( i o o n m 厚度时为 懈 3 0 0 0 0 5 0 0 0 0 n c m 2 ) ，所以在室温下镀制m g f 2 一z ，心时非常容易破 裂。因此镀制过程中需要加温。当基底温度达到2 5 0 。c 3 0 0 。c 以上时， m g f 2 膜层较硬，否则它会形成软膜，擦拭容易掉膜。而另方面，z n s 在蒸发时会分解成历和s ，但是在凝结的过程中，勐和s 又重新化合， 所以仍能得到化学成分与初始材料近似一致的膜层。可是在常规的蒸发 速率下，当基底温度为3 0 0 0 c 以上时，z 硝就停止凝结。由此可见，在 镀制此膜系过程中温度不容易控制。若镀制过程中加温会影响与光纤连 接的电子器件的性能，所以镀制过程只能在室温下进行。因此，方案b 不适合本课题研制。 在方案c 中，由于力o 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乃。0 5 。( 甩= 4 ，5 1 0 ) ，如巩q 、乃，a 、 乃2 d 等。 所以，综上所述，我们选择方案a ：z r o ，与盛a 相匹配的膜系： z r 0 2 i s i 0 2 l 空气 0 ，3 8 9 9 3 3 h i 1 2 6 2 3 1 4 l l 1 0 2 1 第三章镀膜设备 我们把压强低于大气压的稀薄气体所在的空间叫做真空空间。对薄 膜进行真空淀积，首先需要一个具备一定真空度的真空室。因为在真空 状态下，可以在成膜过程中减少空气对薄膜的影响。首先在一般的大气 条件下，空气分子可以传导热量，使热量散失。而在真空条件下，减少 了热传导，这样就有利于介质薄膜在基底上的淀积。同时也容易控制薄 膜的化学成分，例如有一些物质在大气条件下容易被氧化，而在真空条 件下则大大减少了氧化的可能性”1 。有时我们在一些工艺中又需要在真 空中充以某些气体( 如纯氧、离氧、氦气等) 以便更精确地控制薄膜的 化学成分。其次，在真空条件下，工作可以建立一个清洁的空间，使其 在空间剩余的气体分子同蒸发源间的化学作用可以忽略，从而延长了蒸 发源的使用寿命。再次，在真空条件下可以减少气体分子对蒸发物质分 子的碰撞，可使蒸发物质在蒸发过程中不被污染。 真空度用压强的数值来表示，常用“帕”为单位。 l 帕= ( 1 毫米汞柱) 1 3 3( 3 1 ) 而一个标准大气压等于7 6 0 毫米汞柱，那么一个大气压就等于 1 0 1 3 0 8 帕，即： l 帕= ( 1 1 0 1 3 0 s ) 标准大气压 ( 3 2 ) 从数值上看，“帕”的数值越大说明真空度越低，反之，真空度就 越高。压强在1 0 。1 帕的真空度为低真空，压强在1 0 一一1 0 。帕的真空度 为高真空，压强在1 0 4 一l o - 9 帕的真空范围为超高真空。目前光学镀膜 要求必须在高真空范围内进行。 用来进彳亍真空镀膜的设备称为真空镀膜机。7 0 0 箱式真空镀膜机 t x x 7 0 0 2 型镀膜机如图3 1 所示，它由以下几部分组成： 图3 1 真空镀膜机示意图 l 一机械泵2 一机械泵放气阀3 一预阀4 一低阀 5 一热偶真空规6 一高真空阀7 一扩散泵8 一电离真空规 9 一真空室放气阀1 0 - 真空室l l 一蒸发源1 2 一基片夹具 3 1 镀膜真空室 ( 1 ) 真空室箱体 真空室箱体