（光学工程专业论文）可见与红外双波段增透膜的研究与制备.pdf

摘要 根据军用光学仪器的使用要求，在多光谱z n s 基底上，可见与近红外波段4 0 0 - - - 1 0 0 0 n m 及远红外波段7 1 1 l x m ，镀制增透膜，要求平均透射率大于9 0 。采用电子束 真空镀膜的方法并加以离子辅助沉积系统，通过选择z n s 和y b f 3 作为高低折射率材料， 利用最新o p t i l a y e r 软件三大模块的功能辅助，调整镀膜工艺参数，改进监控方法，减 少膜厚控制误差，在多光谱z n s 基底上成功镀制符合使用要求的增透膜。所镀膜层在 可见与近红外波段4 0 0 - - - 1 0 0 0 n m 的平均透射率大于9 1 ，远红外波段7 11g m 的平均 透射率大于9 0 ，能够承受恶劣的环境测试，完全满足军用光学仪器的使用要求。 关键字：光学薄膜双波段增透膜真空镀膜离子辅助沉积 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h em i l i t a r y i n s t r u m e n t s o p e r a t i n gr e q u i r e m e n t s w ed e p o s i ta r c o a t i n go nt h es u b s t r a t eo fz n sa t4 0 0 10 0 0 r i m ( v i s i b l ea n dn e a ri n f r a r e db a n d ) a n d7 1 1r u n ( f a ri n f r a r e db a n d ) ，i tr e q u i r e saa v e r a g et r a n s m i t t a n c eo v e r9 0 w ea d o p te l e c t r o n i c b e a m i n gv a c u u md e p o s i t i n gm e t h o dw i t ht h ea i do fi o na s s i s t a n td e p o s i t i o ns y s t e m sa sw e l l a sc h o s ez n sa st h em a t e r i a lo fh i g hr e f r a c t i v ei n d e xa n dy b f 3a st h em a t e r i a lo fl o w r e f r a c t i v ei n d e x u s i n gt h r e em o d u l a rp r o c e s s i n gs y s t e m so ft h el a t e s to p t il a y e rs o f t w a r ea s a s s i s t a n c e ，o p t i m i z i n g t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，a n di m p r o v i n gm o n i t o rm e t h o d ，r e d u c i n g t h i c k n e s se r r o r ，w eh a v ed e p o s i t e da rc o a t i n go nt h es u b s t r a t eo fz n st oa c h i e v et h e r e q u i r e m e n t s t h ea v e r a g et r a n s m i t t a n c ee x c e e d s91 t h r o u g h4 0 0 n m 一10 0 0 n mw a v e l e n g t h m o r e o v e r , i tm a k e st h et r a n s m i t t a n c eo v e r9 0 t h r o u g h7 lll x mw a v e l e n g t h i na d d i t i o n ， t h ef i l mc a nr e s i s th a r s he n v i r o n m e n ta n dc o m p l e t e l ym e e tt h ed e m a n d so fm i l i t a r yo p t i c a l i n s t r u m e n t s k e yw o r d s ：o p t i c a lt h i nf i l m d u a l - b a n da rc o a t i n gv a c u u l x lc o a t i n gi o na s s i s t a n t d e p o s i t i o n ( 1 a d ) 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，可见与红外双波段增透膜的研究 与制备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已经发表或撰写过的 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。 作者签名：量月三碉 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中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它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： 指导导师签名： 年曼月塑日 年上月也日 第一章绪论 1 1 光学薄膜的发展概述 经过了最近二百年来人类的努力，光学薄膜已经成为现代光学的重要组成部分。 现在，人们都认识到没有光学薄膜，就没有现代的光学仪器。 在这二百多年的发展过程中，光学薄膜已经建立了一整套完整的光学理论薄 膜光学，发展了自成体系的膜系设计方法，设计并制造了各类光学薄膜，如增透膜， 分光膜，反射膜，截至滤光片和带通滤光片等，并且开始形成自己的产业。 回顾历史，薄膜光学最早的萌芽是1 7 世纪“牛顿环”的发现，但用_ i 涉原理对牛 顿环做出科学解释要晚1 5 0 年，即1 8 0 1 年杨( y o u n g ) 在世界上第一次阐述光的干涉 原理之后这种现象才得到圆满的解释。薄膜光学真正的起步应该从1 8 1 7 年夫琅和费 ( f r a u n h o f e r ) 用酸蚀法【i l 在世界上制得第一批增透膜和1 8 9 9 年出现的法伟晕一珀珞 ( f a b r y p e r o t ) 标准具算起，法布里一珀珞标准具是带通滤光片的基本结构。 1 8 7 3 年，麦克斯韦的巨著“论电与磁”出版，该书从理论上和本质上证明了光波 是电磁波，为波动光学的发展，亦为薄膜光学的发展奠定了理论基础。 但是直到1 9 世纪末，人们都没有找到实际解决制造各种薄膜的工艺方法和膜系计 算分析手段，因此在2 0 世纪以前是薄膜光学的早期发展阶段。 1 9 3 0 年油扩散泵的出现使得工业制造各种薄膜成为可能，接着在试验室制造出单 层反射膜，增透膜，分光膜和金属的法布罩一珀珞干涉滤光片。 在上述实际工作的推动下，从4 0 年代开始，薄膜光学进入全面发展时期，相继出 现了各种薄膜光学理论和膜系计算方法。到了6 0 年代，激光、空间技术和光谱技术的 飞速发展和电子计算机的推广应用，推动了光学薄膜的飞速发展。 时至今日，薄膜在现代科学技术中的重要性与同俱增。可以毫不夸张地说，各种 科学技术离不开薄膜，而且也没有一种别的技术可以取代薄膜。没有薄膜的发展，很 难设想许多复杂的、高性能的光学、光电和电子学系统能够得以实现。 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1 2 j 。 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。 随着相关技术的发展，人们把注意力放在了薄膜工艺及设备的丌发研制上。 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 d o 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 o ，a 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。 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引进，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丌发。 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。 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。 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 2 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。 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已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。 1 2 论文研究背景及内容 大气光通信，是指以大气为传输介质的光通信技术。早在18 8 0 年6 月，著名的 a l e x a n d e rg r a h a mb e l l 通过他的新发明光电话( p h o t o p h o n e ) ，首次实现了无线光通 信，通信距离为6 0 0 英尺。试验使用两面镜子分别作为发送器和接收器。声音被转换 成镜面的振动，通过反射太阳光耦合到另一面镜子，然后将接收镜的振动还原成声音。 这项技术最终没有投入商用运营的原因在于易受外界噪声干扰，可靠性不如电缆传输。 此后，一战时出现过硅弧光灯作光源，光电池作探测器的光通信机，二战时改用 红外光源。但由于光源的频谱复杂、方向性差，大气光通信的发展较为缓慢。 1 9 6 0 年红宝石激光器的出现，大大改善了大气光通信系统的传输性能。此后的应 用集中于美国7 0 年代进行的空一地及卫星一水下军用通信。9 0 年代以后，无线光通信 技术开始进入民用领域主要用于大楼或校园局域网之间的连接、监视摄像头的图像 传输等。此时的无线光通信通常定位于短距、中等传输速率、室外应用。 近几年来，随着掺铒光纤放大器( e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 、波分复 用( w d m a ) 、自适应光学( a d a p t i v eo p t i c s ，a o ) 等技术的不断发展，大气光通信在传输 距离、传输容量、可靠性等方面都有了很大改善，适用面也越来越宽。 2 0 0 0 年悉尼奥运会期间，美国的t e r a b e a m 与l a c e n tt e c h n o l o g y 合作，在水上中 心与演播中心之间建立了8 波道的无线数据通信链路，运行期问始终保持畅通，效果 良好。2 0 0 1 年8 月，t e r a b e a m 又成功地为m i c r o s o fc o r p o r a t i o n 年度员工大会提供了 无线数据传送服务。 影响大气光通信系统性能的关键因素包括，大气作用，自然环境的影响，瞄准、 捕获、跟踪技术p j 。 大气作用包括大气衰减和大气折射率随机性变化造成的光束闪烁、扩散和弯曲。 因此大气光通信的工作波长都位于大气衰减小、透过率高的波段，即大气窗口内，如 1 0 6 1 x m 。同时，该波长属红外波，当照射到人眼时，大部分能量会被角膜吸收，对视 网膜造成的损伤相对较小。提高激光器的输出功率，也可以有效克服大气衰减作用。 如使用大功率c 0 2 激光器，它还具有抗拒恶劣大气环境影响的能力。 随着军用红外技术在大气光通信方面的广泛应用，军用光学系统工作光谱区越来 越宽，不仅要求覆盖远红外区，同时还必须覆盖可见与近红外区，这就使得具有高透 射率、宽光谱覆盖范围、可靠性好，能够工作于恶劣的地面与空白j 环境的高性能的可 见与红外双波段宽带增透膜的研制成为必要。国内外对于可见和近红外增透膜【4 j 、远红 外多波段增透膜【5 。7 】等都分别进行了多方面的研究，但是对于可见与红外双波段宽带增 透膜的研究比较少见。本文所要研制的增透膜是沉积在多光谱z n s 摹底上，要求可见 与近红外波段4 0 0 、- 1 0 0 0 n m 及远红外波段7 1 1 1 t m ，平均透射率大于9 0 。 4 第二章薄膜光学的基本理论 光学薄膜是一门综合性的工程技术科学，它是以电磁场理论和物理光学为理论基 础，涉及到光电技术、计算机、真空技术、材料科学、自动控制技术、薄膜应用开发 技术等等。 2 1 薄膜干涉原理 光是一种电磁波，具有波动性。干涉现象是光波动性的基本特征之一。只有频率 相同、振动方向相同或有相同的振动分量、相位相同或是相位差保持恒定的两个相干 光源所发出的光波才是相干波。膜层之间的反射光和透射光满足光相干的条件，可以 形成干涉。利用光程差的概念可以方便地讨论薄膜干涉作用【8 】。 2 器 z n o n t 1 1 2 图2 1 薄膜干涉 如图2 1 所示：l 和2 表示薄膜的上下两个界面，从光源上一点射出的单色光入射 到薄膜上，一部分光在界面1 上反射( 振幅为r 1 ) ，另一部分透过界面1 ，在界面2 上反 射，然后在透过l 射出( 振幅为r 2 ) 。光线r l 和r 2 满足光相干条件，因而在无穷远处产 生干涉( 两界面平行) 。两光线的干涉强度决定于它们的光程差，作c d 垂直于光线r l ， 利用图中所示的几何关系和折射定律，可以得到r 1 和r 2 的光程差为 = 2 n l d lc o s 秒z ( 2 1 ) 相应的位相差为 2 8 = 4 z m , d , c o s o , & ( 2 2 ) 如果先不考虑光在界面1 、2 上反射时的相位跃变，则当光程差为 2 n i d ic o s a t2 朋厶 ( m = 0 ，1 ，2 ，) ( 2 3 ) 时，将产生相长干涉；当 2 n i d ic o s o l2 ( 2 m + 1 ) 2 0 2 ( m = 0 ，1 ，2 ，)( 2 4 ) 时，将产生相消干涉。 n t d tc o s a _ i 称为薄膜的有效光学厚度，而万= 2 n n l d lc o s o , 2 。则称为有效的相位厚 度。 干涉强度的计算，可先迭加反射光r 1 ，和r 2 的振动： e l = 1 c o s m t e 2 = r 2c o s ( c o t 一2 6 ) 得到合振动为e = r c o s ( a ) t 一伊) 式中r 是合振幅，驴是合振动相位。二者和r l ，r 2 ，2 ( p 有如下关系： 其中 按照光强定义， 度的计算公式是 ，2 = 1 2 + 弓+ 2 r l r 2c o s 2 6 t a n g o = i 2s i n 2 8 ( ，l + r 2c o s 2 8 ) 2 8 = 4 n n l d lc o s s l 九 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 反射光合振动的强度r = r 2 ，而r l = r 1 2 ，r 2 = r 2 2 。则双光束干涉强 r = r l + r 2 2 x r l r 2c o s 2 万 r ，7 、 、， 式中号由r 1 和r 2 的符号确定。当r l 和r 2 同号时取加号；而当r 1 和r 2 异号时 取减号。光束由光疏媒质到光密媒质反射时，反射振幅为负值，表示有万的相位跃变； 相反，当光束由光密媒质到光疏媒质反射时，反射振幅为正值，表示没有相位跃变。 因此，上式中号正是考虑了界面上反射时的相位跃变情况，而2 拶则仅指两反射光束 经历不同路径而引入的相位差。 当光束照射到平行平面薄膜上时，光束在薄膜两表面上要多次反射，因而产生一 组反射光束和一组透射光束，如图2 2 所示。 1 2 图2 2 多光束干涉 当薄膜表面的反射系数不高时，我们只考虑头两束光的作用，忽略反射两次以上 的光束，把多光束干涉作为双光束干涉来处理。但是当薄膜表面反射率较高时，这样 处理是不严格的，必须考虑一组反射光s l ，s 2 ，s 3 之间或透射光s 1 ，s 2 ，s 3 之间的多光束干涉。 多光束干涉强度的计算，原则上和双光束完全相同，也是先把振动迭加，再计算 强度，差别仅在于参与干涉的光束由两束增加到多束。至于计算方法则以采用复振幅 最为方便。为此，我们先来计算反射光束s 1 ，s 2 ，s 3 和透射光束s 。1 ，s 2 ，s 3 的各个振幅和相位差。 6 令r 和t 分别为光由折射率为n l 的介质射向折射率为n 2 的介质时的振幅反射系数 和振幅透射系数。r t 和t 1 分别表示光由折射率为1 1 2 的介质射向折射率为n l 的介质时的 振幅反射系数和振幅透射系数。当n 1 和1 1 2 介质没有吸收时，由史托克定律可知，这 些量存在如下关系： r - 一r i ( 2 8 ) r 2 + t t i - 1 ( 2 9 ) 这样，如果入射光束的振幅为l ，并且不考虑介质对光波的吸收，则各束反射光的 振幅s l ，s 2 ，s 3 依次为 f j 2 ，i i s 2 = f ，f ：吃 l j 3 = ，l ，：1 吁 l ( 2 1 0 ) 其中振幅反射系数r 及振幅透射系数t 的下标1 ，2 分别表示在界面l 及界面2 的情 况。透射光束的振幅s l ，s 2 ，s 3 分别为 至于光束之间的相位差，也是有规律的。 两光束的相位差均由式( 2 2 ) 给出。 s ：= t l ，2 s ：= f l t 2 懦 j ；= r 2 ( 1 砭) 2 ( 2 1 1 ) 无论在反射光束还是在透射光束，相邻 因此，反射光束的复振幅依次为1 ，- t ；r 2 e - 2 8 , ，t ；r r 2 e 州j ，迭加后，反射光的合 成振幅为： ，= “+ r l ，纷川卟+ 以p j 2 艿+ ( 也) 2 p - 4 d + b ( 2 1 2 ) 如果薄膜足够大，则可认为反射光束数目趋于无穷。式( 2 1 2 ) q b 无穷递减等比级数 有： l + r 1 e 一2 j + m ) 2p 一4 d + 一ll o - r l r 2 e 一2 占) f 2 1 3 ) 代a ( 2 1 2 ) 式并利用关系式( 2 8 ) ( 2 9 ) ，得到 ，= ( 1 + r 2 e 一2 占) ( 1 + r , r 2 e 一2 万) r 2 1 4 ) 反射光相位变化为 t a n f o = - r ：( 1 一_ 2 ) s i n2 万j k ( 1 + 牙) + 屹( 1 + _ 2 ) c 。s 2 d j ( 2 1 5 1 反射光强度， 透射光强度， 即反射率有 r = = ( _ 2 + 芎+ 2 r t r 2c o s 2 a ) ( 1 + _ 2 芬+ 2 _ 心c 。s 2 8 ) ( 2 1 6 ) 即透射率有 丁= 1 一r = ( 1 1 2x 1 一孝) ( 1 + n 2 考+ 2 _ 吃c 。s 2 d ) ( 2 1 7 ) 7 可见，当n o r d 时， 极大的条件。 而当n o n l n 2 时，r l 0 ，则2 8 = ( 2 k + 1 ) 万( k = 0 , 1 ，2 ，) 是透射成为极大 2 2 电磁理论基础 薄膜光学的研究对象是膜层对光的反射、透射、吸收、以及位相特性、偏振特性 等，既主要研究光在分层媒质中的传播特性。而其所有的特性计算都是基于麦克斯韦 方程、菲涅尔反射原理以及边界条件【9 1 。 2 2 1 麦克斯韦方程组 对于薄膜光学系统的光学特性，从理论观点来说，就是研究平面电磁波通过分层 介质的传播。因此，处理薄膜问题的最有效的方法是解麦克斯韦方程。 v d = p v e _ 一箸( 2 1 8 ) v x h = j + jl ， v b = 0 式中，d 是电位移矢量，e 是电场强度矢量，h 是磁场强度矢量，b 是磁感应强度 矢量，j 和j d 分别是传导电流密度矢量和位移电流密度矢量( 。= 詈) ，而p 是电荷 体密度。 电磁场是运动电荷所激发的，此外，还需考虑到介质对电磁场的影h 向。即介电常 数e 、磁导率u 和电导率。来描述介质对电磁场的影响。因此，在场方程组巾，还需 加上联系电磁场基本矢量的物质方程，即 d = e b = 1 th ( 2 1 9 ) j = oe 2 2 2 菲涅尔公式 1 垂直入射时，e 和h 两者平行于界面，并且在界面两边它们都是连续的。由于 在第二介质中显然没有反射波，故 h l = h r ，e l = e ， 在入射介质中，有正方向行进的和负方向行进的两种波，用符号鹾，f o ，。4 - ， 蛳表示e 和h 在第一介质中的各个分量，他们之间的关系： 8 -io：=hn 扣。) ) c 2 加， 1i = 。( _ ) u z w 应用边界条件，可得：n ，e ，= n o ( e o e o ) 故有 瓦= 丽n o g ：_ 1 日 振幅反射系数( 菲涅尔反射系数) ： ，；互：型! 二型! ( 2 2 1 ) e on o + n l 、 能量反射系数： r ：m ：f ，丝坐v 丛丛、1 l “+ n 1j t n o + n l f 2 2 2 ) 2 倾斜入射时，引进有效导纳r 1 用r lo 和r li 代替上式n o 和n l ，便可求得倾斜入射 时的反射率，1 l 可定义为 叼= h ：f b o xe t 4 - 1 r = 一h ：f k o e ：) t l 不仅与入射角有关，而且依赖于e 和h 相对与入射平面的方位。 任何特定方位都可以归纳为两个标准方位的组合： ( 1 )e 在入射面内，这个波称为t m 波( 横磁波) 或称为p 一偏振波； ( 2 ) e 垂直于入射面，这个波称为t e 波( 横电波) 或称为s 一偏振波。 暑害扩 - 。 扣一r 图2 3 a 垂直入射 9 艏寂弋 ， 【】 反射瞧 、 夸， 再曩 0 ， 薯辑t l 图2 3 b 倾斜入射 能量反射率： 尼：翌! 二翌1 7 7 0 + 刁i = ( n o cose,+-n1coseonoc o s o j nc o s o o - ) 2 = 粼 ( 2 2 3 ) = 一= i z z j +l 协2 幅+ 钆) 、 ，oc o s o o n 1c o s 8 l 、2 s i n2 一哦) =一-=? 、n oc o s t 9 0 + n lc o s 0 i 7 s i n2 + ) 透射率： 个 n lc o s o o n oc o s s l = 当( n oco筠s0。nc o s o o = 砥鬻( 2 2 4 ) =：?iz z - + i) 2 s i n 2 【吼+ 臼1 ) c o s2 【一qj 4 n n c o s t g c o s t g , s i n2 良s i n2 0 , ：= 一= 一 ( n oc o s 8 0 + n lc o s t g o ) 2s i n 2 ( o o + 只) 这就是菲涅尔公式，是薄膜光学中最基本的公式之一。因为光在薄膜中的行为， 实际上是光波在分层介质的诸界面上的菲涅尔系数相互叠加的结果，所以可用这些系 数表示多层膜的解。 2 2 3 豆和疗的边界条件 利用麦克斯韦方程解决光在薄膜中的传播问题需要加以e 和h 的边界条件，这是 解决薄膜问题的必要条件： 利用法拉第电磁感应定律： 扣讲丢孵一 亿2 5 ， 对于薄膜的具体问题可以把上式改写为： i o ( e 。，一e 2 t ) ，：三( 竽) 肠 ( 2 2 6 ) f 研 e t l 和e 1 2 各为两介质中e 的切向分量，消去l ，令d 趋于零，得： e l l = e 2 t ( 2 2 7 ) 即光在通过不同的介质时，电矢量e 的切向分量是连续的。利用同样的方法可以证明， 对于磁矢量的切向分量也是连续的，即： h l t = h 2 t ( 2 2 8 ) 2 3 单层介质薄膜的反射率 e 4 在界面上应用边界条件可以写出： h i = h j + h i = h o r , ( k 局) = 7 7 0 ( 尼目一k 露) = 0 ( 2 2 9 ) e l = e j + e i = e o 尼巨= 七霹+ 七区= k xe o ( 2 3 0 ) 其中7 7 为修正导纳，因为应用边界条件写出p 分量和s 分量的等式形式是一样的，所 以不再区分p 分量和s 分量的情况，同时在下面的推导过程中电向量和磁向量都是指 它们的切向分量。将上面两式的模相除得： 捌= 丝睦笪二! 兰到 后巨后目+ k 压 1 日一岳i 即 商司 ，：盟 则振幅反射系数 r o + r l 。 一r 刃。可 厂一吗 f ：二坠 同样 r i o + r l l 显然，这是垂直入射情况得推广，因此只要将导纳n 用修正导纳，7 代替，垂直入 射得结果也适用于倾斜入射得情况。要注意的是，在计算分量的反射率时用 r l2 n l c o s o ，而在计算j 一分量时用7 7 = n c o s 8 代a ，然后由r = ( 尺、+ r r ) 2 得到自 然光合成的反射率。在所有媒质都是非磁性的假设下我们可以把单层薄膜的两个界面 用一个等效界面来代替。如图( 2 4 ) 假设膜层和基底组合的导纳是y ，由上式( 2 2 9 ) 矛t - 1 ( 2 3 0 ) 可以知道： y ( k x 置) = h o 其中h i 2 h j 七h - 。e 、2 战+ 氏 那么可以得到单层膜的振幅反射系数为： ，= r i o - y r i o + 】， 因此只要决定了组合导纳y ，就可以计算单层膜的反射率和透过率。 在界面1 ，应用e 和h 的切向分量在界面两侧连续的边界条件写出： 磊= 日+ g = 瓯+ jk x 岛= kx 目+ 七 o = 可+ 坷= 矾+ 何jt - i o = r l i ( k 日一kx 耳) 对于另一界面2 上具有相同坐标的点，只要改变波的位相因子，就可以确定它们在同 一瞬时的状况。正向行进的波的位相因子应乘以e 1 西，而负向行进的波的位相因子应乘 以，其中e 碍磊= n , d , c o s 0 1 ， 所以 k x = ( 七) 口蛹+ ( 后蠕) p 一晒 凰- - ( k e t ) t h e 磷- ( k ) 仇p 一磷 这可以用矩阵形式写成： 尼等 = 嘉一筹慨畦二爱 3 。) 在基底中没有负向行进的波，于是在界面2 应用边界条件可以写出： + = 岛r l ( k 玮+ k x ) = 后= ( 七岛) 2 一h 2 2 r l 1 2 巩+ = 皿7 7 1 ( 七+ kx ) = h 2 因此，七瑶= ( k x e 2 ) 1 2 + h 2 2 r l l ， 彤占1 22 【意1 5 2 j z 一1 - t 2 z r h 。 写成矩阵形式成为： 隧 _ 驯j 剐七 将此式带入( 2 31 ) ，得 瞄 = 鲁一慕丌“2 二撼艉xe2lrh- i a , j l , , 2 - i【- 风j2 扩一确p_ l 2 编j l ：j 龆( e j a l + e - 峨峨) 2 ) 2 嘞：) 2 r 娑 【- ( 仍g 峨一刁i e 一峨( 仇p 峨+ 7 7 l p lj 【- 马j ：- c o s 磊函n 4 ，7 i i 七：5 1 l i 7 ls i n s lc o s 6 l 儿盯2j ( 2 3 2 ) 因为e 和h 的切向分量在界面两边是连续的，而且山于在基底中仅有一正向行进的波， 所以关系式( 2 3 2 ) 就把入射界面的e 和h 的切向分量与透过最后界面的e 和h 的切向 分量联系起来。又因为： 风= 】，( 尼剐，吼27 7 ：( 尼e 2 ) 于是方程( 2 3 2 ) 可以写成： 似e 蝴1 = 芸篙妇等褂吣， ，鑫趣翟埘 眨3 3 ， l c o s 磊 i s i n6 l r l l 矩阵l 锄s i n 磊 c o s 4 j 是薄膜的特征矩阵， 矩阵，显然由 y = c a l ，：望2 1 竺! 鱼! ! 翌! 璺翌垒 得到： c o s 4 + f ( 砚r , ) s i n 6 i 振幅反射系数为 1 3 矩阵 尝 定义为基底和薄膜组合的特征 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ，：堡二!：(ro-rh)cos8,+i(rorhra-r1)sin81 + 】， ( 吼+ 7 7 2 ) c o s 磊+ i ( r l o r l 2 q 1 + r 1 ) s i n 点 能量反射率为 r ：，：! 堡二塑善竺霎垒丛堡堡! 堑垫! ；皇亘 ( 1 7 0 + 仍) 2c o s 24 + ( r o r 2 编+ 7 7 1 ) 2s i n 24 ( 2 3 6 ) 2 4 多层介质薄膜的反射率 利用递推法和矩阵法可把对单层膜组合导纳的推导推广到任意层膜的场合。在折射 率为k = 考美荸等豢= 以 + 城2 ) i r k + l k 的衬底上敷有折射率为l 的膜层，其组 合导纳y 由公式( 2 3 5 ) 确定。就是说在衬底上敷有一层膜以后，可以用导纳为j ：7 。的入射 媒质和组合导纳为】，的膜系之间的单一界面来等效。可以利用这个方法来与衬底 u 邻 的底层膜开始，逐步递推到顶层膜。如果令 弓= 磊y j 磊+ , c o i s8瓦j+jir丽li s i n 8i=嵩磊o)万石2)西)c了os糍+irj = ”1 ) + 谚2 1 ，按照( 2 3 5 ) 式，衬。 c o s 口+ f + ls i n t 协c o s t + f ( ”l + 蟛召) s i n t7 吼 叫刊 、7 底和第k 层膜的组合导纳为： k ：血等婪坠警：谨，+ 碱：， 8 c o s 8 k + f k + ls i n 8 k 仇“ “ 6 _ 一 l 2 3 。 图2 5 求解多层膜的导纳推导法 在等效界面上迭加第k - 1 层膜，仍然可以用组合导纳i = “”+ 纠2 1 的虚拟界面来等 效。这样，递推至第j 层膜，则 =jco互s生#!，兰糍sins，=jco生s兰,。一=；号乏爹丢芒糍=”+谚2) c 2 3 7 ， 7 + f + l乃+ ，( l + 蟛翟) s i n 47 仍叫 叫 一直到所有膜层都算完，最后得到整个膜系的组合导纳 1 4 墨= 一”+ 鲥2 除了递推法还有矩阵法、矢量法和应用菲涅尔系数的计算方法也计算多层介质膜的光 谱特性。其中矩阵法用的最广泛，它几乎是全部薄膜计算的基础。下边利用矩阵法计 算多层介质膜的反射率。 辑。： 矧，二二：? ，e ；? 、l 一一 互：三至三：l 二：至 蔓：至量= l 二兰g 一。一j 】一1 = 兰：二l 至圭： ” | 石一： 在界面1 和2 应用边界条件可以得到： 嗍h o = 高“夏“ 陋【j 2 b 啦4c o s 4 儿h ：j 在界面2 和3 同样应用边界条件得到： 陉 _ 高招墨吼 毒 依次对每层进行同类计算，自到界面k 和k + l ，得到： 隐。2 - 鑫“i 嘲n , k 仇糍” 隧 - 斟隧 - 甜 隐坩别 经过连续的线性变换，最后j 以得到矩阵方程式： 等卜4 j j ，；：墨m 。o 副s 8 , “ ”瓮“ 1 2 3l l 刚姑篙趣i 伽n 6 1 4 编腿 对p 偏振波和s 偏振波，膜层的位相厚度是： 6 j _ 2 ：l ； rn ! d ic o s 9 j 折射角由折射定律决足。 旷n j c o s 显然，多层膜和基底的组合导纳为：y = c b 那么 多层介质膜的反射率为 r ：f ，盟 f ，坐 l b + c 八7 7 0 b + c j 透过率为 t ： ! 堡坠：! ( r o b + c ) ( r l o b + c ) 反射相移为 矗觥喀丽irlo(cb-bc)， 1 6 ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) 第三章材料选取弟二早俐不斗迈耿 由于不同的光学元件对光学薄膜的要求不同，所以需要选择不同的膜层材料。介 质和半导体薄膜材料种类繁多，应用广泛，是镀膜的基本材料。选择光学薄膜材料， 要考虑材料的透明度、吸收和散射性、折射率、机械牢固度和化学稳定性等【1 0 1 。根据 本文中光学元件的性能要求，选择的材料要与基底匹配，且透过高、吸收小、牢固度 高，这样就限制了膜料选取的范围，加大了膜系设计的难度。 3 1 基底材料 硫化锌是一种优良的光电功能晶体材料，其光学均匀性及多波段透过性能好，化 学稳定性好。根据制备工艺的不同，通常分为热压z n s 、c v dz n s 和多光谱z n s 。13 1 。 热压硫化锌是五六十年代发展并完善起来的一种红外材料，借用了粉末冶金中的 热压工艺制备而成，但其脱模较困难，易造成产品破裂，而且达不到理论的密度，含 有大量的微气孔，形成散射中心，其在红外的透过曲线如图3 1 所示。 x 、一 鲁 每 蝌 没- i tp m 图3 1 热压硫化锌的红外透过曲线 波长 图3 2c v d 硫化锌的红外透过曲线 1 7 到了八十年代初，随着化学汽相沉积( c v d ) 方法的发展，出现了c v d 硫化锌， 其光学性能明显优于热压硫化锌，如图3 2 所示。但是c v d 硫化锌在可见光波段是不 透明的，其外观呈橘黄色。这是由于z n s 中夹杂的氢原子与s 空位、z n 结合成复杂的 络合物成为散射中心导致呈现橘黄色，透过率下降。 c v d 硫化锌经过一次热等静压( h i p ) 处理后称为多光谱硫化锌i l 训。从图3 3 可 以看出，其透射短波起始在o 3 5 9 m 。和c v d 硫化锌相比，在整个透射波段透过率都 有改善。 放任 图3 3 多光谱硫化锌从可见到红外透射曲线 表3 1 给出了c v d 硫化锌在h i p 处理前后吸收系数的比较。吸收系数的变化是 由于消除了与氢有关的络合物粒子，调整了化学配比和消除了散射中心【15 1 。因而吸收 系数在短波有了近数量级的变化。 表3 1c v d 硫化锌在h i p 处理前后吸收系数 以上对三种不同工艺制备的硫化锌做出了阐述，其主要性能可以通过表3 2 看出。 1 8 表3 2 三种硫化锌的土要性能 从以上的图表比较可以得出多光谱硫化锌在红外的透过率最高，其次是c v d 硫化 锌，热压z n s 透过率最差。从三种硫化锌在1 0 6 p m 的吸收系数也可以看出这种结果。 对于硫化锌的选取，本文主要考虑的是透过率和吸收方面的因素，所以最终以多 光谱硫化锌作为基底材料。 3 2 膜料选取 选用的高低折射率膜料主要是介质材料和半导体材料 1 6 1 ，常用的高折射率如表 3 3 列出。 p b t e 是具有很高折射率的材料，在1 0 0 m 处的折射率为5 4 ，并且与z n s 膜层或 z n s e 膜层有很好的匹配，但其毒性很大。g e ，s i 等半导体材料，随温度增加，自由载 流子浓度增加，吸收系数迅速增加，g e 在波长1 0 u m 的吸收系数随温度的变化是室温 下0 0 2 c m 7 0 。c 时o 1 2 c m 一，到1 0 0 。c 时达到0 4 c m 一。g a a s 成膜后吸收系数很大， 且毒性很大，不易使用。z n s 和z n s e 的光学和物理性质相似。z n s e 吸收系数较小， 但其应力情况比较复杂，它与基底烘烤温度、膜层厚度密切相关。z n s 是用于可见和 红外区的最重要的一种薄膜材料。在可见区，其常与低折射率的氟化物相组合，在红 外区则常与高折射率的半导体材料相组合，以构成可见和红外区的各种滤光片。考虑 1 9 到其与基底的结合性，最终选用z n s 作为高折射率材料。 3 3 常用的高折射率红外镀膜材料 材料 警点茎篆温蒸发方法 ( 密g 度c m 3 ) 折射率 透g m 明区 牢固度 p b t e9 7 18 5 0 b ( t a ) 8 1 6 g e9 5 91 6 0 0 b ( c ) ，e 5 3 g a a s 1 4 2 01 5 0 0 e ，s 2 3 3 5 4 ( 1 0 9 m ) 3 4 - 3 0 4 4 ( 2 1 a m ，3 0 ) 1 7 2 3 a = 15 9 9 2 b = 1 8 7 9 3 3 4 ( 3 9 m ) a = 1 1 5 6 81 9 b = o 9 3 9 8 s ，口，1 h ， t 大口，1 f h 口，l c 大 3 8 一一 8 5 0e5 3 4 3 2 ( 5 ”m ) 0 9 1 8 m , 2 z n s1 9 0 01 1 0 0 b ( t a ，m o ) z n s e15 3 09 5 0 b ( t a ，m o ) 3 9 8 5 4 2 2 3 5 ( 0 5 5 9 m ) 2 1 6 ( 1 0 6 l t m ) a = 5 0 1 3 b = o 2 0 2 5 2 5 8 ( 0 6 3 3 9 m ) 2 4 2 ( 10 6 9 m ) 0 4 1 4 m ，口 c ，1 0 6 1 5 s ，2 注释；1 b ：电阻加热，括号内为蒸发源材料；e ：电r 束；s ：溅射 2 折射率里的a ，b 足s e l l m e i r 色散方程n 2 = a + b 五2 的系数，波长以t a m 为学位。 3 硬度( h 极硬；f h 硬；m 中等；s 软) ，抗激光损伤( 口口口强，口口中；口弱) ，应力( t 张应力；c