（光学工程专业论文）平板激光偏振分光膜的设计与制备.pdf

摘要 随着光学薄膜技术的不断发展，光学薄膜器件的应用日益广泛，光学薄膜的研究已 被提到了极其重要的地位。为了制各出大功率激光器中激光偏振膜，本课题从镀膜材料 特性、膜系设计、沉积工艺等方面对这一问题展开了深入的研究 本文从薄膜光学基本理论和膜系设计理论方面阐述了抗激光损伤薄膜的原理，简要 介绍了影响光学薄膜稳定性的各种因素，选用h f 砚、s i 晚作为镀膜材料，试验在 i n t e g r i t y 一3 6 全自动真空镀膜机上完成，利用电子束和离子辅助进行沉积镀膜，制备出 致密度好、漂移量小、散射少、吸收小的激光偏振膜。在给出测试结果曲线的同时，分 析了产生误差的原因。 关键词：平板偏振膜波长漂移激光抗损伤薄膜离子辅助 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i l mt e c h n i q u e s ，o p t i c a lf i l mw i d g e t sh a v eb e e nu s e d w i d e l y , r e s e a x c h e sf o rt h eo 删f i l mi sb g o o m em o r ea n dm o 她i m p o r t a n li no r d e r t op r e p a r e t h el a s e rp o l m i 2 留e - x i s t e di nt h eh i g hp o w e rl a s e rs y s 洄鸥t h i sr e s e a r c hp 叫鳅e s m b i _ l s h e d w e s t u d i e dt h ep r o b l e m 矗d mc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e p o s i t i o nn 均t c 蒯，d e s i g no ft h ef i l mt o d e p o s i t i o nt e c h n i q u e s t h ep a p e re l s b o r a t e dt h ea n t i l a s e rd a m a g e dc o a t i n gp r i n c i p l eb o t hi nt h i nf i l mt h e o r y a n dt h i nf i l md e s i g nt h e o r y , b r i e f l yi n t r o d u c e dt h ef a c t o r sa f f e c t e dt h es t a b i l i t yo ft h e 删c a l f i l m t h em 蹴血l sw e r eu s e da s 0 2 、s i 0 2a n dp r 印a r e db yt h ei n t e g r i t y - 3 6f u l la u t o m a t i c v a c u t l mc o a t i n gm a c h i n e ，w i t ht h ee l e c t r o nb e a ma n dt h ei o na s s i s t a n c es y s t e m , p r e p a r e d d e n s i t y , a n ds m a l lm o u n to fs h i 屯s c a t t e r i n gs m a l l ，s m a l la b s o r p t i o no fl a s e rp o l a n z e r t e s t r e s u l t sa 托g i v e ni nt h ec u r y ea tt h es a m et i m e ，a n a l y s i so f t h e 代篇3 啷f o rt h ee r r o r s k e yw o r d s ：p l a t ep o h t r i z e rw a v d e n g t hs h i f t l i t s e rn i l - d a m a g ec o a t i n g si o nb e a m a s s i s t e dd e p o s i t i o n o b o 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，平板激光偏振分光膜的设计与制 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入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：叠盘堑年三月互 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：亥纭籀钡锹动 指导导师签名： 年三月日 i 畦月蔓日 1 。1 光学薄膜的发展 第一章绪论 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，但用干涉原理对牛 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 ) 用酸蚀法在世界上制得第一批增透膜和1 8 9 9 年出现的法布里一珀珞 ( f a b r y - p e r o t ) 标准具算起，法布里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。 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日俱增可以说，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。 l ，2 研究激光偏振膜的目的及意义 随着薄膜光学理论和技术的发展，薄膜光学已经成为近代光学的一个重要分支。它 的应用已深入到航天遥感、冶金、通讯、激光、医疗以及日常生活的各个领域，光学薄 膜已成为现代光电仪器不可缺少的一种重要部件。同时，随着应用领域的不断扩展，对 光学薄膜器件性能的要求也在不断地提高，这主要表现在以下几个方面： 1 光学薄膜器件光谱性能的要求。光学薄膜器件的光谱工作范围已经从紫外一直覆盏 到远红外波段，而且光学薄膜器件的通带要求也相差很大。光谱带宽宽的，如某些 分束器，工作波段要求从1 1 t m - 2 5 1 m a ；而光谱带宽窄的，如光纤通讯用的密集波分复 用器，要求滤光片的带宽小于i n n 。这些要求对光学簿膜的设计、薄膜材料的选择 以及制备工艺都带来了挑战。 2 光学薄膜器件几何尺寸的要求。光学薄膜器件的几何尺寸大的，如美国亚利桑那大 学制备的反射镜直径达8 m ：几何尺寸小的，如美国无线电公司制备的c c d 阵列用 滤光片。其线宽只有1 5 i i 1 。这对薄膜器件的制备方法和制备工艺都提出了较高的要 求。 3 光学薄膜器件的稳定性和可靠性要求。即要求在恶劣的工作环境下，如环境温度、 湿度、辐射等外界因素的干扰下，光学薄膜的光学、力学性能不发生变化 在激光领域，由于激光器向高功率方向发展，越来越多的光学薄膜器件工作在强激 光辐射的环境下，光学薄膜器件的辐射稳定性对整个系统的性能起着决定性的作用。在 各种高功率激光薄膜中，激光偏振膜的损耗最大，最易遭到强激光的破坏，造成膜层击 穿或烧毁。虽然简单的制备工艺就可以制出光谱性能较好的偏振膜，但由于其较好的性 能只能出现在一个很窄的光谱范围，其光谱往往易受环境温度和湿度的影响而发生波长 漂移现象，即使做得出好的偏振膜，其性能也很难在使用过程中保持稳定，这就影响了 整个系统的性能。因此，研究影响光学薄膜器件的稳定性的各种因素及其物理机理，并 给出相应的解决办法，对于保持系统稳定性，提高系统性能有着十分重要的意义。 人们通过设计出宽带偏振片“l 、改善膜层致密性来解决偏振膜的漂移问题。在提高 激光薄膜抗激光损伤阈值方面，不断改进实验设备和工艺；制造技术从最基本的真空热 蒸发镀膜法已经发展出了电子柬蒸发“1 、溅射、离子镀、反应蒸发、反应离子辅助蒸发 等多项新技术；基片的超光滑表面加工技术和超声波清洗技术h 1 大大提高了基片表面的 质量；近年来发展起来的薄膜的激光预处理技术“1 又成为继提高成膜质量之后的又一提 离激光薄膜损伤阈值的有效手段；基片材料、镀膜材料“1 的优选也取褥了很大成果，人 们己经找到了一些适合制备高阐值激光薄膜的镀膜材料和基片材料所有这些都大大提 高了激光薄膜成膜质量和激光诱导损伤阈值。在理论研究方面也取得了许多成果：工艺 过程的理论计算不断深化；改进膜系设计；激光诱导损伤机理研究上提出了电子雪崩电 离、多光子吸收电离、杂质缺陷引起的局域强场吸收等几种主要的物理机制；激光预处 理机理研究上提出了。激光清洗机制”和。电子杂质缺陷机制”等。这些成果对于改进 实验设备和工艺起到了一定的指导作用。 1 3 激光偏振膜的国内外现状 目前，该方面的研究主要集中在一些欧美国家。美国佛罗里达大学利用反应离子蒸 镀法沉积了中心波长为6 3 2 8 衄的无漂移平板偏振片。法国m e t l i a 实验室研制的大口径偏 振膜的抗激光损伤阈值可达1 2 1 5 j c 一( 1 0 6 4 r 珊，3 n s ) ，其中成果最为显著的是美国 l l n l ，其制备的激光偏振膜样品未经激光预处理阈值可达1 2 j c f ( 1 0 6 4 n m ，1 0 n s ) ，经 过激光预处理后可达2 3 j c 矛。 国内对该方向的研究主要集中在中科院上海光机所、技物所以及成都精密光学工程 2 研究中心。作者在做硕士论文期同，对偏振膜的膜系设计、漂移稳定性及抗激光损伤能 力进行了较深入的研究。 1 4 主要研究内容 本课题主要研究入射角为4 5 度时，在k 9 平面玻璃上实现8 0 8 n m 处p 偏振光的透射 率不小于9 8 5 ，s 偏振光的反射率大于9 9 3 2 ，1 薄膜干涉 第二章薄膜光学的基本理论 光是一种电磁波，具有波动佳。干涉现象是光波动住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体。 2 1 1 双光束干涉 4 鲁2 淞耐 ( 2 3 ) 马= r 2 c o s ( o n 一2 s ) 得到合振动为： 占= r c o s ( 耐一力 ( 2 4 ) 式中：，舍振幅； 妒合振动相位。 二者和，i 、r 2 、2 8 有如下关系： ，2 = r 3 2 + 吃2 + 2 r l r 2 c o s 2 8 ( 2 5 ) t a n g o = r 2s i n 2 3 他+ 乏c o s 2 0 3 ( 2 6 ) 按照光强的定义，反射光合振动的强度置= r 2 、墨= 彳、是= r z 2 ，则双光束干涉强 度的计算公式是： r = 墨+ 是士2 墨足c o s ( 2 0 ) ( 2 7 ) 号由r l 和r 2 的符号确定当r i 和r 2 同号时取加号，而当n 和r 2 异号时取减号。光 束由光疏媒质到光密媒质时，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时，反射振幅为正值，表示没有相位跃变 因此，上式中士实际上考虑了界面上反射时的相位跃变情况，而笳则仅指两 反射光束经历不同的路径而引起的相位差。 2 1 2 多光束干涉 一般薄膜表面的反射系数不高，只考虑前两束光的作用，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。但是当薄膜的表面的反 射系数较高时，这样处理是不严格的1 7 1 。 当光束照射到均匀薄膜上时，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 。 i 2 s ：s ； s i s ： 图2 2多光束干涉 设反射光分别为s ；，s 2 ，s ，透射光分别为，是，墨，多光束干涉的强度计算和双 光束的计算完全相同，在叠加振幅的基础上计算强度。令r 和t 分别表示光由折射率为 啊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，和，分别表示光 束由折射率为嘎的介质射向折射率为啊的介质时的振幅反射系数和振幅透射系数。当两 介质没有吸收时，由斯托克斯定律可知： ，= - - r 。 ( 2 8 ) r 2 + 甜= l ( 2 9 ) 若入射光束的振幅为1 ，并且不考虑介质对光波的吸收，则各束反射光的振幅 s 1 ，s 2 ，s 3 依次为： 毛= 五 毛= r ：吒 ( 2 1 0 ) 屯= f l 砭 式中：下标1 表示在界面1 的情况； 下标2 表示在界面2 的情况 透射光束的振幅墨，墨，鹾分别为： 焉= f 2 五= f l ，2 ，以 ( 2 1 1 ) = t 2 ( q r d 2 其中，无论是反射光还是透射光，相邻两光束的相位差都可由( 2 2 ) 给出，则反射 光复振幅依次为：，i 、t t t l r 2 e 。4 、t l t l r l r 2 e - 4 ，迭加后，反射光的合成振幅为： ，= + t l t l r 2 e 一。5 【l + i ，妒脚+ ( 乞) 2 矿“+ 1 ( 2 1 2 ) 如果薄膜面积足够大，则可以认为反射光束数趋于无穷，利用关系式( 2 8 ) ( 2 9 ) ，可 得： r = “+ r 2 e 一“) ，( 1 + 眨r “) ( 2 1 3 ) 反射光相位变化为： t a i l 妒= 【_ 吃( 1 一f ) s i i l 2 川【( 1 + e ) + 恐( 1 l + r , 2 ) c o s 2 0 1 ( 2 1 4 ) 反射光强度( 即反射率) 为： 6 r = r o = 卯+ 彳+ 翻吃c o s 2 国( 1 + 2 眨2 + 2 r l r 2 c o s 2 6 ) ( 2 1 5 ) 透射光强度( 即透射率) 为： t = i r = o - r , 2 x l 一矛) m + 也2 + 2 r ；吒s 2 回 ( 2 1 6 ) 对于透射率，根据折射率的不尾有以下讨论： ( 1 ) 当n o k n l n 2 时，r l ( o ，r 2 o ，则2 1 ，- - - - 2 m j r ( m = 0 , 1 ，2 ) 可 得透射极大值。 ( 2 ) 当n o k n l n 2 时，r l ，r 2 o ，则2 2 ；= ( 2 所+ 1 ) 碳m = o l ，2 一) 可 得透射极大值。 ( 2 1 5 ) ，( 2 1 8 ) 是分析单层膜反射率和透射率常用的公式有时为方便起见( 2 1 6 ) 可表示成如下形式： r 2 鬻禹i ( 1 一、焉恐) 2 式中：r l - 介质1 表面的反射率； r 2 介质2 表面的反射率 上式反映了透射率与两个面的反射率之间的关系。 2 2 薄膜光学的特性计算 ( 2 1 7 ) 2 2 1 单层介质薄膜的透射率 单层介质薄膜在单一界面上有 确互= ，7 0 露一写= 风 ( 2 1 8 ) 互= 霹+ 写= 毛 ( 2 t 1 9 ) 其中玎分别为入射光与透射光所在介质的光学导纳，e 是电场强度矢量，h 是磁场 强度矢量。 由式( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 得到 吼= 碍。( 菇一嚣) ( 露+ 最) ( 2 2 0 ) 由上式可以得到振幅反射系数和透射系数分别为： r = ( r o - r h ) ( 砺+ 研) ( 2 2 1 ) r = 2 砺( + 砀) ( 2 2 2 ) ， 这是垂直入射情况下的推广，因此只要将导纳n 用野代替，垂直入射的结果也适用 于倾斜入射的情形。 要注意的是，在计算p 分量的反射率时用玎= n i c 垴s o ，而在计算j 分量时用 ，7 = c o s 毋代入，然后由r - - - ( 墨+ 盖。) ，2 得蜀自然光合成的反射率 单层薄膜的两个界面在数学上是可以用一个等效界面来表示，如图2 3 ，膜层和基 片组合导纳为y 由式( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 可以知j 瓦= 风 单层膜的反射系数为，= ( r i o y ) + 】，) ，因此只要确定了组合光学导纳y ，就可 以计算单层膜的反射和透射特性 i 磊+侮o l 2 3 单层薄膜的等效界面 衬h o = h ：h i ，e q = e ：+ f , o r = ( ，7 0 一】r ) ，( ，7 0 + y ) 由此得到y 就是磊，点，o 相互联系的纽带。应用边界条件e o 和 l 之问的关系用矩 墙匕薯 亿2 。， 称为薄膜的特征矩阵。它包含了薄膜的全部有用的参数，矩阵酷 定义为基片和薄 其中4 。2 7 r n 。d 。c o s 只，对于，分量为吼：l c o s b ，j 一分量为吼= 1 o o s 口, 。 3 旦 y ：卫婴粤甚氅 ( 2 2 4 ) c o s 4 + f 胁) s i n 磊 鼓反射率为 - - - - t , r * ：虹丑幽堂丝鱼1 弊 ( 2 2 5 ) ( + | 7 2 ) 2c o s 2 磊+ ( 1 7 0 吁2 r l + ，7 1 ) 2s i n 2 磊 而t = 1 一盂， 反射率为极值时膜的光学厚度 日：! 生 4 c o s 8 l 当m 为奇数时，即h 值是下列数值中的任何一个： 日= 4 c o s e l ，3 厶4 c o s e , ，5 & 1 4 c o s 0 i 这时c o s 点= 0 ，一、2 r：f_r0rz-i12i ( 2 2 6 ) k 仍+ 听， 正入射时， 且= n o n ：- n ：1 2 眩z ， 当m 为偶数时，郎h 值是下列数值中的任何一个： 日= 矗2 c o s e l ，2 厶2 c o s o , , 3 & 2 c o s e l 这时s i n a , = 0 、2 胄：i 笙丑l ( 2 2 8 ) l 十珑j 正入射时 r = 1 一r = 1 一l n 。o + - 2 n ： 2 ( 2 2 9 ) 2 2 2 多层介质薄膜“1 l ，递推法 在折射率为n 2 的基片上敷有折射率为，的膜层，其组合导纳y 由式( 2 2 4 ) 确定。 在基片上敷有一层膜以后，可以用导纳为编的入射媒质和组合导纳为y 的膜系之间的单 9 果令匕+ 。= 按照式( 2 2 4 ) ，基片和第k 层膜的组合导纳为： 乓= 鑫蔫舞鑫= 躞榔 组。， 在等效界面上叠加第k l 层膜，仍然可用组合导纳为匕。的虚拟界面等效它。递推 至第- ，层膜，则有 巧= 吾i 兰：端= 三兰l ；：；黼= 巧 + ，巧2 c z s - ， 直至所有膜层都算完，最后得到整个膜系的组合导纳 象： _ c 二卺 ( 爱) = ( 乏) ，( 急) = ( 急) ，( 惫： = f t s - t 。, r ：) 圳烈：圳, , , j l c - - , j ( 冲匕誊粉) 驴专叫j c o s 8 i ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 1 0 其中s i n 皖= n h s i n o h = n js m e j 反射率和透射率为 肛蹦i 枷c 人碣肌纠 r ： 鱼盘! ( 占+ c ) ( ，7 0 丑+ c ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 第三章平板偏振膜的理论设计与损耗分析 平板偏振片是利用s 光和p 光对于倾斜置于平行光路中的膜系具有不同的有效折射 率：力= n c o s o ，吃= 一c o s o 这样膜系对于p 偏振光和s 偏振光就像两个膜系，这 个膜系对于两个很振分量的反射带宽发生了变化，一般来说，s 偏振光的反射带宽比p 光的反射带宽大。此时，如果通过选择中心波长，使工作波长或波段落在p 偏振和s 偏 振的反射带边缘之问，就可以实现p 偏振光高透射s 偏振光高反射的偏振分光i t 。 3 1 薄膜材科的选择 首先，要求材料在膜系所使用的波长范围内是透明的，并具有恰当的折射率；其次， 还要考虑成膜后的机械牢固度、应力状况、化学稳定性等因素；而对激光薄膜来说则还 需要考虑膜层材料的抗激光性能如何对偏振膜而言，选择高低折射率差值越大。设计 和制备的偏振膜的带宽越宽。这一点的好处是能容许中心波长有较大范围的漂移，在层 数相同的情况下，差值大的材科组合较差值较小的材料组合能得到较高的反射率，这可 以减少材辩的用量t t 0 。 在可见和近红外波段的激光系统，已经找到了一些较好的高温氧化物( 如e 0 2 、z r 0 2 、 t a 2 0 5 、y 籼等) ，它们与s i 0 2 匹配。可以制成光学性能较好的高反膜、减反膜、偏振分 光膜。但随着激光系统的发展，对膜层的抗激光性能要求越来越高。一般作为减反射用 途的增透膜即使被打坏，只是对光强有一些减弱，对光路的影响并不太严重，但偏振膜 的损伤就会导致整个偏振的失效。因此，对偏擐膜来说，高韵抗激光损伤溺值尤为重要， 没有高的阈值，再优良的光谱性能也没有使用价值。在强激光系统中膜层中材料的吸收、 散射、杂质缺陷、结构缺陷等均可以造成膜层吸收和损耗的增大，导致抗激光阈值的下 降。常规使用的西0 2 、盈0 2 、t a 2 0 5 、y 2 0 3 等材料在用p v d 方法沉积成膜后各有优缺 点，就这四种材料而言，前三种具有相对较高的折射率。在制备偏振膜时，可提高消光 比，但n 饶膜层在电子枪加热蒸发过程中先分解生成低价氧化物，后在充氧条件下进 行氧化还原。因存在氧化还原不彻底性以及这种材料本身对激光能量有累积作用的缺 点，使所成薄膜的吸收明显增大，而膜料7 _ a 0 2 在沉积过程中容易形成大的颗粒或造成 结构的不均匀，致使膜层的粗糙度增大使散射损耗增大。吸收和散射损耗的增大对抗激 光性能都极为不利，而y 2 0 3 膜料能形成光滑致密的膜层，具有较高的损伤阈值，但它 的折射率相对较低，使得成膜难以达到高的消光比i l t l 。因此，我们主要选用h f i 瑰作为 高折射率材科，这种材料具有较低的吸收系数，承受的损伤阅值较高。虽然这种材料存 在制备所需层数较多、膜层较粗、增加制备难度等缺点，但为兼顾阈值和光学性能这两 方面的要求，仍是首选材料。我们所做的实验选择h f 0 2 作为高折射率材料，s i 0 2 作为 高折射率材料1 1 2 。 h f 0 2 在l o 一1 b l r 真空度下的蒸发温度为2 5 0 0 ，适合电子柬加热蒸发，透明区为 0 2 2 1 2 1 1 m ，折射率n - - 2 1 5 ( o 2 5 岫) ；d = 1 9 5 ( o 5 5 r i m ) ，消光系数k 为3 5 1 0 - 4 ，且 具有很好的化学稳定性和很高的熔点( 2 9 0 0 c ) 。淀积h 幻i 薄膜时，较高的基底温度会增 加分子分解后的在基底上再氧化的几率。尽管较高的淀积速率可以制备具有较高折射率 的薄膜，但这样的薄膜吸收较高真空室压强为5 1 0 一d r o r r ，氧气分压为5 1 0 5 t o r t 下 用电子柬加热蒸发，以o 5 n m s 的淀积速率沉积在温度2 5 0 的基底上，加热开始时材 料大量放气，这种放出来的气体基本上为氧气以o 6 n m s 淀积速率制备的h f 0 2 具有 较低的吸收损失普通热蒸发制备的h d 2 薄膜呈现出非晶、柱状结构。由反应蒸发制 备的h f 0 2 薄膜为低损耗薄膜，其光学均匀性和折射率值是真空中氧气分压的灵敏函数。 另外，由于h f 0 2 薄膜的多孔性，使其光学性质对外部大气湿度的变化十分敏感，所以 由反应蒸发和通常热蒸发制备的h f 0 2 薄膜不适于在苛刻环境中使用1 1 3 i 。h f 0 2 薄膜也可 以用电子柬加热蒸发进行反应离子辅助淀积( r 队d ) 和低能反应离子辅助淀积法 ( l e r j a d ) 来制备。与反应蒸发法( r e ) 制各的i - i f o z 薄膜相比，不但可以制备出无吸收、 均匀的薄膜还具有更高的折射率和很好的致密性。用l e r i a d 法制备的h 幻2 薄膜的折 射率随真空室氧气分压的增加而减少。经低驻离子辅助淀积的薄膜性能会得到大大改 善 s i 0 2 的熔点为1 7 3 0 ，沸点2 2 3 0 ，在1 0 r o r r 真空下蒸发温度为1 0 2 5 ，可用 钽舟加热蒸发，也可用a i 2 0 3 坩埚加热蒸发，但由电阻加热蒸发时会产生分解，由电子 柬加热蒸发效果良好2 0 0n m 4 0 0 0 n m 波段为无吸收区s i 0 2 薄膜为无定型结构( 非晶 态1 ，淀积时基底温度不同，所制备的s i 0 2 薄膜的填充密度也不同基底温度为3 0 0 时 填充密度为0 9 ，基底温度为1 5 0 时填充密度为o 9 8 。s i 0 2 膜呈现压应力，具有良好 的化学稳定性，机械性能极为牢固，无吸湿性 1 4 j 0 为了制各在可见区和近紫外区可忽略 吸收的s i 0 2 薄膜，必须在较高的氧气分压下以较低的淀积速率进行淀积。代表性的淀 积参数为：真空度7 9 1 0 s r o r r ，淀积速率3 5 n m s 。由紫外线处理s i q 薄膜时，其 光学性质和成分会发生变化，不过这种变化只有在通过缓慢蒸发s i o 来制备s i 0 2 薄膜 的情况下才会发生。雠- ( 9 8 ，t s 1 ，对于偏振膜而言，在镀制过程中，其光 谱性能对厚度的监控误差非常敏感，这就要求我们在设计膜系的同时要考虑镀膜实现的 难易程度。 3 2 1 理论分析 单层光学薄膜的特征矩阵为 1 4 呜；f 湖t 去血巧1 。， h 血岛c o s oj 其中，t = 等以哆5 q ：嘶= 也c o s 6 ( s 光) ，巩= 巧，s g ( p 光) ，乃是第j 层膜折射率；哆气是第j 层膜内折射角；嘭是第j 层膜物理厚度；丑是波长。因为l 层 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，在数学上可以等效为单层膜 射= 珥i 哆 乏廿瞄r ? r 瓴z ， 其中为等效折射率；r 为等效位相厚度。从式( 3 2 ) 可得 f = a z r , c o s m | l i( 3 3 ) 以= + 扫了i ( 3 4 ) 由式( 3 3 ) 、( 3 4 l 及薄膜特征矩阵知识可知，当| m 。p 1 时，嚏和r 均为虚数，等效 折射率的概念不存在，这些波数对应于对称膜系的反射带；当| m 。l 一 ，| 2e 砸2 万) + 2 i ，i 丁s i n + 2 艿7 ) 其中，r ：主：堡n d 矿：堑k d ：t 8 ， 1 9 对于弱吸收膜，矿很小，于是襄达式一= 1 一， 其中纠= 玎眇+ g s i n # c o s ( d + 8 9 】，而 ，= 群g = 器 单层膜的吸收a 便可直接从势透射率的定义： ：三：一i - a ( 3 1 9 ) 2 i - r2 l - g 3 1 9 ) 其中彳= 0 - p , x 1 - r ) - - a 加一固 r 为单层膜的反射率 推广到多层膜，对一个层数为k 的多层膜来说，其势透射率可表示为 q = n = i , j 。即一a o ，) ( 3 2 0 ) 令丑= l a 对吸收膜近似有- - z 故多层膜的吸收为a - ( 1 - r ) a 妖 a 和r 分别为k 层膜的吸收率和反射率 反射镜通常是由光学厚度为詈的商折射率o 和低折射率工两种材料交替镀制而成。 彳= 扫鑫( + 屯) ( 3 2 1 ) 觥彳= 等c ，心 + 榭- 1 z z ， ( 3 2 1 ) 式预示了反射镜的总吸收率，而( 3 2 2 ) 式给出了反射镜中各层膜的吸收 分布，可以看出，反射镜中相同材料的相邻膜层，吸收率以因子f ! 蔓1 2 递减，而且由于 屯 ，乡乏= o 5故随着层数的增加，吸收迅速达到极限值比值乡幺愈小， 趋近极值愈快。乃酬懈= 3 x l o 。，七工- - 9 x l o - s 吸收a = o 0 7 2 ，而靠近空气侧的 8 层膜就占了0 0 7 ，最大四层占了0 0 6 2 如果反射镜为偶数层，并且最外层为，则吸收率为 4 = 搿嘞i 西一吒j ( 3 2 3 ) 比较( 3 2 1 ) 、( 3 2 2 ) 式，很容易看出，最外层为低折射率层的偶数层反射镜，吸收要 比最外层为高折射率层的奇数层反射镜大得多1 2 e ! 。 3 3 3 偏振膜中的散射损耗 造成散射损耗的原因是多种多样的，薄膜的成核和生长机理，引起膜层微观结构的 不均匀性，从而产生散射，借助于电子显微镜观察多层膜横断面的微观结构证实。几乎 所有的真空蒸发薄膜都显现非常明显的柱状结构，使得膜层内部充满空隙，而表面变得 凸凹不平此外，基片表面的粗糙度及其缺陷也会表现到各个薄膜界面上，还有蒸发源 喷溅的粒子、膜层中的微尘、裂纹和针孔等因素，相互交叉，构成复杂的散射模型哺1 总的来说，散射可归结为二类，而体积散射和表面散射 体积散射是薄膜内的结构不完善性所引起的，由于体积散射消光系数与吸收消光系 数具有完全相同的性质，都使透射率按其指数规律衰减，故可以把吸收损耗与体积散射 损耗合在一起计算，并把两者之和称为体积损耗，用、，l 表示 ( 院) = 虿2 z n 胛。p i 知 + 吒b ( 3 2 4 ) ( b = b + ( 七工b = 吒+ 吒 ( 3 2 5 ) 表面散射由租糙表面的不规则程度所决定。 s s l 表面散射损耗 c 瓯声虿嚣c 一，份 1 + ( 笥+ ( 小+ ( 耵i z 6 ， 对上式求和：有 ( t o o = 3 2 ，r 2 n o 【嚣蚓 z ， 盯表示表面在垂直方向上偏离平均高度的不规则程度。 表达式( 3 2 2 ) 绘出了反射镜中各个奇数界面上的散射损耗分布。显然，它们以因子 ( 乡磊) 几何递减表达式( 3 2 6 ) 给出了反射镜总的表面散射损耗 从表达式( 3 2 7 ) 中可以看出式( 3 2 6 ) 表面散射损耗与两种材科的折射率差值成 正比，差值愈大，界面的反射损耗也愈大，反之= 瑰则界面消失，于是表面散射为零。 但折射率差值减小，欲达到高的反射率，必须增加膜层层数，使仃增大， 由于，要1 2 ， l 凡j 表面散射均方根粗糙度和波长非常敏感。 综合各种因素的影响，选择折射率差值适当的大一些的材料是有利的。 3 3 4 低损耗偏振膜的设计 通常高折射率的材料消光系数要比低折射率材料大l 2 个数量级，那么适当的减 小高折射率膜层的厚度，相应的增加低折射率膜层的厚度，则可望损耗得到降低。 另外驻波场强度分布主要集中在最外几层膜当中，所以不用减小所有高折射率膜层 的厚度，只要减小最外几层膜就足够了。这样既可满足降低损耗的要求，又可避免采用 过多的层数。 ， 如何确定加在导膜堆外面的附加堆厚度，使得反射镜满足两个条件。第一，反射 耳 率为最大，第二，两种材料的第一分界面上的电场强度等于下一个相似界面上的电场强 度，以便较均衡的分配场强。 设计的第一步先要确定附加的低折射率膜层厚度。在反射镜相邻界面上，电矢量振 幅的递推公式是： 目= 篙鞘目2 希蓑秘 ( 3 2 8 ) 其中p 是j - 1 界面上的振幅反射系数，艿是j - 1 和j 两界面之间的位相厚度 o i 。了n 产i 可以得到附加低折射率膜层的位相厚度的表达式： 一 ，( 1 卅+ ( 1 唧炳兹叫： ( 3 z 9 ) 式中，：- - n ；p 为振幅反射系数； 矿是高折射率膜层的位相厚度；口是附加在阜堆上的低折射率膜层的位相厚度。 上式说明，附加的低折射率膜层的位相厚度应是9 0 甩。时极值为极大值：愧 时极值为极小值。如果在这层膜上再接着镀一层 五4 的折射率为露：的第二层膜，那么这层膜就像镀在等效折射率为y = 群n ，的基片 上，其反射率与第一层膜有类似的变化规律，即当玛破等于监控波长的四分之一整数 倍对，膜系的反射率出现极值。这个规律可以推广到多层2 1 4 膜系的情况，这样人们 利用膜层沉积过程中反射率随膜厚变化的规律，通过光电膜厚监控仪检测沉积过程中 反射率出现的极值点来监控四分之一波长整数倍的膜系。该方法称之为。极值法”或 。转值法” 对于透射光，由于f = l 一置，也有类似的变化规律，监控也可以用透射光来完成。 监控中使用透射光好，还是使用反射光好，需要具体情况具体分析1 极值法监控时检测的是反射率反转点信号，因此它到底是反转点的绝对值还是相 对值不太重要，重要的是它应该是极值信号，体现在本机器上的就是使走的格值尽量 多一些，所以极值法应该有高的灵敏度，低的噪音一般情况，判断反射率极值的相 对误差y 在1 左右。它造成单层硫化锌膜的相对限度误差约为蹋。装有微机监控极值 的监控仪器中y 可望提高一个数量级，相应的膜厚相对误差可降到2 雠左右。由于噪 声的影响，想再进一步提高y 是非常困难的，这就是这个方法固有误差的基本情况 误差分析 薄膜镀制是固态的膜层材料在真空条件下蒸发或溅射，经过气相传输，在基片表 面沉积成薄膜。在镀制过程中，各种镀制工艺参数都影响着薄膜的性能因而薄膜的 折射率、透射比、散射、应力、附着力等性能都不能达到理想的结果。其中最重要的 是折射率的变化。 这些工艺参数主要包括真空度、沉积速率、基片温度、基片材锝、基片清洁度、 膜层材料、离子轰击蒸发方法、膜科蒸气分子入射角、烘烤处理等。 对于零件的制备，最主要的误差来自折射率的不精确和膜厚控制误差尤其对于 高折射率材料，由于这种材料很容易分离，所以必须充氧，而充氧就必然影响真空度， 并且考虑到充氧的充分与否，这一切都影响着折射率的变化，总之折射率的不精确最 终决定了实际曲线与理想曲线的不吻合脚o 。 而对于膜厚控制误差，这是由于单色仪的不理想以及关档板时，仍然有膜料沉积 下来，膜厚对曲线的影响是显而易见的。 在镀同一钟材料的时候，应尽量使工艺参数具重复性，大致差不多，从而使折射 率保持稳定，尽量趋近于理想曲线。 4 2 基片表面的粗糙度与洁净度 薄膜与基片界面的物理和化学性质不仅影响表面与基片的附着力、机械强度，而且 对整个膜层与基片组合的抗激光强度产生重要的影响。根据薄膜生长的模式，基片表面 的粗糙度不仅直接影响界面的粗糙度，而且还直接影响镀膜后膜面的租糙度，以致对整 个膜系的散射损耗带来举足轻重的影响“1 而且基片表面和相邻区域的几何状况、物理 和化学结构对界面层的形状及性能影响也很大，这不仅与所选的基片