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“逐层”法设计真空紫外高反膜 摘要 真空紫外反射膜在宇宙物理、生命科学和同步辐射等高科技领域应用广泛。 近年来，随着经济的高速发展、科技能力的迅速提升，国内外对真空紫外光学 元件的需求越来越多。然而真空紫外波段高反膜的获得仍面临许多困难，主要 原因是所有材料在这一波段都呈强吸收特性，单层膜和常规周期多层膜的反射 率都难以达到较高水平。因此，寻找合适的设计方法以提高这波段的反射率 显得尤为重要。本文在总结近几年反射膜研究进展及一些思路独特的增反膜设 计方法基础上，把日本学者m a s a k iy a m a m o t o 为软x 射线高反膜设计而提出的 “逐层”法应用于真空紫外高反膜的设计中，以试图有效解决强吸收性材料引 起的低反射率问题。 论文简要阐述了“逐层”设计的理论基础，膜材选择的基本原则，推导了 多层膜反射率递推公式。以光学工程中常用材料熔融石英和硅为基底，运用 m a t l a b 软件，用解析加复平面作图法，设计了对应于5 0 2 0 0 r i m 波段的高 反膜系。计算了s i c 、s i s i c 、s i w 、s i i r 及s i c o 等不同材料组合在不同基 底上的反射率，并确定了最高反射率时所对应的膜厚和膜层总数。计算结果表 明：用这种设计方法获得的熔融石英基底上硅、碳组成膜系的反射率最高，5 0 - - 2 0 0 n m 整个波段的平均反射率可达6 4 ；在1 8 0 , - - 一2 0 0 n m 波段，平均反射率在 8 5 以上，仅比a i + m g f 2 的组合略低；5 0 - - 11 0 n m 波段的平均反射率为5 0 4 ， 高于亚四分之一波长多层膜设计法得到的4 5 的反射率。与单层膜和常规周期 多层膜相比，这种设计方法可以明显地提高强吸收波段的反射率。此外，就膜 厚误差对反射率的影响也进行了相应的计算、分析。 关键词：真空紫外；高反膜；膜系设计；反射率 d e s i g no fh i g hr e f l e c t i v ev a c u u mu l t r a v i o l e t m u l t i l a y e r sw i t hl a y e r - b y l a y e rm e t h o d a b s t r a c t v a c u u mu l t r a v i o l e t ( v u v ) r e f l e c t i n gf i l m sh a v ef o u n dv a r i o u sa p p l i c a t i o n si n m a n yh i g h t e c hf i e l d si n c l u d i n gc o s m i cp h y s i c s ，l i f es c i e n c e ，a n ds y n c h r o t r o n r a d i a t i o n ，a n dt h er a p i de n h a n c e m e n to ft h ee c o n o m i c a la n dt e c h n o l o g i c a lp o w e ro f t h ew o r l dh a sm a d em o r ea n dm o r ed e m a n d sf o rv a r i o u sv u v c o m p o n e n t st h e s e y e a r s h o w e v e r ，t h e r es t i l lr e m a i ns o m ep r o b l e m si no b t a i n i n gh i g hr e f l e c t a n c e v u vf i l m s ，f o ra l m o s ta l lm a t e r i a l sa r es t r o n g l ya b s o r p t i v ei nt h i s s p e c i a ls p e c t r a l r e g i o n ，t h e r e f o r e i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et of i n das u i t a b l e d e s i g nm e t h o dt o e n h a n c et h er e f l e c t i v i t yi n t h i ss p e c t r a lr e g i o n t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h el a t e s t p r o g r e s sa c h i e v e di nh i g hr e f l e c t i v ef i l m sd e s i g na n df a b r i c a t i o n ，a n dt r y st o i n t r o d u c et h el a y e r b y - l a y e r ( l b l ) m e t h o d ，c r e a t e db ym a s a k iy a m a m o t of o rh i g h r e f l e c t i v ex - r a ys t a c k s ，i n t od e s i g no fv u vs t a c k si no r d e rt oa c h i e v ed e s i r e dh i g h v u vr e f l e c t a n c e t h ep a p e rb r i e f l ye x p l a i n st h et h e o r yo fl b lm e t h o da n dp r i m a r yp r i n c i p l ef o r t h es e l e c t i o no fs t a c km a t e r i a l s ，a n dd e r i v e sb e r n i n gr e c u r r e n c ef o r m u l au s e df o r t h ec a l c u l a t i o no ft h er e f l e c t i v i t yo fm u l t i l a y e r s t h eh i g hr e f l e c t i v em u l t i l a y e r sa t w a v e l e n g t hb e t w e e n50a n d2 0 0a ma r ed e s i g n e dw i t ht h ea i do fa n a l y s i sm e t h o d a n dg r a p h i cr e p r e s e n t a t i o ni nag a u s s i a np l a n e t h er e f l e c t a n c eo fm u l t i l a y e r so f d i f f e r e n tm a t e r i a lc o m b i n a t i o n si n c l u d i n gs i c ，s i s i c ，s i w ，s i i ra n ds i c oo n f u s e ds i l i c aa n ds is u b s t r a t e sa r ec a l c u l a t e d ，a n dt h eo p t i m u mt h i c k n e s sa n dt h e t o t a ln u m b e ro fl a y e r sa r et h e r e f o r ed e t e r m i n e d t h ec a l c u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e a v e r a g er e f l e c t a n c eo fm u l t i l a y e r so fs ia n dc o naf u s e ds i l i c as u b s t r a t ec a nr e a c h a sh i g ha s6 4 i nt h ew h o l ev u vr a n g e ，8 5 i nt h er e g i o nf r o m18 0 - 2 0 0n m ， s l i g h t l y l o w e rt h a nt h a to fa i m g f 2c o m b i n a t i o n s ，a n d5 0 4 i n5 0 - 110n m w a v e l e n g t hr e g i o n ，m u c hh i g h e rt h a n4 5 d e s i g n e db ys u b q u a r t e r w a v e l e n g t h m e t h o d c o m p a r e dt o t h es i n g l e l a y e rr e f l e c t i v ef i l m sa n dc o n v e n t i o n a l1 4 九 m u l t i l a y e r s ，t h i sm e t h o dc a ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h er e f l e c t a n c eo ft h em u l t i l a y e r s u s e di nv u vw a v e l e n g t hr e g i o n t h ei n f l u e n c eo ff i l mt h i c k n e s se r r o ro nt h e r e f l e c t a n c ei sa l s os t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h el a y e rt h i c k n e s sd o e si n f l u e n c e t h ev i7 vr e f l e c t a n c eo ft h ef i l m k e y w o r d s ：v a c c u mu l t r a v i o l e t ；h i g h r e f l e c t i o nf i l m s ；c o a t i n g d e s i g n ；r e f l e c t i v i t y 插图清单 图卜l5 0 - - - 2 0 0 n m 波段在电磁波谱中的位置l 图1 2 垂直入射时i r 、p t 和a u 三种金属单层膜在真空紫外波段的反射率3 图1 - 3 难熔金属m o 、r e 和w 在入射角15 。时、5 0 - - 一2 0 0 n m 波段的反射率3 图1 4c v d 、i b d 和m ss i c 反射率与波长的关系曲线4 图1 5 合成金刚石与i 型天然金刚石的反射率曲线4 图卜6s i c 、b 4 c 多层膜与单层s i c 薄膜的反射率曲线5 图1 7 玻璃基片上优化后的b 4 c i r 膜系与单层的b 4 c 和i r 膜在近正入射情况 下的反射率曲线6 图2 1 单层膜的各菲涅耳反射比和透射比1 2 图2 2 单层膜各反射光的振幅l3 图2 3m 层膜系的示意图14 图2 一，层膜系的示意图15 图2 ，1 层膜系的示意图：15 图3 1 “逐层”设计法的模型l9 图3 2 波长5 0 n m 处材料光学常数的疗k 复平面图2 0 图3 3 复平面上氇点到各个材料，点形成的反射系数r ，曲线2 3 图3 - 4 波长5 0 n m 处垂直入射时s i c 膜系的反射系数曲线2 4 图3 5 波长5 0 n m 处s i c 膜系中每层膜厚取整后的反射系数曲线2 6 图3 - 6 波长5 0 n m 处s i c 膜系中每层膜厚都取1 2 5 n m 时的反射系数曲线2 7 图3 7 波长5 0 n m 处s i c 膜系中每层膜厚都比最佳值减少l n m 时的反射系数曲 线2 8 图3 8 波长5 0 n m 处s i c 膜系中每层膜厚都比最佳值增加1 n m 时的反射系数曲 线2 9 图3 - 9 波长5 0 n m 处s i c 膜系中每层膜厚都比最佳值减少2 n m 时的反射系数曲 线3 0 图3 1 0 波长5 0 n m 处s i c 膜系中每层膜厚都比最佳值增加2 n m 时的反射系数 曲线31 图3 1 1 波长5 0 n m 处垂直入射时s i c 另一种膜系的反射系数曲线3 3 图3 1 2 波长1 2 0 n m 处垂直入射时s i c 膜系的反射系数曲线3 4 图3 1 3 波长2 0 0 n m 处垂直入射时s i c 膜系的反射系数曲线3 5 图3 1 45 0 - 一2 0 0 n m 波段垂直入射时s i c 膜系的反射率曲线3 6 图4 1 波长5 0 n m 处c 【s i 基底上s i c 膜系的反射系数曲线3 9 图4 2 波长5 0 n m 处s i 基底上s i c 膜系的反射系数曲线4 0 图4 3 波长12 0 n m 处0 【s i 基底上s i c 膜系的反射系数曲线4 1 图4 4 波长1 2 0 n m 处s i 基底上s i c 膜系的反射系数曲线4 2 图4 5 波长2 0 0 n m 处a s i 基底上s i c 膜系的反射系数曲线4 3 图4 6 波长2 0 0 n m 处s i 基底上s i c 膜系的反射系数曲线4 4 图4 7 波长5 0 n m 处垂直入射时s i s i c 膜系的反射系数曲线4 6 图4 8 波长5 0 n m 处垂直入射时s i w 膜系的反射系数曲线4 7 图4 9 波长5 0 n m 处垂直入射时s i i r 膜系的反射系数曲线4 8 图4 1 0 波长5 0 n m 处垂直入射时s i c o 膜系的反射系数曲线4 9 图4 1 l5 0 - 2 0 0 n m 波段熔融石英基底上s i 和其它材料组成膜系的反射率5 0 图4 125 0 - - - 2 0 0 n m 波段熔融石英基底上0 【s i 和其它材料组成膜系的反射率 ! ；o 表格清单 表3 1s i c 、w 、c 、i r 和c o 在s i 界面上的反射率2 3 表3 2 波长5 0 n t o 处s i c 多层膜的膜系结构2 5 表3 3 波长5 0 n m 处s c 膜系中每层膜厚取整后的反射率2 6 表3 - 4 波长5 0 n t o 处s i c 膜系中每层膜厚都比最佳值减少1 i l m 时的反射率2 8 表3 5 波长5 0 n m 处s i c 膜系中每层膜厚都比最佳值增加1 n m 时的反射率2 9 表3 - 6 波长5 0 n m 处s i c 膜系中每层膜厚都比最佳值减少2 n m 时的反射率3 0 表3 7 波长5 0 h m 处s c 膜系中每层膜厚都比最佳值增加2 n m 时的反射率3 l 表3 8 波长5 0 n m 处s i c 多层膜的另一种膜系结构3 2 表3 - 9 波长1 2 0 n m 处s i c 多层膜的膜系结构3 4 表3 1o 波长2 0 0 n m 处s i c 多层膜的膜系结构3 6 表4 1 波长5 0 n m 处0 【一s i 基底上s i c 膜系的结构3 9 表4 2 波长5 0 n m 处s i 基底上s i c 膜系的结构4 0 表4 3 波长12 0 n m 处c 【s i 基底上s i c 膜系的结构：4 l 表4 4 波长12 0 n m 处s i 基底上s i c 膜系的结构4 2 表4 5 波长2 0 0 n m 处a s i 基底上s i c 膜系的结构4 3 表4 6 波长2 0 0 n m 处s i 基底上s i c 膜系的结构4 4 表4 7 波长5 0 n m 处s i s i c 多层膜的膜系结构4 6 表4 8 波长5 0 n m 处s i w 多层膜的膜系结构4 7 表4 - 9 波长5 0 n m 处s i i r 多层膜的膜系结构4 8 表4 1 0 波长5 0 n m 处s i c o 多层膜的膜系结构4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：奎腭r 陟签字日期：西卜年午月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金g 墨王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金旦巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：由芸i 邑 签字日期：沙f d 年4 月习日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：彩奴 签字日期：沙，o 年严月矽日 电话： 邮编： 致谢 在此论文完稿之际，请允许我向我的导师干蜀毅副教授表示感谢。感谢他 无微不至的关心和教诲。干老师渊博的知识，宽广的胸怀和严谨的治学态度会 像一盏明灯永远指引着我在科研道路上前进，他是我学习的楷模。在此，谨向 干老师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 硕士三年的时间，真空教研室的每一位教师都给予我莫大的关心和帮助。 感谢陈长琦教授、朱武教授、王旭迪副教授、王君副教授和方应翠副教授等全 体教师。多年来他们在学业上的指导和帮助，使我在硕士期间专业知识和动手 能力都有很大提高。在此献上我最真挚的谢意! 衷心感谢硕士研究生求学期间给予我帮助的师兄贺成玉、王策、郭江涛、 张建国和窦仁超；同学卢景景、汪明明、熊模华、赵晶晶和杨林生；师弟梁平、 李杰和戴佳鑫；朋友张辉、赵鹏及任彦铭等。是他们的帮助和支持使我顺利地 完成我的硕士论文。 感谢真空技术与装备研究生办公室6 1 1 的全体成员。大家共同组成的这个 温暖的集体，给我的学习和生活带来无尽的方便，也给我的人生带来许多温暖 的回忆。 最后我要感谢我的父母。感谢他们默默的支持和奉献! 谢谢你们，我的老师，同学和亲人! 作者：刘兴悦 2 0 1 0 年4 月7 日 第一章绪论 1 _ 1 引言 早在上个世纪5 0 年代，人们便开始时光学薄膜进行系统、深八地研究。 经过几1 年的迅速发展，光学薄膜的研究与应用几乎遍布了整个电磁波谱2 , 3 i ， 如图1 1 所示。从长波段的红外线到短波段的x 射线( 软x 射线、硬x 射线) ， 光学薄膜都以其特有的优势在科学研究与技术应用领域发挥着至关重要的作 用，对于研究太阳物理、大气物理和生命科学具有重要意义。 敢长 e v1 0e v 1 0 0e v1k e y1 0k e v 光子篦量 幽l 一15 0 2 0 0 n m 波段在电碰波谱中的位置 在电磁波谱中，真空紫外是一种波长范围为5 0 2 0 0 n m 的不可见光线。由 于真空紫外光波长短、热效应不强等特性，而广泛应用于工业、医学、天文和 侦破等领域i “。特别是随着高密度信息存储、火规模集成电路以及惯性约束核 聚变等近代科学技术的发展，人们对存储密度、仪器集成度和高功率激光系统 的发展越来越重视。而真空紫外反射镜正是支持这些系统的重要元件，它们的 光学性能直接影响着整个系统的效率。 然而在真空紫外波段，由于辐射与物质相互作用，物质在很短的距离便被 吸收( 典型的吸收长度为纳米或微米数量级) ，物质表现出强烈的吸收特性。j 下 是这种强吸收特性，使得单层膜和常规周期多层膜难以达到较高的反射效果。 近年来，随着空间科学技术的发展，真空紫外光谱在宇宙物理、大气物理，太 阳光谱学阻及卫星表面膜层温度控制等众多领域有若广泛的应用，同时在同步 辐射光学系统以及亚微米光刻技术中也突显出重要的研究价值”j 。要在这些领 域内进行科研工作，性能良好的真空紫外高反射镜是必备的光学元件。囚此r 科学技术的发展和进步迫切需要人们致力于真空紫外5 0 2 0 0 n m 强吸收波段高 反射膜的研究。 1 2 真空紫外波段反射膜的发展概况 近年来，国内外对真空紫外波段的研究非常活跃，所取得的成就意味着今 后将出现真空紫外工艺这一新技术。过去存在的问题是缺少真空紫外光源，大 功率同步辐射光源的出现使得这一问题迎刃而解。同步辐射光源包括了从x 射 线到可见光的全部光谱范围。在真空紫外所有的应用中，反射膜的作用至关重 要。因此，如何获得高质量的反射膜也直为各国科学家所关注。一般而言， 高质量的反射膜首先在反射中心波长处应具有高反射率和高稳定性。此外，制 作的经济性、与环境的互容性以及反射带宽等性能也必须加以考虑。在真空紫 外波段，由于物质表现出强烈的吸收特性，可用作反射膜的薄膜材料比可见区 域和近红外区域少得多。为使所制作的反射膜在真空紫外整个波段都具有稳定、 较高的反射率，各国研究人员几十年来从膜材选择、膜系设计到最后薄膜制作 等方面进行了深入系统的研究，提出了各种增强真空紫外波段反射率的方法， 制出了许多新的光学涂层，取得了一系列显著的成果。下面以单层膜和多层膜 两种类别，将近几十年来真空紫外波段反射膜的研究现状加以系统的整理、总 结。分析了影响反射率的因素以及增强反射率的机理，并给出了相应波段所用 的膜材、膜对结构和所能达到的最高反射率。 1 2 1 单层膜反射镜 采用全金属单层膜作为真空紫外波段反射膜是一种可行的选择。其优点是 薄膜制作过程相对简单，在镀膜过程中通过选择合适的工艺参数，可在一定程 度上控制薄膜的组织结构、膜厚、光学常数和反射率。但是金属反射膜的反射 率较低，并且具有一定的吸收，所以金属反射膜仅用于对膜层的吸收和损耗没 有特殊要求的场合。根据其光学特性、化学稳定性和安全性，适合做金属单层 反射膜的材料主要是贵金属( i r 、p t 、a u 等) 和难熔金属( m o 、r e 、w 等) 。用不 同的镀膜方法获得的不同类型的金属膜，在不同的波段有不同的反射率。反射 率的差异与金属元素的原子结构、微观组织、表面粗糙度和薄膜的镀制参数等 密切相关。 图1 2 给出了i r 、p t 和a u 三种金属单层膜在真空紫外波段垂直入射时， 反射率随波长变化的情况1 6 j 。由图可见：在5 0 1 0 0 n m 波段，i r 膜的反射率最 高，平均值在2 0 左右，而p t 、a u 膜的平均反射率都在2 0 以下。i r 的化学 性质稳定、熔点极高以及空气中的时效对i r 膜反射率几乎没有影响，因此i r 膜在实际中得到了广泛的应用。研究表明：基底温度对i r 膜的反射率有强烈的 影响1 7 1 。基底温度以3 0 0 c 为界，在3 0 0 以下，i r 膜反射率随着基底温度的升 高而提高；超过3 0 0 ，提高温度对i f 膜反射率的影响不大。加温基底上i r 膜 反射率高的原因在于此时沉积的i r 膜结晶不完善性最低。在真空紫外大部分区 域，玻璃基底上半透明的i r 膜比不透明的i r 膜反射率要高，这是干涉作用的表 2 现；由于化学惰性，在较高温度下沉积的i r 膜反射率对沉积速率及真空度的依 赖较小。p t 、a u 膜与i r 膜有着类似的性质。不同的是，i r 膜对玻璃基底的附着 力较好，很少在基底上龟裂、起皱，而p t 、a u 膜则需要过渡层c r 或t i 来提高 其与玻璃基底的附着力。 图l 一2 垂直入射时i r 、p t 和a u 三种金属单层膜在真空紫外波段的反射率 图1 3 则给出了难熔金属m o 、r e 和w 在入射角15 0 时，5 0 - - 2 0 0 n m 波段 的反射率j 。由图可见：在波长1 5 0 n m 以上，m o 、r e 膜的反射率较高，分别 可达7 0 、5 0 以上；波长较短时，w 在相当宽的波段内( 约6 0 - - 14 0 n m ) 平均 反射率在3 0 以上；在波长6 0 n m 以下所有难熔金属单层膜的反射率都迅速下 降，其原因在于这些金属元素等离激元的产生。研究表明：基底温度对w 膜反 射率有强烈的影响 9 1 。在4 0 0 以下，w 膜反射率随着基底温度的升高而提高； 超过4 0 0 反射率几乎不变。空气中的时效可导致w 膜表面形成氧化膜，对反 射率有很大影响。影响r e 膜反射率的最主要因素是膜层厚度，半透明的r e 膜 比不透明的r e 膜反射率高得多。影响m o 膜反射率最主要的因素是薄膜的沉积 方法，其中以热蒸发能够获得的反射率最高【l0 1 。 图1 3 难熔金属m o 、r e 和w 在入射角1 5 。时、5 0 - - 2 0 0 n m 波段的反射率 除了采用全金属镀制的单层膜外，在真空紫外波段也可以用s i c 或合成金 刚石制成单层膜。根据镀膜方式的不同，单层s i c 薄膜的制作方法可分为：化 学气相沉积( c v d ) 、离子束沉积( i b d ) 、高密度铸造( h d c ) 、磁控溅射( m s ) 、烧 结和热压等。其中只有c v d 、i b d 、h d c 及m s 适合制作s i c 单层膜反射镜。 图卜4 给出了c v d 、i b d 和m ss i c 得到的反射率与波长的关系曲线q 。显 然c v ds i c 获得的反射率比i b d 、m s 的都高，在波长6 0 n m 以上其平均反射 率高于4 0 ，而后两者区别不明显。然而c v ds i c 成本较高，沉积过程中所必 须的高温条件也限制了它在一些场合的应用。 图1 4c v d 、i b d 和m ss i c 反射率与波长的关系曲线 图1 5 则给出了合成金刚石与i 型天然金刚石反射率的比较曲线。显然在 所讨论的波段内，后者具有更高的反射率。改善合成金刚石表面的粗糙度可以 提高反射率，虽然可以在低温、低压条件下制备金刚石薄膜，但是如何获得表 面光滑的金刚石薄膜在目前并不容易。 图1 5 合成金刚石与i 型天然金刚石的反射率曲线 上述分析表明，金属单层膜在真空紫外整个波段能够达到一定的反射效果， 加之金属薄膜截止带宽大、偏振效应小以及薄膜制作过程相对简单等优点，对 于设计些特殊应用的膜系具有重要作用。但是金属材料通常具有很强的吸收 4 性，因而反射率不会很高，一定程度上限制了金属膜的应用范围。s i c 、合成金 刚石薄膜虽然可以得到可观的反射率，但是在制膜工艺上却受到了很大限制。 因此为获得更有价值的真空紫外反射膜，人们开始把研究方向转向多层膜，并 从膜材选择和膜系设计等方面，对这一波段的反射膜进行了广泛而深入的研究。 1 2 2 多层膜反射镜 在真空紫外波段，a l 能够获得很高和很稳定的反射率，而且a l 容易蒸发， 对基底的附着力也比较强，因此理论上a l 是镀制真空紫外波段反射膜的理想材 料。但实际上a 1 的化学性质非常活泼，暴露在空气中其表面会生成一层非晶的、 高透明的、厚度极薄的、在波长1 6 0 n m 以下呈强烈吸收特性的a 1 2 0 3 ，会极大 地影响反射率。例如对波长1 1 0 n m 的入射光，1 5 2 n m 厚的a 1 2 0 3 足以将a l 膜的反射率减少一半1 1 引。 对于a l 在真空紫外波段光学特性的研究已经取得了许多重要的成果【1 7 2 0 1 。 a l 膜镀制结束后，立即在其表面涂覆一层保护膜以防止氧化，这是目前采用的 一种保护a l 膜在真空紫外波段高反射率的有效方法，以m g f 2 或l i f 做保护层 效果最佳 2 1 , 2 2 】。保护层还可以利用a l 膜和其界面间的相长干涉提高膜系的反 射率，其涂覆的厚度及光学常数对a l 膜反射率有很大影响。太薄起不到应有的 保护作用，太厚则产生不了相长干涉。选用m g f 2 做保护层时，应在a l 膜镀制 结束后1 0 秒钟内涂覆，其最佳的沉积速率为4 5 n m s e c ，此时m g f 2 保护层致 密、纯度高。沉积速率高于此值会降低反射率，原因归咎于高沉积速率所需的 高温条件会引起m g f 2 的分解【23 1 。膜厚最佳值与反射光波长有如下关系：对 九= 1 3 0 n m 左右的入射光，m g f 2 保护层的最佳厚度为2 5 n m ，最高反射率可达 8 6 ；当九 1 5 0 n m 时，m g f 2 保护层的最佳厚度为4 8 n m ，反射率最高可达9 2 。 对九= 1 2 1 6 n m 和九= 1 0 2 6 n m 的入射光，理论上a i + l i f 膜系的反射率分别高达 9 4 、7 6 ；但实际制得的最高反射率只有8 1 、6 0 附2 4 j 。出现差异的原因可 q u 口 曼 u q 霞 2 图1 - 6s i c 、b 4 c 多层膜与单层s i c 薄膜的反射率曲线 能是计算时所引用的l i f 光学常数不正确，同时镀膜过程及镀后处理工艺对最 终反射率也有很大影响。研究表明：a i + l i f 膜系的反射率与l i f 薄膜的沉积速 率关系不大，但受基底温度的影响较大【25 1 。温度在15 0 左右时得到的l i f 薄 膜组织均匀、性能稳定。相对于a i + m g f 2 膜系，a i + l i f 膜系的时效性能不好。 但是a i + m g f 2 膜系外表面非常软，很容易被划出伤迹而导致反射率下降，因此 无论使用还是清洁时都应特别注意。 根据s i c 、b 4 c 等材料的复折射率，按照定的原则将其组成多层膜，也可 以达到一定的反射效果【26 。图1 - 6 给出几种这样的多层膜与单层s i c 薄膜的反 射率曲线。多层膜中以s i c 作为最外层，d l c 表示类金刚石碳( d i a m o n d l i k e c a r b o n ) 。显然在图中所示的波段内，多层膜的反射率处处都比单层s i c 薄膜的 反射率高。图1 7 则给出了玻璃基底上经优化后的b 4 c i r 多层膜与单层的b 4 c 和i r 膜在近正入射情况下的反射率曲线。由图可见：在以5 4 8 n m 为中心相当 宽的波段内，b 4 c i r 膜系的反射率远远高于单层b 4 c 、i r 膜的反射率，且变化 平缓。大约在波长7 2 n m 以上，其反射率才略低于单层的b 4 c 薄膜，但远远高 于i r 膜。 8 量 2 w , v e l 翻a g t w n m 图1 7 玻璃基片上优化后的b 4 c i r 膜系与单层的b 4 c 和i r 膜在近正入射情 况下的反射率曲线 s i c 、b 4 c 的另一种用途是涂覆在a i + m g f 2 膜系上。这样一方面可以在此 波段获得比单层s i c 、b 4 c 膜高的反射率，同时还可以把a i + m g f 2 膜系的高反 射带宽向短波方向延伸。19 9 8 年，西班牙人l a r r q u e r t 发表了自己的研究成果， 将在此波段反射率相对较高的s i c 和b 4 c 应用于反射率的研究，使用两种以上 材料对提高这一波段的反射率进行了多层膜的膜系设计【2 7 】。种是在制备技术 已经成熟的a i + m g f 2 膜系上分别镀制s i c 或b 4 c ，构成a 1 m g f 2 s i c 膜系或 a i m g f 2 b 4 c 膜系，其在波长9 1 2 n r n 处的反射率分别达到4 1 8 、4 0 7 ，比 单层s i c 、b 4 c 膜的反射率有明显地提高。第二种设计方法是在玻璃基底上从 6 外到内依次镀制s i c 、b 4 c 及d l c ( 这三种材料在真空紫外波段均有强吸收性， 且排列特点是折射率依次增加) ，构成s i c b 4 c d l c 膜系，其反射率可达3 9 4 。 第三种设计方法是将前两种设计方法相组合，将第一种设计方法中的外层材料 用d l c b 4 c s i c 来代替，构成a 1 m g f 2 d l c b 4 c s i c 膜系，其4 4 6 的反射率 高于前两种设计方法。从而利用高吸收性材料提高了波长9 1 2 n m 处的反射率。 由于多层膜膜层数较少，所以在整个波段有较好的展宽特性，反射率随着波长 的增加逐渐增大1 28 。尽管波长5 0 n m 处的反射率不到2 0 ，但是多种材料组成 的膜系可以明显地提高反射率。 综上所述，在真空紫外波段已成功研制出具有实用价值的高反膜。其中在 波长1 1 0 r i m 以上，a i + m g f 2 膜系是最佳选择，最高反射率可达9 2 ；在5 0 - - 1 1 0 n m 波段，s i c 、b 4 c 或其与a i + m g f 2 组成膜系的反射率在4 0 以上。影响 真空紫外波段反射膜反射率的主要因素涉及电磁学理论和实际镀膜过程中的各 个方面，包括膜系设计方法、膜材的选择、膜厚的确定、表面粗糙度、膜材间 相互扩散、真空度、基底温度和时效效应等。随着科技的发展，新的设计理念、 材料和技术手段不断出现，真空紫外反射膜的反射率也会不断地提高。 1 3 本课题的目的和预期 1 3 1本课题的目的 迄今为止，国内尚未对真空紫外波段高反射膜进行系统、深入地研究，仅 在a i + m g f 2 膜系的制备上有为数不多的报导。其主要原因是缺乏稳定、波长连 续的光源，对这方面的产品需求不多也是原因之一。近年来随着国民经济的高 速发展，科技能力的迅速提升，尤其是一些高新技术飞速发展，如航天、微机 电系统和加速器等，对真空紫外光学元件的需求越来越多。因此对真空紫外反 射膜进行深入、系统地研究很有必要。 本课题的目的是利用现有的条件，在真空紫外波段寻找高反射多层膜的设 计方法。为同步辐射加速器各线站5 0 - - 2 0 0 n m 反射镜的制作摸索经验，提供优 化参数，使所设计的多层膜获得尽可能高的反射率。 1 3 2 本课题的预期 本课题的预期包括以下四个部分： l 、全面掌握“逐层”设计法的理论基础，并将其正确应用于真空紫外波段反射 膜的设计中； 2 、从理论上分析相关材料的光学常数对真空紫外反射膜反射率的影响； 3 、编制整套计算机程序，使膜系的设计、计算过程效率更高，并自动显示作图 法求解答案的全过程； 4 、根据一定的原则，选择恰当的膜对材料，使所设计的膜系在真空紫外整个波 7 段的反射率稳定在4 0 以上。 1 4 本课题研究的主要内容 鉴于国内外对真空紫外波段反射膜的研究现状和近年来出现的一些思路独 特的增反膜设计方法，结合课题的目的和预期，本课题拟将“逐层 设计法应 用于真空紫外波段高反膜的设计中。在简要阐述“逐层”设计的理论基础上， 推导了多层膜反射率递推公式。根据膜材选择的基本原则，以光学工程中常用 材料熔融石英和硅为基底，计算了不同材料组合、不同基底上的反射率，并确 定了最高反射率时所对应的膜厚和膜层总数。运用m a t l a b 软件，用解析加 复平面作图法设计了对应于5 0 2 0 0 n m 波段的高反膜系。具体内容包括： 第一章：回顾、总结真空紫外波段反射膜的研究现状和进展，在此基础上提出 研究的目的、预期和主要研究内容； 第二章：概述光学薄膜的发展历程，回顾光学薄膜设计的一般方法，阐述了单 层膜的光学特性，推导了多层膜反射率递推公式； 第三章：回顾了近年来出现的一些思路独特的增反膜设计方法，在此基础上， 将“逐层 设计法应用于真空紫外波段高反膜的设计中。通过选择恰 当的膜对材料，运用m a t l a b 软件，用解析加复平面作图法设计了 对应于5 0 - - - 2 0 0 n m 波段的高反膜系。将“逐层”法设计出的膜系和其 它方法设计出的膜系进行反射率比较，检验“逐层”设计法的优劣。 并从理论上给出膜厚存在误差时对反射率的影响。 第四章：计算了5 0 , - - 2 0 0 n m 波段不同基底上、不同材料组合的反射率情况，并 确定了最高反射率时所对应的膜厚和膜层总数。分析、讨论基底及膜 材组合对反射率的影响 第五章：总结了“逐层法设计真空紫外波段反射膜的一些重要结论，并就进 一步提高反射率提出建议。 8 第二章光学薄膜设计的理论基础 2 1 引言 光学薄膜是现代光学仪器与光学器件的重要组成部分，在各种光学材料的 表面涂覆一层或多层薄膜，利用光的干涉原理可以改变反射光或透射光的光强、 偏振状态和位相变化等【29 1 。通过选择合适的工艺参数，光学薄膜可以镀制在晶 体、光纤、光学塑料和光学玻璃等各种材料的表面，其厚度一般为几个n m 到 几十个甚至上百个g m ，且牢固性、光学稳定性都可以达到相当好的程度。由 于是镀制在材料的表面，几乎不会增加材料的体积和重量，因此是改变光学仪 器与光学器件性能的重要方法。甚至可以说，没有光学薄膜就没有现如今各种 各样的光学仪器和光学器件。在近两百年的发展过程中，光学薄膜已经建立了 一整套完整的光学理论一一薄膜光学【30 1 ，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，如反射膜、增透膜、分光膜、截止滤光片和带通滤 光片等，并且形成了自己的产业。 回顾历史，薄膜光学起始于1 7 世纪“牛顿环”的发现，但用干涉原理对牛 顿环作出圆满、科学的解释却是在1 5 0 年后，即1 8 0 1 年杨( y o u n g ) 在世界上第 一次详细阐述了光的干涉原理。几乎所有光学薄膜的特性都是基于薄膜内光的 干涉效应，肥皂泡和水面上油污层的颜色便是单层膜中干涉效应的最好例子。 薄膜光学的真正起步应该从1 8 1 2 年夫琅和费( f r a u n h o f e r ) 用酸蚀法制得的第一 批增透膜算起。他将经过精细抛光的平面玻璃一半放在浓硫酸或浓硝酸中腐蚀， 将玻璃上的酸液清洗干净之后发现，经酸腐蚀的表面所反射的光强远低于另一 半表面的反射光强。18 7 3 年麦克斯韦( m a x w e l l ) 的巨著论电与磁出版，该书 从理论上和本质上证明了光是电磁波，为波动光学和薄膜光学的发展奠定了坚 实的理论基础。但是直到1 9 世纪末，人们并没有找到制造各种薄膜的工艺方法 和计算分析膜系的手段，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 年油扩散泵的发明和使用使得工业制造各种薄膜成为可能。接着便制 造出了单层反射膜、增透膜、分光膜和金属的法布里一一珀珞干涉滤光片等。 在上述实际成果的推动下，从4 0 年代开始，薄膜光学进入全面发展时期，相继 提出了各种薄膜光学理论和膜系计算方法。1 9 5 6 年瓦施切克( v a s i c e k ) 发表了第 一本薄膜光学专著：薄膜光学( o p t i c so f t h i nf i l m s ) 。到了6 0 年代，由于激 光、空间技术和光谱技术的飞速发展以及电子计算机的普及和应用，带动了光 学薄膜的飞速发展。1 9 6 9 年麦克劳德( m a c l e o d ) 用干涉矩阵解释和计算了光学薄 膜【3 1 1 ，出版了他的专著薄膜光学滤光器( t h i n f i l mo p t i c a lf i l t e r s ) 。接着在 19 7 6 年尼特尔( k n i t t l e ) 发表了他的专著薄膜光学( o p t i c so ft h i nf i l m s ) ，在 理论上全面讨论了薄膜光学的一些问题。进入9 0 年代，光通信技术的迅猛发展 9 与产业化生产，对光学薄膜的发展起了巨大的推动作用，对光学薄膜的设计与 制备也提出了越来越高的要求。现如今薄膜技术及其产品已经渗透到高科技领 域和人们日常生活的各个方面，给全人类带来了巨大而深远的影响。 2 2 光学薄膜设计的一般方法 薄膜光学本身的发展主要是解决光学薄膜的理论和计算问题，接着提出的 是各类光学薄膜的设计问题。膜系设计与光学设计不同，这是因为光学设计的 理论基础是几何光学，而膜系设计的理论基础是物理光学，是光的干涉原理。 最早的膜系设计方法是试凑法、图解法，但只能解决一些简单的膜系设计问题。 随着优化技术和