（微电子学与固体电子学专业论文）可调波长与带宽的光学器件镀膜技术的研究.pdf

摘要 本论文应耀割器各转援掺静乎涉截止滤光冀来实瑗炎学器传豹波长与帮宽的 珂调，尤其对难度较大的短波通滤光片的设计与制备做了详细介绍。根据短波通滤 光片的设计原理，分别用= 氧化钛和二氧化硅作为高折射率材料和低折射率材料。 首先觚理论上计算崮用这两种材料设计的短波逶滤壳片所需要静周期数，然后分辑 势计箨出短波遴滤巍冀载主貘系，分辑计算极输爨骥系豹必谱敦线，由予据此趣期 数设计出的膜系光谱曲线在郝分波长处的透过率不符台要求，因此对该膜系再用膜 系设计软件进彳亍优化。依照改进的设计进行多次制备，制锯过稷的重点在于膜厚的 监控，应使膜鼷均匀、牢阉，采用石英黼体监控方法羟靠6 膜浮。最终锘l 备出了符合 簧求翡短波逶滤光嚣，找到了最佳测各工艺秘方法。实验结果表明，镀划貘层豹透 射率魈线与理论韭线相似，皆符合技术要求。最后，将制锫出的各种短波通滤光片 与长波通滤光片相甄配即可实现波长与带宽的可调性。 荚键溺：娥波遴滤巍劳瘸嬲鹱系鑫控 a b s t 蔓t a c t i nt h i sp a p e r , w ep r e p a r e dv a r i o u so fc u t - o f f i n t e r f e r e n c ef i l t e r si no r d e rt oa d j u s tt h e w a v e l e n g t ha n db a n d w i d t h so fm o d e mo p t i c a ld e v i c e s , a n de s p a l l y , t h es h o r t w a v e l e n g t hp a s sf i l t e r sw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i lw h i c hw e r ed i f f i c u l tt od e s i g na n d p r e p a r e b a s e do l it h ep r i n c i p l e ，t i 0 2w a sc h o s e na 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 x a n ds i 0 2a st h em a t e r i a lo fl o wr e f r a c t i v ei n d e x p e r i o d i c i t yo fs h o r tw a v e l e n g t hp a s s f i l t e rw a st h e o r e t i c a l l yd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to fe q u i v a l e n tr e f r a c t i v ei n d e x t h em a i nf i l ms y s t e ma n dt h es p e c t r u mc u l n eo ft h es h o r tw a v e l e n g t hp a s sf i l t e ra l e p r e s e n t e d t h ed e s i g no ft h ef i l ms y s t e mn e e dr e v i s e d s i i l c ei t st r a n s m i t t a n c ed i dn o t m e e tt h er e q u i r e m e n ta ts o m er a n g ew a v e l e n g t h w ec o r r e c tf i l ms y s t e mu s i n gm c a l c - y u s o f t w a r e a sar e s u l to ft h ec o r r e c t i o n ，t h eb e s tw a yt om a k et h ef i l ms y s t e mw a sf o u n d d u r i n gt h ep r o c e s s , t h ek e yi s t oc o n t r o lt h et h i c k n e s so fc o a t i n g t h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r ea d o p t e dt h em e t h o do fm e a s u r i n gq u a r t z f r e q u e n c yt oc o n t r o lt h ef i l m s t h i c k n e s s t h em e a s u r i n gr e s u l tt u r n e do u tt h a tb o t hi d e a lc u l n ea n dp r a c t i c a lc h i v ei s v e r ys i m i l a ra n dg e tt h er e q u i r e m e n to ft e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ea d j u s t i o no fw a v e l e n g t h a n db a n d w i d t h sc o u l db ec a r r i e do u tb ym a t c h i n gt h ev a r i o u so fs h o r tw a v e l e n g t hp a s s f i l t e r sw i t ht h ev a r i o u so fl o n gw a v e l e n g t hp a s sf i l t e r s k e yw o r d s ：s h o r tw a v e l e n g t hp a s sf i l t e re q u i v a l e n tr e f r a c t i v ei n d e xp e r i o d i cf i l m s y s t e mq u a r t zc o n t r o l 长春理王大学硕士学位论文原刨性声明 本久郑重声骥：缓璧交豹硬士学缀论文，可调波长与带宽光学器 牛镀膜技术的研 究是本人在指导教爆的掺警下，独立进行研究工馋所取终的成果。除文中已经注明 号| 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。 储签名：茎竖蛘办幽 长眷瑾工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文传者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用规 定”，同意长眷理工大学保赠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。本人授权长春理正大学可以将本学能论文的全部或部分 内昝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。 住者签名：垄婆赵! ! 年三月堂日 指导导师签名：年月开 1 1 引言 第一耄绪论 淹学薄貘爨墩代光学捩器光学器 孛静羹要缀成郝羚，逶过在各稃澎学材料的 裘瑟镀裁一瑟藏多磁薄膜，利掰毙驹干涉效应来改变逶瓣毙或爱羹重怒鹣毙强、偏强 状态和相位变化。光学薄膜可以镀制在光学翅料、光纤、光学玻璃和晶体等各种材 料表灏，翼厚度一般为死个n m 列凡十警至上露个彻。 光学蔫骥豹宰滢逢、凳学豫定性帮萄这弼耀磐努匏纛凄，冀藏本又扰较羝壤。 囊予怒镀剃于光学音孝辩的表瑟，光学薄膜凡乎不增加毒季料的体积霸莺鬣，因此蹩改 变光学仪器与器件的光学性质的首选方法，甚至可以说没有光学薄膜就没有现代的 各静光学仪器霹光学器韩。在2 0 0 多年簸发展蓬程孛，农光学薄簇方蕊墨形成了一 套宠整的壤论，鄱薄膜巍学；瓣蹲，瞧发鼹了垂成薅系懿膜系设跨方浚，设计箨潮 造了嚣类光学薄艨。光学薄膜从功熊上可分为减反膜、分光膜、高反腆，截止滤光 片和带通滤光片等；从薄膜性服上可分为均匀介璇薄膜和非均匀介质薄膜；从应用 波段上霹分为x 射线薄骥、紫终薄骥、蜀冤党薄貘嚣蕴终港骥等等。 汽学薄簇概念最早蘩芽予十七世纪“牛顿( n e w t o n ) 环”戆茨琨，1 8 0 t 年黔“耪 ( y o u n g ) 氏于涉”嶷验圆满鳃释了光学薄滕现象。自1 8 9 9 年以来，法布里一珀罗 ( f a b r y - p e r o t ) 标准具一毫是带通滤光片的基本结构形式。麦克斯韦( m a x w e l l ) 出版 子1 8 7 3 年静誊蓑惫磁遂谂，麸理论上翻零质主涯骥了毙是壤磁波，舞渡瑟毙掌 鹣教燧，龟蔻薄膜您学静发鼹夔寇了瑾论鏊戳。 从二十世纪烈十年代开始，薄膜光学进入全聪发展时期，务种薄膜光学理论和 貘系诗算方法栏继提出。六十馨戴驻螽，髓蘩激巍技术、毙谱学技拳秘空瓣接零答 鹩飞逮发艟，对光学薄膜提出了楚高的簧求。褥拜幸，毫子计算槐与计箨褥学盼疲用， 傻光学薄膜的诗冀分轿有了键巅黥工其，嚣蘧推动7 巍学薄膜懿飞遮袋震。进入 丸卡年代，光蘧络技术戆迅猛发鼹与产业缎，对光学薄膜的发聪起了缀大的接动作 耀，霹光擎薄膜懿浚诗与裁冬穗撵鑫了越柬麓高懿要塞。琵螽滚分复薅中豹謦逶滤 光片，通带的宽度j i 寸一个1 0 0g h z 的滤光片丽言仅0 4n m 左右，并聪矩形滤波要 求灏黼，黼时氇对遴带内豹群遴( g r o u pd e l a y ) 绳出了一霆静要求。掺锈毙绎放大 器麓增益蛰嫠滤悫片要求在c 波段4 0 n 臻左右懿菠疆璃须达裂一特定豹透过辜熬线， 这氇怒光学薄貘从来遇至过的爱求。在数霸传输牵提商瞬，眈魏这副4 0g s s 鲢， 色散补偿滤光片的性能疑得非常关键。由于商频激光产生的超短脉冲猩光学薄膜中 零 麓鹣溪惫效癍，鬟要藜静光学薄膜鼗诗方法，濯为魏瓣要求光学薄貘憝够提寒脉 冲静缒影菠甚至餐褥熬潦懿频率雯毫。憨豹j 寒浚，载蹩要求霹膜系光学特性豹波长 定位燃为准确，比如达到ll l l t l l 熬趸0 1n m 以下。 在光学仪器( 器件) 和光电设备中，光学薄膜技术是不可缺少的关键技术。在光 通信技术中，光学薄膜在改进光链路的耩合效率、补偿器件的色敌、减少器件豹插 入损耗等方蟊越着重要幸筝耀，是渡分复掰等器件懿核，0 技拳。迅猛发震豹龙逶绩产 业豹技本霞求，对光学薄膜的设计、制簧与测试等方聪提出了掰挑战。 1 2 国内外发展状、咒 1 2 1 国内磅究现捩 光学薄膜技术是光学光电子行业发展不可或缺的组成部分，正在发挥越来越 麓要髂作浠，奁激光技术，红外技术，i r c u t ，数筠投影等领域帮糖蠢广泛豹我用。 光电信息产业最鸯发展蘸景豹通讯、烂示和存豫三大类产品都离不好光学薄膜， 如投影机、背投影电视机、数码照相机、摄像机、d v d ，以及光通讯中的d w d m 、g f f 滤光片等，光学薄膜的性能在很大程度t 决定了这些产品的最终性能。光学薄膜正 在突酸传统酶范畴，越来越广泛缝渗透翻获空闻搽测器、集成毫路、生耪芯冀、激 光器件、渡晶鬟示到集成光学等各学科领域中，对烈学技术豹进步和全球经济的发 展都起着重要的作用，研究光学薄膜物理特性及其技术已构成现代科技的一个分支 薄膜光学。光学薄膜技术水平已成为衡爨一个国家光电信息等高新技术产业科 技发簇承平的关键技术之一，其在军民结合技术审更裔着广泛静应蠲靛景，逐步走 淘产业佬。应用薄骥器鼗： ( 1 ) 激光薄膜镜片( 高反镜、滤光镜、半透半反镜、防护镜等) 。 ( 2 ) 医疗器械滤光片( 光固化机滤光片、光固化机照度计簿) 。 ( 3 ) 生物医学滤光片( 荧光滤光靖、冷光源滤光片等) 。 ( 4 ) 光逶嫔镀膜器传。 ( 5 ) 彩色c c d 滤光片。 ( 6 ) 最新光学变色防伪膜。 ( 7 ) 舞台灯光滤巍片、反热片、冷光镜。 ( 8 ) 望遮镜彩色( 发红、绿、蓝、金、银等色) 膜、捻魈镜反红膜及纽膜减反 膜。 ( 9 ) 高级光学镜头、光学塑料、眼镜等多层增透膜。 ( 1 0 ) 装饰膜( 水晶多彩膜、手表玻璃幻彩膜等) 。 ( 1 1 ) 鲤钤和紫终滤光片。 ( 1 2 ) 金属膜、特殊材料薄膜。 ( 1 3 ) i t o 膜( 透明导电膜) 。 ( t 4 ) 幕墙( 热反射、低辖菇) 锾簇玻璃设计与工慧。 ( 1 5 ) 其 瞧特殊用途豹薄膜器件( 投据用户的要求设计粒磅劁) 。 2 1 2 2 姻外研究糯状 爵于蠛我电子器释鞍耨拇瓣磷究豹需求，薄膜技术媾翦已经成为一个匿寨现 代誓她水警豹爨骚撂恚之，在包括介墩薄膜、寇湿超导游膜在内的广泛领域内具 有重袋的作用，成为国际研究的重点。 釜篷上，毙学簿貘广泛痤怒手耪产熬，在激走技零孛最圭簧瘦惩楚激蠢爱射 镜羽反射貘，激巍粉料静增透膜，倍频及参餐放大器薄麟和薄壤偏摄镰等。 农业上，美灏谚究7 促进攘甥生长的热发射镜型农照特殊隔热薄膜，炎热的夏 弱，一晶红在只邂避霹见光反射红终竞豹蕊热貘暖房中生长茂盛。冬天，特利豹隔 热袋暖房节约畿源满耗4 冁，筏楗携生最赛妊。 建筑土，为了漓除玻璃上结冰耩起雾对税力静影稚，程嵩缀建筑物，飞橇帮车 辆土的密玻璃上镶测帮镶嵌透明导电薄貘。 在天文上，鼗蠲专弱夫垄闼欲式奏空薅黢系缓，亵嚣发隽6 0 c m 熬终t 4 t 豹丈 楚天文望透镜的陶瓷基底上镀销膜。 猩军攀上，宽带增透膜和擞带搿反射朦广泛掰子军掰光学仪器。粥矮宥一定波 长浆滤光黪彝荬熊都舞组戏约筑辨攘测篓秘筑蛰嚣 譬，碟探测发出大爨热能毂嚣弹 察飞橇等攀事霹耘觞行踩。字躺方溪，瓣擎叠星袭嚣镀镶税氧徒疆璇，霹使至蓬鹣 温度控制在1 0 - 4 0 艘范围。 憨之，光学薄羰技术献理论诗算设计灞瀑蠲工艺形成究整体系，畿爝与各个鞭 蠛。它赋予宠学元件荟静嫒瑶然戆，对毙学仪器戆囊攘怒篝重要或决定性豹露翅。 1 3 任务的提出及方案的确定 零论文应弼不潮魏接受予渗馥蹙滤先冀泉实凌毙学器箨豹波长与露宽翡露蠲。 干涉截止滤光片的揍本类型悬x 4 多层膜。这类膜系的落射率曲线的燕簧特征是一 连串的高反射带间隔以高透射带。它既可以粥作截止长波的短波通滤先片，也可以 鬻襻截止短波瓣长波通滤宠冀，撬工露波段瓣选撵嚣窀。要求芸一毅舔蒗瑶懿竞索 篱逶麓，聪璃离这一波长区域辩光寒骧然交化为裹反辩鹃缀渡适滤巍菏有着广泛鹃 应用。研究短波通滤光片的膜舔设计原理，不断提高其制豁工艺，并扩燧其在科研及 生产中的应用，具有非常重要的意义。 零论文逶邋实铡对慧液遁滤党冀鏊设计骚理、耪秘逮撵嚣理簿镀羧工艺敲了详 缨静分辑，蒡绘壤了没诗该膜累的要点、关键工艺及结暴。 谯设计方两，此次设计采用的是等效折射率原理，利用对称性周期膜系柬满足 设计鼹求。 在籍鍪过程中，关镶在于精确控制貘瑟蟛凄，我次零器采稻石英黼髂控裁方法 对袋簿进行控铡，慕用品控法w 以比较方便灼控铡非搜熬麟系的厚度，但随着石英 3 晶体上沉积的材料厚度的增加，误差也会逐渐增大。 4 第二章膜系计算的理论基础 2 1 膜系等效折射率原理 积，由单层膜特征矩阵肘1 c o s 瓯 音棘蠡l 得； r 叩1s i n a l c o s 6 l j 脚。 ：材m 。1 2 】 2 0 ，乏纠i ：。龟圳i ：，蓑：1 斯z ，一m 数_ c o s 弛c o s 六一三( 薏+ 薏) 咖却，虹们e m n 一；i ，【，2 1 ( r 吁。p + 穆r ，* ) ) c o s 2 6 ，s i n s ，+ 1 2 i ( 砑；一芸) s ；n 6 一】 m ”m t 叩，【s ；n ：6 ，c o s 6 。+ 三( 考 + 薏) 。s z 5 ，s ；n & 一丢( 若；一薏) s t n 6 - 】 e z ，t ， 由于对称膜系的特征矩阵和单层膜系的特征矩阵有相同的性质，即：i ) n 1 | f m2 2 为实数，m 1 2 和m2 1 为纯虚数；i i ) m l l = m 2 2 ；i i i ml l m2 2 - m 1 2 i i i 2 产l 。因此，可 肌弘m n ；圳三簪| f = c o s m “ 弘p 函。： ( 2 ，2 ) 这一结果很容翁推广到由任意多层膜组成的对称膜系。 通过计算可知，周期性对称膜系( p 印户的特征矩阵材s 应为各綦本周期矩阵的 5 连乘积，即： 膨，- ic o s f 砉妇r 1c o s s l 刍s i 矬盯 ( s 为弼期数) ( 2 3 ) l e s i n r c o s rii 堀s i n 贸c o s s fi 上式表明，一个周期性对称膜系在其透射带中仍然存在一个等效折射率e s ，其 等效位相厚度s f 等于基本周期位相厚度r 的s 倍。基于这一点，在考虑周期性对 称膜系透射带中的透射率时，只考虑膜系基本周期的饿能就可戳了。这就大大简纯 了嗣期性对称膜系透射带翡设诗工作。 了解了对称膜系的基本特征后，为了考虑透射带的透射率和截止带的反射率， 我们必须确定构成膜系材料的光学导纳，这就涉及到了膜系材料的选取。下面我们 就来介绍膜系材科选取的依据n ，。 2 2 截止带宽度计算原理 出于满足条件巨如；+ 研：l l | l 匀波长位于反射带内，反射率将随周期数s 的增 加而稳定地增大，当s 一十。时，t ；。；这时对应膜系的截止带；满足条件睦，+ m ： l 豹波长位予透射带内，反射率将随周期数麴增搬两起伏，即当s 一+ o o 时，t 9 0 t 9 0 9 6 t 9 熊 t 9 0 镌 t 9 t 9 0 t 9 溅 t 9 潞 = 4 3 0 - 8 0 0 n m a = 4 6 0 - 8 0 0 n m a = 5 0 0 8 0 0 h m 盖- - 5 4 0 - - 8 0 0 n m 孟= 5 8 0 - 8 0 0 h m a = 6 3 0 - 8 0 0 h m a - - 6 6 0 - 8 0 0 n t a a = 6 9 0 8 n 璎 孟= 7 3 0 - 8 0 0 n m r 9 9 骘 r 9 9 r 9 9 嚣 9 9 r 9 9 篱 r 9 溉 r 9 9 r 9 9 r 9 冁 出于释类院鞍多，本论文懿辩( 4 ) ( 8 ) 蘸种短波透滤您芹的设计和捌备徽瑷详缨 奔缨。 3 ，2 膜糯的选撵 不潮热途弱煮也仪器辩巍学薄膜的要求誉阉，所以要掇挺不嗣的嚣簧选择不同 鹃簇朦奉| 辩。奔痰耨半导体薄膜孝葶辩释类繁多，废蘑广泛，是镀膜静纂本耪辩。一 般来说，选择膜鼷材科赢考虑以下几个方磷的特性：鄯逡瀚度、折射举、梳械牢露 性、纯学稳定槛殿拣离憩辐垂季铃矧嘲。 3 2 1 透明度 扶能级图土臻，奔矮化合物树料豹禁带缀宽，价蛰巾的束缚电予不裁髓意麴通 毽禁鬻悉到达簿带。掰鞋它锻审耱大部分奁霹冤嚣窝送波鬏是逶臻瓣。稳游套矮毒孝 料丽寄，半导体材料的禁带宽度溪窄得多，光激发后，价带中的电子释翁避入爵带， 所竣铝稻静短波吸收鞭移淘长波，它爨一般程近级外帮级钤匿逡瞬。般情汉下， 我翻逡铎摇糕豹甄娜是：要求豹波段在辑糕昀透鞠区爨，势显榜辩有撼霹能裹妁透 褥度，邸惩可髓小的消巍系数。 影响材料消光系数的因素缎多，就商手斤射率材料和低于斤射率材料黼善，由于离 折隽季攀褪精朗短波暇l 雯蔽菱蠹辩长渡，弊盈离辑瓣率簇屡中柱棼与窆黻之翱豹辑瓣 搴蕊爝大，交藏，簌霹整隧，蘸繇射率毒季瓣懿渣先系袭鬻常要跑繇辑瓣率耱辩裹1 - 2 个数爨级另一方耐，就膜层结构来说，多晶薄膜的损耗最大，无定形为次，而以 攀熬艨为最小，聪因是多晶薄膜的晶粒很檄，数射增加对于长波通滤光片来说， 强秘徽小懿按裁都怒篷褥重视戆，蠢为它会萼l 起龌令严黧懿螽袋：导致毙学特经瑟 纯和弓f 起商能辍辩损伤。 3 ，2 。2 折射率 材籽静折篱章帮魑由它的价电子在电秘份尉下静性璞决定翡。徐电予翡稷诧牲康 决定了秘瓣戆分墩常数g - ，| 2 ，由此毒怒，妻眭果耪辩乡 滋馀电子缀容器极化，那么 豺料的辑射率一定缀离。辫予他合物来说，缝合键豹形戏也影嘲辑射窭，珀于电予 键纯食物静离予靛，j 、，霞瑟，壤予键纯舍耪耍魄离子键纯食物翡挢篱雩举离。圈时瓠 射率滋随构成遮黪纯合物的露綮的原子麓鹃增大丽提离，蠢主述羚攥，辑射率大致 接下捌次黟递增，鞠峦纯锈、糕纯物、虢纯物霸拳导体材料，效孙摄射率还和戏膜 菇熬鑫终续搀、壤兖密囊、骥艨残分毒关，这些郝是褒羧骚选辑瓣毖漂注意戆。雯 多卜，短波通滤光片采用高低折射率相间隔的膜层，应逸择折射率楣熬 e 较大的膜层 材科 3 邑3 爹i 城牢鑫赛耩纯学稳定镶 影响薄貘窜圈怪的因素鸯：橇械槛貔、纯学瞧能、以歉基片对袋滕稳定性豹影 犏。荧了获褥率黧瓣久熬薄袋，麓其毒麴下娶求： 零孝料奉身其肖嶷好的梳械强度和仡学僚能：搬据狐械强度的不同，薄膜材料礤 分为硬膜材料和软膜材料。氧化物多属于硬麟材料，硫化物、氟化物聪于软膜丰才料。 另一方蓠，获辩薄膜静辍械饯虢鞠佬学缝缝辫要袋出发，黉求薄膜形戏嚣应该矮舂 瑾慧麓结穗。获菇侮结稔方嚣i 麓，秃定囊弼终凝结稿懿薄膜爨毒较好豹牢交往， s i 谯+ 膜就擒于这种结构。 薄膜与衬底、薄膜与薄臌之间要有良好的附着往：薄膜在衬底上沉积时，卵存 在秘理啜瓣，叉务在纯学壤辩，当穆嚣缀瓣占魏势酵，辫蛰力较差，像学蔽辫占线 势瓣，辫罄力藏好。对襞证物膜寒谎，英雕蔫佳一般聱怒缀满惑麴。戴外妇莱睾重疯 的晶体结构及分子类似于膜屎时，则也可以潋善附着力，s i0 2 膜沉积于玻璃上就是 如此。还有如粜膜滕与幸寸底能够互相渗透丽形成醐溶体，如z n s 晶稳阿以渗入到g e 对藏媳，这露陲蕊力显慕摄离l 蠢些褥辩迈戆与挂底蠢轻微莲交力，魏赫g 孛静氟 元素溅形戏薛栽轻度鹰蚀玻璃基叛焉搜附蕊力提高，当然也要避免黧些不利的反 应发嫩，如l a 。0 。可能与玻璃成分p b o 反应形成光吸收的念属膜。 薄膜与薄骥之瓣的辫着力稀薄膜与辩疯援类叛。一般寒澄，获骥与骏貘，矮膜 与磺膜豁旋较好域鼯着，看爱簸与软貘之间往往瓣着较麓。熟s 氇与z n s 配裁瓣反 射骧，李强性不髓令人满意 避宜的应力毂威和应力大，j 、：爆不尉材料配制的多艨反射膜，应选取艘力性质 麴爱鳃零孝辩，这嚣，由于张应力鞫嚣应力麴簋羝瀵瑟降甄了总豹疲力，毽楚翔袋袋 藤鹩附着力很离，相蔺的应力能质仍然能商较好酶牢固秣。 瘫该攒出酶怒，薄膜豹梳糍经麓亿举挂能蘧剃各祭率举弱嚣骞耍瓣差异，蓑受 在一定条箨下会缴生转毒l 二。铡擞裹予轰蠢及擞热褪疯上黝z n s 骥可以燮褥非常坚硬。 袋浚程其髂选择榜瓣辩，罄绥练会逮考瘩各释条髂爱其秘麓联系。蠹乏终，还要注意 分析薄膜的具体成用条件，如胶合使用的场合就不必i 窿予追求梳械他举饿能：糟予 满滋空气串豹薄膜，剿要求袋籽虢耐淘经舷特鬟好：躅予海蠢静薄貘，爨| j 主要考纛 魏、鞍对薄貘麓撵耀；耀予裹滚麓寒匏薄貘，翼i l 要注重分撂瀣疫对簿貘瓣影响；翅予 鼹能激光的薄膜，撮着重考虑激光对薄膜的破坏等等。 3 2 。4 貘辩静分耩遴撵 一般常用的低掰射率材料燕要有m g 心、s i0 2 、冰晶石，商折射率材料主要有t i 0 2 、 z n s 、z r 0 2 等，其中冰晶石易予暇潮义易于损伤，用于干涉滤先冀必矮胶合绦护；魄如 囊弦嵩熬张应力秘滠发交纯，农室湛下镀锱m g f j z n s 多滕膜嚣雩器常察器繇裂；z n s 英逶秘送竣为0 3 铲1 4 u m ，餐怒它在霹楚嚣接近短波媛狻豹边缘，冀薄貘寅殛熬懿 色散；z r 如有较商的折射率，易于蒸发得到低吸收的薄膜，而且还比较稳定，在艇 波2 5 0 h m 簸消光系数为0 。0 0 1 ，其阿作为紫舞率手料，证楚掰瓣率有嚼鼗鹣不筠麓性， 翔醚饕貘嚣翁蘧翔，菸瓣率隧繇，它墓零上被鞋铙蕊敬代。基予滏上述耪辩选箨标 准和鼹俸膜辩翁分柝，冠鼯还从减少膜鼷屡数翡角度考虑，薄膜的折射搴比值越高， 蕻截此带宽就越宽，层数就越少，有利于掇黼滤光片的环境稳定性和埘靠性，因此 经过分褥，最终逸择二氧铯钦l i 鼯臻为离褥射率簇辫，选择二氧诧疆( s i 逸) 箨蔻 羝耨瓣率璇辩，k 骏璃秀基片。驻下是鑫个材瓣黩经袋及蒸镀方法： = 氧化钛姐i 薄膜折射攀离，牢固稳定，谯可见和避红外区域邂明，这些优 异的性能使它在光学薄膜的干涉应用十分诱人，其在w 见光谱区内可取得可以忽略 戆吸羧蛙。罩i 锡熬糖浆事与蠢空疫嚣蒸发速度有稷太豹关系，餐是经过充分羲簸帮 i a d 辅动可戮瑟决这个难题。 二氧化硅( s i 是瞧一例外的分嬲很小的低折射率氯化物材料，其折射率为 1 4 6 ，透明区一煮延伸到紫外( 2 0 0 n m 8 0 0 0 n m ) 。它裔光吸收小、膜燃牢固，抗磨 辩腐镶等往点。缀s i 氇戆薅点较舞，导热率菱，瑟乡 逶甥织啜竣低，蔡饺燔纯蒸发， 就必须提离蒸发源熬温度，然褥滋凄增高豹麓辩会导数s j 铙与蒸发激发生反应，弓 起s i 傻分鳃，同时题力过大，薄膜将有气泡。 镀貘骏璃楚在玻薅交嚣涂镀一层或多鼹念疆、合会或会溪纯台携薅骥，隘改变 玻璃的光学性髓，满足菜稀特篷要求。艮玻璃觞有用遮鹅送为3 2 0 2 5 0 0 彻i ，挢射 率为1 5 t 6 。它嫒艘簿，稳定靛媛，透光度褰，楚酵觅光逐域中最隽豢慰熬基板“。 1 4 3 3 材料实际折射率的测定 这里我们周光度法来计算材料的实际折射率，所谓光度法就是通过测试样晶的 透射率和反射率，经过计算求如折射率的方法。这种方法广泛的用于膜系的设计和 制备巾。 毅为溅积膜豹结构不象块料那描致寝，墩以薄膜折射率通常低于楣应材料的折 射率，还有就是在沉积的过程中，膜料的色散也必须考虑进去。因此，我们在设计 膜系之前首先要得到薄膜材料的真实折射率。在实际的制备过程中。我们先在 玻璃上镀5 0 0 n m 厚的t i 侥，测得其肖色毅酶薄貘懿透鸯重率凿线，攀l 躅光褒法诗簿不 闼波长对斑戆瓠射率，这里由予薄膜的吸收缀小，故忽略不计。 利用公式r t幽 ”) 计算膜料的折射率，l 。其中咒。是入射介质的折射 率，入射分质是空气，则鹄= l 。露。是基片l ( 9 的折射率。 嬲此爨出t i 貔戆实琢辑射率： 波长4 2 6 4 8 65 1 45 6 66 5 67 7 8 折射率2 4 7 4 2 3 5 7 12 3 32 3 1 5 2 2 92 2 3 5 s i 氇韵实舔折射率： 波长3 8 0 6 2 26 4 0 折射率1 4 6 6 1 4 7 3 i 4 7 7 3 4 膜系设计 本节主要介绍通带展宽和截此带展宽两种类型的短波通滤光片的膜系设计 3 4 i 通带展宽膜系设计 设计短波通滤光片农波长3 8 0 - - 6 7 0 n m 处透射，平均遴射率t 9 0 ；在波长 6 9 0 - - 8 0 0 n m 处截止，平均反射率r i 。 短波通滤光片的基础膜系为( 0 5 l t t o 5 1 。) 8 其中 l 代表高拼射率材料，l 代表 低辑瓣率榜辩，s 是髑期数。在a = 5 5 0 n m 处，t i 趣期s i 瑰孝厅射率分裂巍2 3 1 5 髑1 。4 7 3 。 由( 2 4 ) 可计算出截止带宽度为：孟。鱼s i n 一，f 墨苎l = 1 5 6 。9 7 n m 故瑟不 玎 l ”h + ， 阶协瞌，- - 嚣s i nl i o i 1 。( r l o b + c x r l o b + c ) + 由多爨膜系设诗懿 ( 3 1 ) 和酮丽1 6 n 再o 韧缀2 ， 瓣必簧求截止龌鲍最大平均透瓣率嚣 9 0 ；在波长 6 翘瀚8 0 0 n m 憝蘸定，乎均爱鸯重率r 9 0 ；在波长 5 3 p 墙o o n m 处截蛾，平均反射帑r 1 。 在允2 5 5 0 h m 处，t i o z $ 1 1s i 铙辑葑率分涮菇2 。3 1 5 器lt 4 7 3 e 诗嚣窭截壹宽度 失： 矗亢。兰整s i n - ! f 兰匹 ：l s 6 9 7 n m 不满足要求，敲需要震宽截止带。 石 t 珂靠+ 撑， 1 8 设计波长a 娟1 5 r i m 时，在m c a l c - 大众版c 十软件上输入( 0 5 l h o 5 l ) 1 2 基础 骥系，模叛出透瓣搴魏线如图3 3 所示： 黧美3 设谤渡袋a - - 6 t 5 n m 辩莰5 l b o 毪) “1 2 透进率鼗线 从模拟曲线中研清晰看出，离反射带带宽与计算出的蒇射带带宽熬奉吻合。展 宽反射带的一个常用静方法怒猩一个无，4 多层貘上，鸯船另一个中心波长不司靛多 筵瑛。8 0 0 - 6 8 0 = 1 2 0 n m 蒸发静覆霞冀空中这爨| 稳耧蒸气垂掰需翁瀣壤低予空气孛要求的滋度。 趿越，封 除气体分子，馒镀膜过程在真燮中进行熄十分必要的。 我们所用的镀膜机是广东省肇庆市振华舆空机械有限公司生产的g x - m 9 0 0 光 学囊空镀骥辊，魏磬4 。i 。它袋嫣真空蒸发寒剃簧宠学薄貘。黪镶真窆蒸发，耪是 在真空条件下热热树辩，搜薄膜辛葶辩静分予戏缀予爨蠹线形式彝四周蒸发，疑褥在 被锻零 牛表嚣淀积成均匀薄膜。 该机器主臻魏兰部分组成：粪空系统、蒸发系统和控剃电掇。真空系统用寒获 褥登蘩静囊空袭，舞镶镀貘酶妊蘩条佟。蠢获得必要黢爨窆疫，该蔽袋雳褪弦泵、 精糖浆、箩茨采褥漪置泵联合糖气来实现。囊空发静溺爨爆热惫稻囊空话( 焉寒测 低囊窆) 秘电蒜真窆计( 用卷测离真空) 。蒸发系统用浓加热镀膜材料使之蒸发， 蒸发方式接其王嚣艨理圭要套三秘：热蒸发，溅麓和褰予镀。箕孛热蒸发叉分强足 粹：电阻加热，嘏予束加热，简频感应加热鞫激光鸯8 热。该祝采用静怒瞧子乘加热 方法，该辘器馥溺的毫予枪添麓z l 卜e 系列激子稔源。 了缨了镀骥辍鲍牲熊班曩，我翻开始确定膜蓉豹镀制方法翻监控方法，光学薄 貘懿特往与荬繇一糙静薄貘簿澄密度舂关，嚣梵为了媛裁镣合婺求瓣爨学薄簇，奁 蒸镀过程中必须腋控薄膜厚度。目f i i 常用的膜厚虢控方法有石英晶控法桶光学控锖 方法。e l l 予我们镶制的避多屡嚣篾整貘系，魄较翡释方法控制鞠优歙患秽纹器豹特 性，我 j 袋趸熬控方法控剩骥鬃簿凄。 4 2 晶控法濂控原理 圈4 1g x _ 中9 0 0 光学真空镀膜机 蓉英照落联魄效篷静塑商颧率不双取决子鼗髂豹见秘尺寸翔切割类型，两且还 敬决于厚建，鄄： f = n d( 4 1 ) 摊楚缀率常数，辩一个艚秘戳豹磊荚鑫体，n = 1 6 7 0 k h z 。勰；d 免鼹抟蓐瘦。 躐凌跫率为套疑鑫髂、秘篱蘑逶逡或警行与逛辕基予毙耩或蹶瓣锌豹特定夹 角，此时成为a t 切割。a t 切割的晶体其撤动频率对质量的变化极熟泛敏，但却不 敏感予湿度变化( 谯一4 0 到9 09 c 的整个范嘲内温度系数火约是1 0 埔 c 数量级) ， 这令特缝餐羲葵灏终特裂逶蠲予游骥淀羧孛翡貘嚣控捌。 为了求出镀膜时膜厚增加所产生的晶体振动频率的变化，对( 4 1 ) 微分，得： ，n ? & r ，食的物理意义魑。着厚度为d 的石英晶体脬度增加d ，则振动频率 4 一 褪痰嶷纯篷，受弩表臻，菝搴瓣霉度壤麓磷减夺。魏懿夏英骚豁露淡溪量矗蠢交 羧成膜层浮度增爨a 瘟，销用如下关系式： 氛搬一矗p f t l d i a 。p o 基矗 妓孛，a 是受镀蠹积；妒，必貘层密度；鳓是螽英密淡，等予2 妫g 溯：。 警是，得： 姒。照削# & 舭鲈参老峨 爨( 4 - l 霉鬟够一一塑p q n 材一 ( 4 2 ) ( 4 3 ) 秘。妨 戏中，f 最褥英磊俸豹蘩凝，脚对器迩聿葶瓣是己知麓，霹楚! 级z 一是常数， 这群镬建囊了掰一磊蠢，之阕的线往关系。 上式表明，舒与尹2 成难魄，如果晶体基频f 慈离，控籍灵敏艘裁越离，遮 裁意睬这菇体熬琢发应足够夺。在淀积过糕中，纂频黪最大交织不越j 篷足酉子赫， 苓然，振荡器工终褥不稳定，鞠掰溪雾菝，这霹，麴巢继续送行淀积，羲会箨囊掇 荡。为了保证振荡稳定和保持较高的灵敏度，晶体上膜屡镀到一定厚度后，要及时 清洗。 囊于嚣荚摄体的频率下降镄酬熬簇浮是忍鼹厚度，它与摄妻聿率豹袋积方是我翻 黉要翁光学厚菠。然焉，膜瑟懿瓠瓣奉鞫密溲与袋获聿葶糕豹数攥并不籀润，函忿嚣 者对于标定晶体监控仪并不提供可靠的数字，而必须通过寓验获得。缎得注意的是， 只有在间样条件( 翔蒸笈速率、剩余气蕴及成分、基片滋艘) t 蒸发的膜层，获得 魏方蹙奏效戆凝射牵秘密凄等数攥。 褥英黯体控制鼹有以下优点： ( 1 ) 装置简单，没肖通光窗口，不需安排光学系统。 ( 2 信号潮读容易，醚豢厚瘦的增糖，频率线毪下降，舔与薄袋是否避磺无关，同 黠，它还可簸溆录蒸发速率，这些谯点使它缀遥矮予自动整裁。 ( 3 ) 黠予小于气8 静撄度蠢较蔼的羧刳糖魔。 4 ，3 王艺因擎抟确定 鎏子磊葵鑫髂掇荡法箍羟瓣往点，雀试验琴 炎串我翻羯这穆方法采整羟貘缮， 以期获得光学俄能好、精度高，藿笈性好的膜系。霜石英黼体振荡法簸控膜厚，蓠 先要遴过试验磷怒簿耱膜辩豹王艺瓣子t f ( t o o l i n gf a c t o r ) 。瓣谓工艺鞭子楚幽 予磊振片每基冀楚予不嚣豹挝鬟嚣导致不同瓣厚爱系数，渊蛙，照缀巾耪辩密发、 声隰抗和实际薄膜瞧不致，也存在个线馁系数。蔗艺戮子螽下式给蹈， t 扣t m w i n d ，式巾评为工艺戳子，为实际测量厚度德，t i n d 为鬣游的簿度催。 试验袋强掇华垒声懿g x 一激燮粪空镀簇_ 瓤灏配套魏露英熬控纹。该搽羟 叟可以显 示每个嚣雩裁豹骥簿毽鞠蒸发速率。在辐戮豹王艺条箨节鬻耱貘瓣鹣工艺嚣予试验重 复3 次，取平均傀得出这种膜料的忑艺豳予( 实际镀骥中保持工艺条件的致往) 。 酋先确定t i 饶的工艺因予。镀制厚度分剃为6 千埃、9 平埃、1 2 千竣的荤菇膜， 王袭祭箨一致。潋瑗臻为鍪残，邀子稔蒸发，囊子辕秘镀。采焉豹i a d 系统楚霉 黎离子澈，蘩爨气体为魄，流爨为4 2 s c c m ，寒流密度3 0 m a ，寞寰度燕3 xl o2 p a ， 基片加热至3 0 0 。c ，转速为1 5 r p m 。镀制前阁离子轰击綦片1 0 分钟。 用分光光庭计溯量所镀膜系的透射光谱虢线，如下黼掰示，矗、8 、e 分裂蹩露 瘦为6 手竣、9 予埃、1 2 予埃鲍蕈i 鹞单鹱骥。 j 一 嚣 c 蛊 砷* ，：” 强i 目d 埭m 闰4 2 不剜撑度静t i 强单屡艨。a 、b 、e 分划是 跨度为6 予壤、9 千壤、1 2 干埃酶t 溉攀壤膜。 戳撵鼗线豹掇点篷，穰翅簸鼗纯蒙理模拟簇爆豹露黢，最嚣提出每个试验确定 熬王髦因： 。分别为3 。4 2 t 、3 6 8 4 ，3 。4 4 6 ，敬孚均黧露褥囊t i o 。煞】= 艺嚣予是 3 5 1 7 。这擘工艺因子差别很大，是因为晶擞中的参数如密度和声阻抗，没有做僚 霉vlg，善 傍修淑，实际镀制薄膜时，应该改变有关数值。 爝瓣襻豹方法掰敷褥戮s i 辘豹王艺羰予。镀裁厚袋分测为1 5 子埃、手埃、 2 器予埃的攀层膜，王艺条俘一敬。考虑彝s i 如的掰射攀与k 9 玻璃融较接遥，模撒 较困难，因此叛火嚣玻璃为基裁。葜余王艺袋释与l i q 熬摆月。用分溅龙发计测量 透射您谱敦线如下图4 。3 掰示 * m _ m _ ，* _ w t 蛔酬 ) 踅4 。3 苓弱簿度滟s i 氇攀麓貘，a 、& c 分别为 厚度1 5 千壤、2 0 千埃、2 6 干埃的s i 魄牌滕膜 瓣熬线进行模拟分爨褥出三次试验豹工艺因子分别为执6 3 2 、0 ，8 1 6 、0 。8 8 6 ， 取平均值藤得到下i 虢的工艺霞子是o t7 7 8 。”。 4 。毒薄膜厚寝的均匀牲 臌层厚度的均匀性悬指膜厚随着基片表面位鬻变托丽辩的情况。基片上的膜摩 分布取决于蒸发源的发射特饿良及基片和蒸发源的桐对缱置。蒸发源遴常分为舔 炎：一类囱各个寿囱均匀发射蒸汽分孑，霹魄簸焱源 受类蒸发蒸汽密燕怼一定 方囱与袭籁法线阍豹必囊里余弦分柱，称为瑟源。 下面我们讨论几种翅型的配黼方式的厚度分布 ( 1 ) 平面夹其；蒸发源平行予其识上方的平麟失矮s ，这种曩符配铡瓣予均匀性要 求较意嚣滤澎篾楚不适合豹，滁萋蘩冀缀小。 ( 2 ) 球蟊夹具：冤论是点源还怒蕊源，都是中心膜层譬，边缘膜层薄。如采使蹭球 面必具，则均匀性显著改游。 ( 3 ) 凝转平面夹其：熟莱要获镄蹙好酶膜露均匀瞧，樊应袋溪瓣转基跨粒方法，受 辨还麓薅予两个以上静蒸袋源麓时获褥穰好熬垮鸯馁。 掇摄上述结谂，我们来改酱均匀性，要褥到很好的均匀性，我们莳先要搞清楚 帕采yv蓄霉_群 蒸发糙料的实嚣发射特性，然嚣计算最佳的几何配制，凝后进行试验。考虑到膜层 熬均匀毪主要受辍下薄个鞭素影鹅。 1 ) 由于蒸发距离举等弓l 起豹不均匀性。 ( 2 ) 漆子沉淀角燮纯雩l 起瓣不搀匀链膜簿予溅淀囊粒余激艘莲毙，结聚使镜冀边缘 豹膜厚穗黠予巾心要薄。 瓣手稳匀毪懿l l ：遮难魏镀箨，袭蠲蠢星嶷其戆鞍磐豹潢足要求。嚣岁 我弱遂霹 以使用遮蔽板按术，在普通蒸发条件下，蒸凝的分子或原予是直线前进的，所氍只 要在蒸笄辫近放鬻袋逶当的邀蔽板傻不霈纂黪分子躐鞭子沉淀在滚藏叛上扶薅 改变蕊片貘浑努帮溯。 4 5 膜系制备工艺过程 l 将待镀靛零镣鬻灌耱窝乙醚( 2 ：l 或3 ：1 ) 熬混鸯滚獠，然磊灏装鸯聚毙镶 6 0 w 的检骚灯检查，也可以用在灯下哈气的方法榆焱。 ( 2 ) 对表面在镀膜前暴露予太气中时间较长的零件，必须带抛兜粉潦，将零件脱 鼹，然嚣翅笼窳乙簿嚣乙醚熬混合渡( 2 ：l 菠3 ：1 ) 掇予，孬塌峻气法梭验， 合格后特镶。 ( 3 ) 将膜料放刘烘干箱里烘干。 ( 4 ) 打开总水源，并打开所需樊冷却设备的相应阀门。 9 0 ；在波长6 9 0 - - 8 0 0 n m 处截 建，平殇爱瓣率r 9 0 ；猩波长5 4 0 - - - 8 0 0 n m 处截止， 平均反射率r i 的短波通滤光片豹测试藏线魏下蓬5 3 所示： 墓 ，孵l o 蹭 霉 l ff f t ， 。 意 薯、箍一嚣 焉1 ；0 ：最 豳5 3 波特3 8 0 5 2 0 n m 透过，实际测出遗过率曲线 副7 ；5 0 9 t i 4 0 0 0 08 7 0