薄膜光学-全部知点问题全答版

薄膜光学 薄膜光学 1 整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉 研究光的本性及其传播规律的学科就是光学 研究光在薄膜中的传播规律是薄膜光学 2 列举常用的光学薄膜 滤光片 反射镜 镀膜镜片 牛顿环 3 利用薄膜可以实现的功能 提高或降低反射率 吸收率与透射率方面 在使光束分开或合并方面 或者在分色方面 在使光束偏振或检偏方面 以及在使某光谱带通或阻滞方面 在调整位相方面等等 光学薄膜均起着至关重要的作用 减少反射 提高透过率 提高反射率 提高信噪比 分光或分束 保护探测器不被激光破坏 重要票据的防伪等等 4 电磁场间的关系 111 HNkE 光学导纳 H NN kE 这是的另一种表达式 称为光学导纳 坡印廷矢量 能流密度 的定义 单位时间内 通过垂直于传播方向的单位面积的能矢量 S 5 光在两种材料界面上的反射 01 01 cos cos N p r sN 光 光 p 偏振光为横磁波 s 偏振光为横电波 0101 0101 R 6 掌握单层膜的特征矩阵公式 薄膜光学 3 PPT 中 P 15 21 1 1 1 2 111 sin cos1 sincos i B C i B C 称为膜系的特征矩阵 2 0110 0110 2 0011 0011 coscos coscos coscos coscos NN p NN NN s NN 偏振 偏振 C Y B 单层膜的反射系数和反射率为 000 000 YYY rR YYY 7 掌握多层膜的特征矩阵公式 薄膜光学 3 PPT 中 P 26 29 8 计算 偶数四分之一光学膜层的特征矩阵 或 22 31 22 2 rrs rr Y 奇数四分之一光学膜层的特征矩阵 或 222 42 22 31 rrr rrs Y 计算多膜层 膜层厚度为四分之一波长的整数倍 的反射率 计算题 薄膜光学 3PPT 中 P35 四分之一波长的光学厚度 QWOT 或二分之一波长的光学厚度 HWOT 9 单层减反膜的设计方法 薄膜光学 3PPT 中 P37 10 无论膜层是否有吸收 膜系的透射率与光的传播方向无关 不需要推导 玻璃的透射率为定值 玻璃两面得反射率和吸收率可能会有不同 11 厚基片反射率和透射率的计算 薄膜光学 3PPT 中 P52 54 不需掌握推导 2222 132 2222 2431 rr rrs Y 2222 1331 2222 242 rrs rr Y 2 1 abab p ab RRRR R RR ba ba babaabbaba RR TT T RRRRRRTTTTT 1 1 2 同同理理 对对于于透透射射率率 12 有些镀膜元件表面反射的光色彩与入射光颜色不同 主要原因在于在不同的波段元件 表面对于光的反射不同 13 单层 0 4 减反膜的优缺点 双层 0 4 0 4 减反膜的优缺点 只能在较窄的光谱范围内有效地减反射 在中心波长处增透效果好但是带宽较小 0 4 0 2 型双层增透膜的优缺点 在一定程度上展宽了带宽但是总体的减反射效果不理想 14 0 4 0 2 0 4 型增透膜的优点 不仅提高了增透效果 而且展宽了带宽 15 0 4 0 2 0 4 型增透膜 G M2HL A 的设计 当其中有一膜层材料实际不存在时 应 可用奇数层高低交替的材料来替代 xL yH xL 或 xH yL xH 该替代多层光学厚度之和 必须等于原来膜层的光学厚度 即 2x y 0 25 薄膜光学 5PPT 中 P25 42 16 红外宽带减反膜的具体设计方法 17 单层膜的反射率计算 一般不会超过 50 2222 0101 ss Rnnnnnn 高反射率膜堆典型的结构 该结构的特点 18 如何提高高反射率膜堆的反射率 nH nL 越大 或层数 2S 1 越多 反射率越高 层数越多 反射率可无限地接近 100 但实际上 由于膜层中吸收和散射损失 膜系达 到一定层数后 反射率不再提高 甚至会下降 19 典型的 0 4 高反射介质膜堆特点 四点 对于 LH S 膜系 有如下特点 1 所有高反射带的波数宽度均相等 2 各高反射带的波长宽度并不相等 波数越大对应的高反射带波长宽度越窄 3 高反射带的波数宽度仅仅与构成多层膜的两种膜料的折射率有关 4 两种膜料的折射率差越大 高反射带愈宽 20 展宽高反射带宽的方法 两点 2 arcsin 4 t t 1 k HL HL nn g nn 由公式 得出 膜堆所得到的高反射区域宽度 仅取决于膜层的折射率 材料的折射率是有限的 一般在1 35 6之间 可见光区域 1 35 n 2 6 红外区域n 6 膜层厚度可以按算术级数递增 也可以按几何级数递增 对 展宽高反射带的方法有两个 于一个q层的膜堆 算术级数 1 膜系各层的厚度形成规则递增或递减 递 增 2q 1 77 t 1 2k t 1 q 2 k t 1 q 1 k t kt k t kt 0 8 1 2 2 4 GH LHH LHA 将两个 甚至多个中心波长不同的多层膜堆联合叠 几何级数递增 加使用 例 77 77 77 0 8 1 2 0 81 22 0 8 1 2 0 8 1 2 2 4 GH LHH LHA HHHGH LHH LHAGA H LHH LH 0 0 例 对于来说 在波长处是具有良好透射性的 结果造成两个膜堆的高反射带连接区 出现很窄的透射带 如课本P27图2 2 3所示 将两个 甚至多个中心波长不同的多层膜堆联合叠加使用 改善方法 在和之间增加一 77 0 8 1 2 L GH LHLH LHA 层 即 反射率曲线如图所示 21 区分介质高反射膜与金属高反射膜 各自的优缺点 22 在金属高反射膜中引入介质膜为何能够改善金属高反射膜的机械性能 一般采用金属 介质高反射膜 1 改善金属与基底的附着力 如 G Al2O3 Ag G Cr Au 2 高硬度透明膜对金属层起到保护作用 3 提高金属层的反射率 23 分光膜可以分为分束膜和分色膜 分色膜是按颜色 波长 不同进行分光 分束膜是把一束光按比例分成光谱成分相同的两束光 在一定的波长区域内 如可见区内 对各波长具有相同的透射率 反射率比例 因而反射光和透射光不具有颜色 并呈中性 24 中性分束镜可分成介质中性分光镜 偏振中性分束棱镜和金属中性分光镜 25 介质中性分光镜结构 周期性多层介质膜系 LH S 较高反膜相比 层数少 反射率低 50 26 介质中性分光镜特点 3 点 1 因为无吸收 分光效率高 2 偏振效应明显 3 分光特性色散明显 27 如何改善分束镜分光曲线的平坦程度或者说色中性 3 点 1 可将 LH 交叠结构边界的 H 或 L 改成 2H 2L 甚至 2M 改善分光曲线的平坦程度 色 中性 2 将膜系中的 H 层换成中等折射率的 M 膜层 3 整体调整 H L 膜层材料 改变 nH 与 nL 比值或通过改变膜厚来改变 nH 与 nL 的比值 28 偏振中性分束棱镜工作原理 利用斜入射时的偏振效应实现中性分束 即 选用膜层材料的折射率匹配满足布儒斯特角 条件 tan H nL nH 使反射光的 P 分量为零 仅有 S 分量 同时透射光尽量全部为 P 分量 偏振中性分束棱镜工作前提条件 1 仅适用于自然光或圆偏振光的中性分束 2 分出的两束光可以光强相等 但其偏振 状态不同 是两束偏振方向互相垂直的两束线偏振光 哪种金属分光镜在较宽的光谱范围内中性较好 且机械性能与化学性能都非常好 镍铬合金 80Ni 20Cr 在较宽的光谱范围内中性较好 且机械性能与化学性能都非常好 29 截止滤光片 要求某一波长范围的光束高效透射而偏离这一波长的光束骤然变化为高 反射 或称抑制 长波通滤光片 抑制短波区 透射长波区的滤光片 短波通滤光片 抑制长波区 透射短波区的滤光片 30 截止滤光片分为吸收型 薄膜干涉型和吸收与干涉组合型 31 列举吸收型截止滤光片 介绍其特点 优缺点 吸收型 应用最广泛 优点 材料来源广泛 如颜色玻璃 晶体 烧结多孔明胶 无机和有机液体以及吸收薄膜 使用简单 对入射角不敏感 造价便宜或适中 缺点 截止波长不能随便移动 32 衡量干涉截止滤光片的重要指标 1 透射曲线开始上升 或下降 时的波长以及此曲线上升 或下降 的许可斜率 2 高透射 带的光谱宽度 平均透射率以及在此透射带内许可的最小透射率 3 具有低透射率的反 射带 抑制带 的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率 33 干涉截止滤光片压缩通带波纹的方法 1 选取适当的组合膜 使其通带内的等效折射率与基片相接近 前提 基片表面反射损 失不太大 2 改变基本周期内的膜层厚度 使其等效折射率变到更接近预期值 要使这种方法有成效 则要求光洁基片保持低的反射率 在可见光区 玻璃是十分满意的基片材料 但是这种方法不能不加修改就用于红外区 例 如用于硅板和锗板 3 更常用的方法是在多层膜的两侧 靠近基底侧和靠近入射介质侧 加镀匹配层 使其同基 底以及入射介质匹配 以上均可归结为 在特定波长处满足减反射条件 34 L 2HL 2 适合短波通 H 2LH 2 适合长波通 35 列举截止滤光片的应用 1 彩色分光膜 2 反热镜和冷光镜 3 红外截止滤光片 CCD 系统 36 反热镜 短波通滤光片 即抑制红外光 透射可见光 截止波长 0 7 微米 要求 透 射光不影响色彩平衡 冷光镜 长波通滤光片 即透射近红外光 反射可见光 两者作用 抑制无用的能量 37 列举常用的物理气相沉积 PVD 技术 热蒸发 溅射 离子镀 离子辅助镀技术 38 真空镀膜系统由哪几部分构成 真空系统 热蒸发系统 膜厚控制系统 物理气相沉积的过程中为何需要高真空系统 大气 PVD 存在的问题 常温常压下 空气分子密度 1 28X10 3g cm3 即气体分子个数 2 08X1022 个 g 气体分子间距离 3 34X10 6mm 气体分子的空间密度 2 68X1016 个 mm3 导致 常压时 气体分子密度太高 蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件 空气中活性气体分子与膜层 膜料 蒸发器反应 空气分子进入膜层成为杂质 39 什么样的真空条件下可以镀膜 气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离 这样得到的膜层 纯度高 膜层坚硬 成膜速度快 列举 2 3 种可以将真空腔抽到高真空的设备 罗茨泵 10 104Pa 油扩散泵 1 10 5Pa 涡轮分子泵 1 10 8Pa 低温冷凝泵 10 1 10 8Pa 40 热电偶真空计 热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计各自适用的真空监测范围 1 热电偶真空计 工作原理 通过热电偶中热丝的温度与压强的关系确定的真空度 温差电偶真空计测量范围 0 13 13Pa 2 热阴极电离真空计 工作原理 具有足够能量的电子在运动中与气体分子碰撞 产生电离 形成正离子与电子 电子在运动中与分子的碰撞次数正比于分子的密度 一定温度下也正比于气体压强 故产 生的正离子数也正比于气体压强 因此 电离是与压强有关的现象 可作为真空测定原理 的依据 测量范围 0 1 10 5Pa 3 冷阴极电离真空计 工作原理 放电管在压强 10 1 10 2Pa 较低时自持放电就熄灭 想要将下限扩展到高真 空范围 可用磁场控制电子运动的方法 增加电子的路程 利用这种方法制成的真空计 就是冷阴极电离真空计 也称磁控放电真空计 测量范围 1 10 6Pa 41 热蒸发 溅射及离子镀 离子辅助镀的工作原理 电阻热蒸发 低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生焦耳热 使蒸发源中承载的膜料 汽化或升华 电子束热蒸发 灯丝通大电流 形成热电子发射流 电子流在电场中被加速 同时 电磁 场将电子流聚成细束 并对准坩锅内的膜料 造成局部高温而汽化蒸发 溅射 用高速正离子轰击膜料 靶 表面 通过动量传递 使其分子或原子获得足够的动 量而从靶表面溢出 在被镀件表面凝聚成膜 离子镀 膜料为加热蒸发 但蒸发源设置为阳极 工件为阴极 在其间施加高电压 并充 工作气体至 1X10 1Pa 形成辉光放电 膜料原子部分被离化 在强电场加速下并沉积在零 件表面 离子辅助镀 在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器 离子源 产生离子束 在热蒸发进 行的同时 用离子束轰击正在生长的膜层 形成致密均匀结构 使膜层的稳定性提高 达 到改善膜层光学和机械性能的目的 42 PVD 制造工艺中影响膜层折射率的主要因素 膜层的填充密度 聚集密度 微观组织物理结构 膜层的化学成分 热分解 43 低真空度对膜层质量的影响 真空度低 碰撞几率增大 无法镀膜或可镀膜但吸附性小 机械强度差 膜层疏松 44 对基片进行升温的优点有哪些 可能的缺点 1 排除基片表面气体分子 增加基片与沉积分子的结合力 2 促使物理吸附向化学吸附转化 致使膜层紧密 附着力增强 机械强度提高 3 减少蒸气分子再结晶温度与基片温度的差异 提高膜层聚集度 消除内应力 升温的缺点 膜层结构变化 膜料分解 45 镀膜时的蒸气入射角在什么范围为宜 30 度以内 46 列举提高薄膜机械强度的工艺方法 真空度 沉积速率 基片温度 离子轰击 基片清洁 47 控制薄膜折射率的工艺途径有哪些 真空度 沉积速率 基片温度 膜料蒸气分子入射角 小角度蒸发可以获得致密膜层 48 列举几种测试厚度的方法 目视法 判断膜厚 颜色 极值法 颜色 石英晶振法 频移法 周期法 声阻抗