可见与近红外超宽带分光膜的设计与制备

可见与近红外超宽带分光膜的设计与制备 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 答辩内容 一 绪论二 分光膜的设计理论基础三 膜系设计四 薄膜的制备五 测量结果与误差分析六 总结七 致谢 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 分光膜的发展历史及研究背景1 国外的发展现状1 1970年 Costich 能够存在于空气界面中的金属 介质膜2 1974年 Mahlein 两层膜组成基本周期膜系制出消偏振膜系3 1976年 Thelen 仅用 4膜堆 镀制消偏振薄膜4 2005年 TaoLiu 利用光子晶体制备偏振分光器 一 绪论 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 分光膜的发展历史及研究背景2 国内的发展现状1 1992年 杨卫萍 He Ne激光消偏振分光膜2 1997年 赵洪范 立方二向色分光棱镜3 2005年 谭宇 特宽光谱分光膜4 2007年 王文梁 全介质三波长消偏振平板型分光膜5 2012年 付秀华 450 650nm波段中性分光的分光膜 一 绪论 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 本课题的研究内容1 分光器件的选取2 膜系材料的选择3 膜系设计4 镀膜制备5 膜系测试结果分析 一 绪论 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 二 分光膜的设计理论基础 1 薄膜特性分析 单层膜的特性矩阵可以表示为 多层膜的特性矩阵可以表示为 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 二 分光膜的设计理论基础 1 薄膜特性分析 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 如此递推下去 整个膜系的特征矩阵表达为 通过上式就可以求出膜系的透过率和反射率 透射率 反射率 二 分光膜的设计理论基础 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 2 分束镜的特性及分类 二 分光膜的设计理论基础 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 2 分束镜的特性及分类 2005年 谭宇 特宽光谱分光膜的镀制 胶合立方体分束镜 特宽光谱分光膜的镀制 2007年 王文梁 全介质三波长消偏振平板型分光膜的设计 平板分束镜 1997年 赵洪范 立方二向色分光镜 二 分光膜的设计理论基础 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 2 分束镜的特性及分类 金属分束镜和介质分束镜的比较 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 1 分光膜的设计要求 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 2 材料的选择 选取介质膜材料 需要考虑如下性质 透明度折射率机械牢固度 化学性质等基底与膜料相互之间的附着力膜料之间是否匹配考虑要求有特殊功能薄膜的性质 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 2 材料的选择 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 对于平板分束镜 通常可采用G HLHL A或G 2LHLHL A 其中A表示空气 G表示折射率 1 52的K9玻璃基片 对于平板分束镜 通常可采用G HLHL A或G 2LHLHL A作为初始膜系 其中 A表示空气 G表示折射率为1 52的K9玻璃基片 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 H4和SiO2作为高低折射率材料 K9玻璃为基底 采用全晶控方式监控 TiO2和SiO2作为高低折射率材料 其余同上 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 TiO2和SiO2作为高低折射率材料 K9玻璃为基底 采用全晶控方式监控 TiO2和SiO2作为高低折射率材料 K9玻璃为基底 采用全晶控方式监控 第一种方案 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 第一种方案优化后的理论膜系 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 第一种方案优化后的反射率的理论曲线 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 TiO2和SiO2作为高低折射率材料 K9玻璃为基底 采用全晶控方式监控 TiO2和SiO2作为高低折射率材料 K9玻璃为基底 采用全晶控方式监控 第二种方案 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 第二种方案优化后的理论膜系 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 第二种方案优化后的反射率的理论曲线 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 两种方案的比较 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 两种方案的比较 第二种方案 在400nm到800nm波段范围内 反射率极值最大为50 34 最小为49 1 基本满足分光比50 50的分光要求 相比较而言 第一种方案的分光比虽然也能满足分光比为1 1的要求 但由于其优化后的波形仍较差 而且膜层数也过多 综上理由 最终选取第二种方案 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 T 根据薄膜的基本理论 玻璃基底在镀上分光膜后 元件背面有4 的反射 应在基片的背面再设计一个增透膜来使实际成品的透射率满足要求 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 TiO2和SiO2作为高低折射率材料 K9玻璃为基底 采用全晶控方式监控 TiO2和SiO2作为高低折射率材料 K9玻璃为基底 采用全晶控方式监控 增透膜方案 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 T 增透膜优化后的膜系 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 增透膜优化后的透射率的理论曲线 三 膜系设计 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 膜系的设计 两面都镀膜后的反射率的理论曲线 四 薄膜制备工艺 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 1 镀膜设备 TXX700 II型真空镀膜机 四 薄膜制备工艺 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 1 镀膜设备 四 薄膜制备工艺 1 机械泵2 机械泵放气阀3 预阀4 低阀5 热偶真空规6 高阀7 扩散泵8 电离真空规9 真空室放气阀10 真空室11 蒸发源12 基片夹 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 四 薄膜制备工艺 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 2 膜厚监控 缺点 在极值点附近 R n1d1和 T n1d1很小 接近于零 反射率或透射率对厚度的变化不灵敏 缺点 在沉积的过程中 连续地减少频率 控制灵敏度即会降低 当膜层到达一定厚度之后就要清洗或者更换晶片 四 薄膜制备工艺 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 3 工艺流程 四 薄膜制备工艺 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 4 工艺参数 基底与监控片的清洁真空度辅助气体基底温度沉积速率烘烤处理 四 薄膜制备工艺 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 4 工艺参数 五 测量结果与误差分析 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 1 光学性能测试 光沿45 入射时 五 测量结果与误差分析 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 1 光学性能测试 光沿90 入射时 五 测量结果与误差分析 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 1 光学性能测试 SiO2的折射率色散曲线 TiO2的折射率色散曲线 五 测量结果与误差分析 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 1 光学性能测试 TFC软件中SiO2的折射率 TFC软件中TiO2的折射率 五 测量结果与误差分析 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 1 光学性能测试 由于各种环境因素与规定的标准状态是不一致的 如温度 湿度 气压等等 这些情况也会产生误差 基片的表面粗糙度和缺陷是散射的主要来源 以及材料的膨胀系数导致的应力 影响膜层的光学特性 蒸发速率影响到膜层结构 气体的结合和凝聚时的反应 基片温度影响膜层结构 晶体生长 凝聚系数 膨胀系数和聚集密度 从而导致薄膜折射率 散射 几何厚度 应力 附着力 硬度和不溶性等变化 蒸气粒子入射角影响到膜层生长特性和聚集密度 晶控片本身的性能也会对蒸发速率产生影响 五 测量结果与误差分析 2 薄膜表面测试3 高低温测试4 机械牢固性测试5 光学稳定性测试 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 六 总结 采用SiO2和TiO2作为膜系材料设计并制造出了符合要求的可见与近红外超宽带分光膜 解决的问题 1 研究了不同材料的特性 利用TFC软件优化设计膜系 采用电子束蒸发技术 通过调节充气量保证了真空度维持在一定范围内 减小折射率的波动范围 2 采用双面镀膜 在另一侧镀制增透膜提高元件的透过率 以保证元件的分光比能保证在1 1 长春理工大学光学工程学院2014年本科生毕业设计答辩 六 总结 采用SiO2和TiO2作为膜系材料设计并制造出了符合要求的可