干涉滤光片的镀制

1、干涉滤光片的镀制学号：200911141950 姓 名:王文杰时间：2011/11/29 指导老师：王引书摘要： 本实验利用真空镀膜机采用高真空镀膜技术、光学极值法检测膜厚技术、真空度检验技术镀制了以硫化锌为高折射材料和冰晶石为低反射材料的G(HL)3H2L(HL)3H膜系窄带全介质干涉滤光片。利用TU-1221紫外和可见光分光光度计测量绘制得干涉滤光片的透过率曲线，如附图1所示。关键词： 多层干涉滤光片的镀制、高真空镀膜、光学极值法测膜厚、真空检验、透过率曲线一、引言 从发现薄膜的干涉色彩现象开始，特别是1930年真空蒸发设备出现以后，人们对薄膜科学技术进行了大量的研究。现在可以用各种各样的

2、方式将具有不同折射率的多层介质薄膜沉积在玻璃基片或金属基片上，以达到控制光的目的，如减反膜、反射镜和光学滤片等。这些光学薄膜在日常生活、工业和科学技术等许多领域有着重要的应用，可以说，没有光学薄膜，大部分现代光学系统就不能正常工作。在光学镀膜中，多层多周期的光学薄膜最为突出，而窄宽带干涉滤光片则是这一技术中最为重要的应用之一，他是将宽带光谱变为窄带光谱的光学元件。一种典型的光学元件是在玻璃基片上镀制“银介质银”三层膜，前后两层银膜构成两个相互平行的高反射率板，介质膜层通常为冰晶石或者是氟化镁等，作为间隔层。这种干涉滤光片实在法布里铂罗干涉仪的基础上改进而成的，因而被称为法布里铂罗型干涉滤光片。

3、它在光学、光谱学、光通信、激光以及天文物理学等许多领域得到了广泛的应用。若n为介质层折射率，d为该层几何厚度，则间隔层的光学厚度决定了滤光片透射波长， （1-1）其中是整数，银层反射率的主要作用是决定了法布里铂罗干涉腔的精细常数，从而对图1-1（a）法布里-帕罗型干涉滤光片结构示意图（b）及其透射特性曲线滤光片的峰值透过率和半高宽产生影响。由滤光片特性曲线可见，一半处应对应波长为和，相应透过率的宽度为，这是滤光片性能的一个重要参数，称为半高宽，有时也简称为半宽度或宽度，通常是用相对半宽度标志这一特性，的滤光片称为宽度滤光片，介于和之间的称为窄带滤光片，而小于的则称为超窄带滤光片。 因银层具有很

4、强的吸收，用银层作反射层的“金属介质”干涉滤光的透射率很难高于。而用多层透明介质膜构成的高反射率膜板代替银介质层构成的干涉滤光片能弥补这一缺点，可是峰值的透过率高达以上。这就是全介质型干涉滤光片。本实验要求镀制一块多层介质膜法布里帕罗型干涉滤光片，并测量其参数，通过实验，掌握干涉滤光片的原理，并熟悉真空系统的操作和滤光片的镀制过程。二、 原理2.1反射膜2.1.1光线在单一分界面上的反射光线垂直入射到透明介质界面时，反射系数和反射率分别为 （2-1） （2-2）其中、分别为两种介质的折射率。知道和便很容易地计算光垂直入射在该界面上时的反射特性。在一般情况下，光线以一定的角度入射到分界面上，这时

5、，要对两种偏振分别计算反射率和透射率。如图2-1所示，假设入射光为平面电磁波，并在波前平面内的偏振分量波和与该平面垂直的分量波，反射波和透射波也做同样的分解，用上标、和分别代表入射波、反射波和投射波。于是，波和波的反射率和透射率分别为 图2-1 光线在单一界面上的反射 (2-3)定义介质的光学导纳 (2-4) 其中为与界面垂直方向的单位矢，和分别为磁场强度矢量和电场强度矢量，脚标“”指平行于界面的方向。的大小既与介质的折射率有关，也与入射角和有关，由折射定律和绝缘介质面上电磁场的边值关系 (2-5)以及的振幅比 (2-6) 可以推出如下关系 (2-7a) (2-7b)于是可得振幅反射率及能量反

6、射率 (2-8) (2-9)（2-8）、（2-9）两式中的无论对于都适用。（2-8）、(2-9）两式的形式与（2-1）、（2-2）两式完全相同，这就是说定义了介质的光学导纳之后，我们就可以用同一形式的公式来处理问题而不必区分垂直还是斜入射。由于不论对还是，在忽略吸收条件下都有 (2-10)因此，知道R后，便可求得T不必再直接计算。2.1.2单层膜的反射率考虑在基片上单层膜平行平面薄膜的情况。光线入射时，会在界面和界面上产生多光束干涉，如图2-2（a）.对这种情况下计算器反射率可以发现，可把它看做是如图2-2（b）那样单一界面的情况，即可以把的单层膜系统看做的单一界面来处图2-2 单层薄膜的多光

7、束干涉及其等效界面图理，并且仍然可以用（5-2-10）式来计算反射率R。Y称为单层膜系统的有效导纳。 为了计算方便，我们采用矩阵法。单层膜系个各光学参数间的关系可用矩阵表示为： (2-11)等式右边2x2矩阵为膜层的特征矩阵，其中 (2-12)称为膜层的相位因子，i为虚数单位，2x1矩阵称为基底为的特征矩阵。等式右边的矩阵称为膜系的特征矩阵，膜系的有效导纳Y由此矩阵的两个矩阵元决定， (2-13)由此单层膜的反射率为 (2-14)2.1.3多层膜的反射率对于如图2-4所示的多层介质膜系，也可以把膜层和基底等效成有效导图2-4多层介质膜系与其等效界面纳为Y的单一界面，此时（2-13）式仍然成立，

8、而（2-11）式对应改为 (2-15)其中 (2-16)为第i层的特征矩阵。即整个膜系的所有光学参数及其相对反射特性的影响取决于各膜层的特征矩阵的乘积。在相位因子中，我们称为第i层的光学厚度，当它是的时候，膜层叫层。若每层的光学厚度都是的整数倍，则整个膜系叫做膜系。我们用字母的排列“GHLH”表示膜系的情况，其中，H、L分别代表光学厚度为的高、低折射率膜层，G为基片。对的膜系，该层对应的特征矩阵为 (2-17)满足这一条件的单层膜与基底构成的膜系有 (2-18)所以 (2-19)设，正入射时， (2-20)若则，为极大值，这样的层为高反射层，若，则，为极小值，这样的为低反射层。当为的偶数2m时

9、，所以，这时该层的特征矩阵为 (2-21)这是一个单位阵，它对波长没有影响，在计算时，可以看做是虚设层，但应注意，对其他波长而言它就不是虚设层了。全介质膜系构成高反射膜如图2-5所示。它的反射率随波长变化情况如图2-6所示，在计算中没有考虑光从空气中入射到玻璃基片时的透过率的损失。 图2-5全介质膜系构成高反射膜 图2-6几种反射膜系的反射率曲线2.2膜厚的监控 准确地控制每一层介质膜的厚度是制备多层介质膜的关键。一般膜层厚度的允许误差的最好小于2%,偶尔允许到5%，本实验采用极值法进行膜厚度监控。当膜厚的光学厚度/4的整数倍时，薄膜的透射率或反射率出现极值，即薄膜的透射率与反射率随膜厚呈周期

10、性的变化。选定控制波长后，将通过监控片的光信号用光电探测器接收，再用放大器显示出来。电信号从每个极大到极小所对应的膜厚度为/4，反之，电信号从每个极小到每个极大所对经的厚度也是/4。 2.3真空技术 “真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。真空泵是把被抽容器中的气体排放出从而降低容器内气压的机具。根据排气压强，真空泵大致可分为三类。第一类是往大气中排气的泵，这种泵一般称为粗抽泵或前级泵，它可以从大气压下开始工作，可以单独使用或与其他需要在出口处维持一低气压的泵连用。旋转机泵、活塞式机械泵等都属于这一类。第二类是只向低于大气压的环境中排气的泵。这类泵是在气体相当稀薄时才能开始工作，并气体排除到

11、已被前级泵抽成低真空的地方。这类泵称为高真空泵，如扩散泵、分子泵等。第三类是可束缚住系统 中的气体和蒸汽的泵，如吸附泵和低温泵等。2.4实验仪器:实验在国产DM-450型真空镀膜机上进行，如图2-9所示。在镀膜机的钟罩上安装有卤素灯，其波长涵盖从紫外到红外波段。在真空室的中心支架上放置被镀基片。光束射入钟罩，经过基片后从钟罩射出，经过单色仪分光后被光电倍增管接收， 图2-7DM-450型镀膜机光电流由放大器检测，以监控膜层厚度。这里单色仪用于选定控制波长。实验中选硫化锌为高折射率材料，冰晶石为低折射率材料，硫化锌和冰晶石分别放在两个钼片制成的加热舟内。镀膜时以H层、L层交替加热进行蒸发。实验中

12、用TU-1221紫外和可见光分光光度计测量滤光片的透过率曲线。三、实验内容3.1滤光片的镀制3.1.1用干净的布片和有机溶剂基片进行清洁处理。3.1.2将真空室内放气后，用吸尘器清理钟罩内部，在钼舟内填装待蒸发膜料，记录下各个舟的膜料名称。并在基片架上安放基片，勿使基片倾斜。3.1.3落下钟罩，按镀膜机操作规程对真空室进行抽真空。3.1.4当真空度达到以后，依次对舟预熔，去除膜料中的气体。此时，应注意用挡板挡住膜料，以保证预熔中基片不被镀上。3.1.5当真空度达到要求后，采用极值发控制光学厚度的方法进行镀制，可以选择前面给出的两种膜系中的任意一个膜系镀膜，将控制波长放在632.8nm或其他波长

13、。首先在玻璃基片上镀制H层。随着膜层增厚，放大器指示的光电流将下降。当光电流数值刚刚开始回升时，立即将挡板挡上。然后，降电流换电极，镀L层。镀L层时，光电流随着膜厚增加而上升，达到极值时停止镀膜，重复以上步骤镀H层。当镀制光学厚度为的间隔层时，厚度增加一倍 ，应在光电流上升再下降到极值时停止。以后几层同前几层一样控制，但变化规律相反。3.1.6镀膜结束后，依镀膜机操作规程停止加热和抽真空。半小时后，方可对镀膜机真空室充气，取出所镀制的干涉滤光片。然后按操作规程再对镀膜机抽真空，以保持清洁，最后停机。3.2光学镀膜的测量测量在TU-1221双光束紫外线和可见光光度计上进行，直接测量曲线，从曲线上

14、求出介质干涉率滤光片的三个主要参数、。光度计的光路系统如图5-2-10所示。分光光度计的工作原理如下：乌灯或氘灯发出的光经过、和准直后照射到光栅上，衍射的光经过、和后由斩光器C分成两路：一路是、和组成的参考光路，另一路是、和 ，样品放在此光路中。这两路光强由光电倍增管交替接收，并进行强度比较，由此得出样品的透过率。改变的转角，可以选择不同的波长进行测量，从而得到完整的透过率曲线。 图3-8 TU-1221紫外和可见光分光光度计的光路示意图四 、实验结果4.1滤光片的镀制 G(HL)3H2L(HL)3H膜系的干涉滤光片镀制过程中实验条件数据记录如下： 表4-1-1实验条件数据记录编号层光电流变化

15、i（uA）加热电流I(A)真空压强值（10-3Pa）1H0.900.6751356.42L0.6750.820120123H0.820.37135984L0.370.5151201.65H0.5150.341358.462L0.340.4620.388120177H0.38880.55813538L0.5580.2812039H0.280.3721353.510L0.3720.1581207.411H0.1580.2021354.84.2利用TU-1221紫外和可见光分光光度计测量绘制得干涉滤光片的透过率曲线 扫描得透过率曲线图，如附图1、2。其中1为成功样品图像，2为本次实验。图1中测得参数如下： 表4-2-1透过率曲线参数图别中心波长（nm）中心透过率峰值半高宽图162675%4.79%分析并比较图1、2两图，可发现本次实验所得图与理论图的差别，实验所得的图像与理论图像基本快成恰好相反，本该出现峰值的地方出现了峰谷，导致了中心波长偏离中心波长。实验结果与理论值有偏差的原因可能是：镀制过程中操作的不精细，特别是在镀制过程中突然接了个电话，导致镀膜过程打乱了，另外也可