镀膜实验报告

多层介质膜滤光片的镀制摘要：本实验以蒸发真空镀膜机对滤光片镀膜，采用干涉原理对膜厚进行监控。使用单色仪把光源透过滤光片并有反射镜反射回来到单色仪上的光，经由单色仪原理被分成不同的光束，再由光电倍增管将光信号放大并转化为电信号。通过理论模拟和实际实验结果进行比较，分析实验误差产生的原因。关键词：干涉滤光片、高真空镀膜、光学极值法测膜厚、真空检验引言：当光线进入不同传递物质时（如由空气进入玻璃），大约有5%会被反射掉，在光学瞄准镜中有许多透镜和折射镜，整个加起来可以让入射光线损失达30%至40%。现代光学透镜通常都镀有单层或多层氟化镁的增透膜，单层增透膜可使反射减少至1.5%，多层增透膜则可让反射降低至0.25%，所以整个瞄准镜如果加以适当镀膜，光线透穿率可达95%。镀了单层增透膜的镜片通常是蓝紫色或是红色，镀多层增透膜的镜片则呈淡绿色或暗紫色。通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。这种方法最早由M.法拉第于1857年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。待系统抽至高真空后，加热使其中的物质蒸发。蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。薄膜厚度可由数百埃至数微米。膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。对于大面积镀膜，常采用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的平均自由程，以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。蒸气分子平均动能约为0.1～0.2电子伏。本实验通过蒸发真空镀膜设备对滤光片镀膜。原理：1、真空技术“真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。在真空状态下，单位体积中的气体分子数大大减少，分子平均自由程增大，气体分子之间、气体分子与其他粒子之间的相互碰撞也随之减少。这些特点被广泛应用于科学研究和生产的许多领域中，例如：电子器件、大规模集成电路、加速器、表面物理、热核反应、空间环境模拟、真空冶炼和真空包装等。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。而在本实验中，我们可以通过机械泵和油扩散泵的配合使用达到高真空条件。但扩散泵不能再大气下运行，因此在高真空泵能够工作之前，必须先用机械泵通过低真空阀门分别将钟罩内和扩散泵中的大部分气体抽到大气中。扩散泵需要预热，待真空度合适后，将低真空阀放在抽扩散泵一侧，然后慢慢打开高真空阀门。扩散泵和机械泵的组合可使钟罩内的压强降到大约7×10-3Pa2、反射膜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，要对两种偏振分别计算反射率和透射率。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。3、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，.对这种情况下计算器反射率可以发现，可把它看做是单一界面的情况，即可以把的单层膜系统看做的单一界面来处理，并且仍然可以用（2-9）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：(3-1)等式右边2x2矩阵为膜层的特征矩阵，其中(3-2)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，(3-3)由此单层膜的反射率为(3-4)4、多层膜的反射率对于多层介质膜系，也可以把膜层和基底等效成有效导纳为Y的单一界面，此时（3-3）式仍然成立，而（3-1）式对应改为(3-5)其中(3-6)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(3-7)满足这一条件的单层膜与基底构成的膜系有(3-8)所以(3-9)设，正入射时，(3-10)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，，所以，这时该层的特征矩阵为(3-111)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。它的反射率随波长变化情况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。5、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。实验仪器与实验内容：实验设备如图，其操作原理电子枪蒸发源加热使得H（硫化锌ZnSnh=2.35）L(冰晶石Na3AlF6)的材料分别挥发到了基片上冷凝附着，光源射出的光通过斩波器后变成波长在632.8nm左右的单色光，经过基片，与基片表面上的膜发生干涉作用，透过的光强有所改变，当薄膜厚度在1/4波长时有极值出现，表现为光强的大小有极值。在通过反射镜，放射至单色仪上，单色仪分离掉其他光束（632.8nm之外的）再经过光电倍增管，把光信号转化为电信号，并于膜厚控制仪上显示。当出现极值时，也就是1/4波长出现的时刻。此时换L和H的镀膜图1实验仪器示意图实验步骤：1、 抽真空前的准备工作用吸尘器吸净中招内的杂质与灰尘，在舟1、舟2内方硫化锌，舟3、舟4内方冰晶石，用酒精洗干净玻璃片后放入钟罩内置基片的地方。2、 抽真空先用机械泵将系统和钟罩内抽真空至7Pa后，用已经预热过的扩散泵抽真空。在压强低于7*后对舟1、2、3、4进行预熔。3、镀膜预熔后开始镀制11层全介质干涉膜。膜系为HLHLH2LHLHLH。在镀膜的过程中，观察光电流的走向，当出现极值点时，应及时更换镀膜材料。镀膜完毕，待镀膜机冷却后，方可将镀膜片取出。4、 测量用分光光度计测量窄带滤光片的透过率曲线，在曲线上标出峰值波长、半高宽和最大透过率，。（光路示意图如图2）数据处理与数据结果分析：1、干涉滤光片的镀制（H为高折射率，L为低折射率）层编号折射率光电流强度（μA）层编号折射率光电流强度（μA）1H102.2-85.98L35.1-50.42L85.9-92.59H50.4-41.83H92.5-42.210L41.8-7.24L42.2-46.411H70.2-59.65H46.4-20.312L59.6-97.56L20.3-26.813H97.5-94.372H26.8-15.515.5-35.1当膜层的光学厚度为的整数倍时，薄膜的透射率出现极值，即薄膜的透射率与反射率随膜厚度成周期性的变化。从而让我们可以通过光学极值法来检测膜的厚度，以便于更好的控制膜厚度。2、膜系HLHLHL2HLHLHLH的透射率曲线在附页上滤光片的一些重要参数：λ0=689nmTMAX=90.9%Δλ/λ=1.57%误差分析：1）实验是通过λ/4极值法来控制膜的厚度，但由于观测和反应以及实验仪器精确度等原因，并不能保证正好在光学厚度为时保证停止镀当前镀膜层。2）在实验过程中一直蒸发冰晶石和硫化锌来镀膜，必然导致在镀膜过程中气体压强有所影响，而镀膜实验应该是要在外界环境不变的条件下经行的，从而使实验产生误差。3）在镀膜的过程中，虽然已经用挡板将蒸发物挡住，但蒸发物不能立即冷却还在蒸发，会使接下来所镀的膜不纯，影响透射率结论：本实验利用真空镀膜机，在机械泵和油扩散泵的配合下创造高真空条件，并利用λ/4极值法镀（HL）22H(LH)2膜系，并利用TU-1221双光束紫外和