干涉滤光片的镀制

干涉滤光片的镀制
学号： 实验日期： 姓名： 指导教师
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)3 H(2L)(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，如图 4-2-1 所示。 关键词：多层干涉滤光片 高真空镀膜 透过率曲线
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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。
4.1 干涉滤光片的透过率曲线
旋转滤光片的摆放位置，测得透过率曲线图，如图。并测得参数如下：
表格 1
中心波长 0 （nm） 633.02
中心透过率峰值 Tmax 86.7%
半高宽 / 0 34.65
分析图 7 并与透过率曲线的理论计算结果图相比，可发现本次实验所得两 图与理论图有局部差别，但是总体趋势还是相同的，所以本次实验基本成功。造 成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，不能严格
i / 2 ， 低折射率膜层， G 为基片。 对 ni di cos i / 4 的膜系， 学厚度为 / 4 的高、
cos i 0 ，该层对应的特征矩阵为
0 Mi i i i i 0
（13）
满足这一条件的单层膜与基底 g 构成的膜系有
S、 R 和 M 8 组成的参考光路， M 9 和 M 10 ， 另一路是 M 7 、 分成两路： 一路是 M 6 、
样品 S 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 S 的透过率。改变 G 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。
四 、实验记录与结果分析
1 0 0 1
（17）
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。 它的反射率随波长变化情况如 全介质 / 4 膜系构成高反射膜如图 2-5 所示。
图 4：全介质
膜系构成高反射膜
图 3：几种
反射膜系的反射率曲线
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于选定控制波长。实验中选硫化锌为高折射率材料，冰晶石 图 5：DM-450 型镀膜机 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。
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实验中用 TU-1221 紫外和可见光分 光光度计测量滤光片的透过率曲线。直 接测量 T 曲线，从曲线上求出介质干 涉率滤光片的三个主要参数 0 、 Tmax 、
B 0 C i i
所以
i i g 1 i i g i 0 i

（14）
Y
设 n0 1 ，正入射时，
C ig B g
（15）
i2 2 1 0 Y g R 2 0 Y 1 i B
（9）
Y R 0 0 Y
2.1.3 多层膜的反射率
2
（10）
对于如图 2-4 所示的多层介质膜系， 也可以把膜层 n1 , n2 ,......nk 和基底 ng 等效 成有效导纳为 Y 的单一界面，此时（9）式仍然成立，而（7）式对应改为

2
（16）
R 为极大值， 若 ni ng 则 Y ng ， 这样的 / 4 层为高反射层， 若 ni ng ， 则 Y ng ，
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R 为极小值，这样的 / 4 为低反射层。
当 ni di cos i 为 / 4 的偶数 2m 时， 所以 cos i 1,sin i 0 ， m (m 1, 2,...) ， 这时该层的特征矩阵为
1 B k Mi C i 1 g
其中
（11）
图 2：多层介质膜系与其等效界面 4/9
cos i Mi i sin i i
i sin i i cos i
（12）
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 i 中，我们称 ni di cos i 为第 i 层的光学厚度，当它是 / 4 的时 候， 膜层叫 / 4 层。 若每层的光学厚度都是 / 4 的整数倍， 则整个膜系叫做 / 4 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
/ 0 。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 W1 或氘灯 D2 发出的光经过 M 1 、 S1 和 图 6：TU-1221 紫外和可见光分光光度计的光路示意图
M 2 准直后照射到光栅 G 上， G 衍射的光经过 M 3 、 S 2 、 M 4 和 M 5 后由斩光器 C
也与入射角 i 和 t 有关:
ip
ni nt , tp （p波） cos i cos t
(2) (3)
si ni cos i ,st nt cos （ t s波）
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于是可得振幅反射率及能量反射率:
r
i t i t
（4）
R(
i t 2 ) i t
（5）
两式中的 无论对于 p波还是s波 都适用。由于不论对 p 还是 s ，在忽略吸收条件 下都有:
R+T=1
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
（6）
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 1（a）.对这种情况下计算其反射率可以发现，可把它 看做是如图 1（b）那样单一界面的情况，即可以把 n0 n1 n2 的单层膜系统看做
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
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称为法布里—铂罗型干涉滤光片。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。 因银层具有很强的吸收，用银层作反射层的“金属—介质”干涉滤光的透射 率很难高于 40% 。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 80% 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。
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 的允许的误差最好小于 2%,偶尔允许到 5%，本实验采用极值法进行膜厚度监控。 当膜厚的光学厚度为 0 /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。电信号从每一个极大到极小所 对应的膜厚度为 0 /4， 反之， 电信号从每个极小到每个极大所对应的厚度也是 0 /4。
i sin 1 1 1 2 cos 1
(7)
等式右边 2x2 矩阵为膜层 n1 的特征矩阵，其中
1
2

n1d1 cos 1
（8）
称为 n1 膜层的相位因子，i 为虚数单位，2x1 矩阵称为基底为 n2 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：
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符合镀制条件导致所镀制的滤光片精密度不够； 测量过程中由于滤光片的镀膜不 均匀等条件导致测得的透过率曲线图偏差。
五、结论
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)3 H(2L)(HL)3H 膜系窄带全介质干涉滤光片。 并利用 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（图 4-2-1） ，分析透过率曲线 图并与理论图对比，可看出本次试验所镀制的滤光片基本符合要求，但是滤光片 的镀层不均匀。
n0 Y 的单一界面来处理，并且仍然可以用（5）式来计算反射率 R。Y 称为单层
膜系统的有效导纳。
图 1：单层薄膜的多光束干涉及其等效界面图
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：