北理工 薄膜原理与技术 作业

薄膜原理与技术大作业

班级：XXX

学号：XXX

姓名：XXX

一、简述宽带减反射膜在光学仪器中的作用，并设计如下膜系： 入射介质0n ＝1；出射介质g n ＝1.52；入射角0θ＝︒0；参考波长0λ＝580nm ；设计要求：400～440nm 光谱段反射率小于2%；440～640nm 光谱段反射率小于0.5％；640～700nm 光谱段反射率小于2%。

减反射膜主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。宽带减反射膜提高了像质量、象平衡和作用距离，从而使系统的全部性能增强。

膜系设计：

二、设计带通滤光片：

入射介质0n ＝1.52；出射介质g n ＝1.52；入射角0θ＝︒0；中心波长0λ＝550nm ；；中心波长透过率%98550>nm T ，通带半宽度小于5nm 。

三、设计一个中性分光膜：

入射介质0n ＝1.0；出射介质g n ＝1.52；入射角0θ＝︒45；440～640nm 光谱段%3%50±=R 。

四、简述干涉截止滤光片通带波纹产生的原因及消除方法并设计如下要求分色镜：

入射介质0n ＝1，出射介质g n ＝1.52，入射角0θ＝︒0，截至波长nm nm e 5580±=λ，在%,85%,90,

550~420min >>T T nm 在

%90,700~600>R nm 。 产生波纹的原因：

1）等效光学导纳失配（波纹的幅度）（）；

2）等效位相厚度随波长变化。

压缩波纹的方法：

1) 改变基本周期的膜层厚度，使等效折射率更接近于预期值。同样要求基片折射率要低，反射损耗小。这种方法在可见光可以，红外区损耗大。

2) 在多层膜的每一侧加镀匹配层（层），使它与基质以及入射介质匹配。插入层相当于多层膜界面的减反膜。

膜系设计：

五、简述光电极值法监控原理及其监控精度提高的措施。

由多光束干涉原理可知，膜系反射率随膜厚呈周期性变化，当膜层的光学厚度为监控波长的四分之一整数倍时反射率出现极值。利用膜层沉积过程中反射率（或透射率）随膜厚变化的这种规律，通过光电膜厚监控仪检测淀积过程中反射率（或透射率）出现的极值点来监控四分之一波长整数倍的膜系，这种方法称为光电极值法（如图1所示）。但由于膜系的反射率在接近极值时变化缓慢，使这种监控方法的精度有限。

针对光电极值法监控精度不高的缺陷，人们做了很多研究和改进。一是对硬件设备的改进，如采用双光路光强信号测量透（反）射率值代替单光路透（反）射光强值来监控膜厚（如图2所示），这样可克服由于光源波动及探测器波动、漂移带来的影响，提高系统的稳定性和监控精度；二是引入过正控制技术，即利用两极值点间的监控精度高于极值点的监控精度的特点，将停镀点移到极值点之

后，但通常采用的恒过正量控制技术无法对各膜层进行定量、有效的膜厚过正量控制，由此又有人提出了变过正量监控技术，这种技术是根据镀膜监测过程中各层膜极值点的偏移量来修正其理论计算的过正量，这样可进一步提高光电极值法的膜厚监控精度。

六、简述薄膜微观结构的特征及其表征方法，介绍一种薄膜微观结构观测原理。

从最早皮尔逊获得的多层膜横断面的电子显微镜照片中可以得到薄膜微观特性的三条结论：(1) 薄膜呈柱状加空穴结构：(2) 柱状几乎垂直于基板表面生长，而且上下端尺寸几乎相同：(3) 层与层之间有明显的界限，上层柱体与下层柱体并不完全连续。膜层可以看做是很多柱体聚集在一起构成的，有很大一部分柱体表面暴露在环境气氛中，通常称这些表面为薄膜的“内表面”。对于光学厚度为可见光区波长的一层膜，其内表面面积大约是外表面面积的10倍。主体之间的间隙犹如贯穿薄膜的毛细孔，在环境气氛中产生毛细管吸附和凝聚现象。此外，薄膜中还可观察到节瘤状的缺陷，这种缺陷是由薄膜淀积过程中的喷点、灰尘或基板上的微小缺陷诱发生长而成的。由于节瘤边界的结合力很弱，所以节瘤很容

易被除去。

薄膜微观结构的特性可以由聚集密度、结构模型、柱体半径、内表面、气孔大小分布等方面来表征。

透射电子显微镜（TEM）可用于观测薄膜微观结构。TEM的优点是分辨率较高，主要缺点是由于电子的穿透本领低（小于100nm），因此不能直接观察样品本身，而只能观察其复制品，即复形膜。

复形技术常采用Pt-C—级复形。所谓一级复形即在被观察的样品上直接淀积复形膜，然后将从样品上剥落下来的复形膜置于铜网上进行TEM观察。复形步骤如下：首先在待分析的样品表面或横断面上倾斜蒸发Pt投影膜；然后在投影膜上，以垂直方向蒸发C作为巩膜（图3)；最后用腐蚀液从样品上剥下复形膜。由于电子易于透过C膜，而对Pt膜的透射能力很弱，因而薄膜表面或横断面的形貌变成了随Pt膜厚度而变化的电子束透射强度的调制。为提高显微照片的质量，最重要的是选择Pt膜的厚度和投影角。从计算机模拟可知，对热蒸发薄膜，最佳Pt膜厚度是15nm左右，投影角约为30°

七、介绍光学薄膜在通讯行业或显示器产业中的一种应用。

光学薄膜在光纤通信中的应用：

光纤系统也像电子线路系统一样，需要许多无源器件来实现光纤光路的连接、分路、合路、交换、隔离以及控制或改变光信号的传播特性。光学薄膜在其中一些仪器中起着十分重要的作用。在透镜扩束式连接器中，透镜表面需要镀制减反射膜，消除菲涅尔反射的影响。在光纤定向耦合器中，部分反射介质膜镀制在两透镜的结合面上。这种微光元件组成的定向耦合器，结构紧凑、简单，插入损耗较低（），对膜的功率分配不敏感，因此得到很多应用。部分介质反射膜也可以镀制在直角棱镜斜面上，构成一种T形耦合器。另有一种光波分复用器（WDM），属于波长选择性耦合器，是用来合成不同波长的光信号或者分离不同波长的光信号的无源器件。WDM可用各种方法设计制造，其中干涉滤波器型WDM器件的主要特点是信道带宽平坦，插入损耗低，结构尺寸小，性能稳定。它是利用多层介质膜作为滤波器，具体结构有两类：一类为干涉滤波器，另一类为吸收滤波器。两者都可用介质薄膜构成。WDM膜系一般采用1/4波长的厚度，只在两边利用不规则的厚度。采用1/4波长厚度膜系的监控方法简单，极值法具有自动补偿单层膜监控误差。膜系一般采用多个F-P腔的形式，镀膜的材料采用两种常用的材料SiO2和TiO2。

目前光通信系统中实用的有源器件是掺铒光纤放大器（EDFA）。采用光学镀膜滤光片是常用的一种改善EDFA 的增益平坦的手段，另外在EDFA后，探测器前放置一块窄带滤光片可以减少噪声的影响。