《薄膜光学与技术》2012期末考试试题A-答案

2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷）
参考答案及评分标准
一、填空题 （每空1分，共24分）
1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度为 1000 nm 。

2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分别为 ncos θ 、 n/cos θ 。

3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反射率就会出现一次极值变化。

当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个反射率极值是 极小 （极大、极小）值。

4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。

5、周期性对称膜系(pqp)s 的等效折射率和 基本周期/pqp 的等效折射率完全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的s 倍 。

6、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底的组合导纳为： s n n Y 21
7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ，高反射带越宽。

8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。

9、镀膜室内真空度高表明气体压强 小 ，真空度低则气体压强 大 。

10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采用 光电 膜厚仪来监控。

11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。

12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。

13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在500-700nm 范围内，可以选取的监控波长为 600 和 514.3 nm 。

二、辨析题：先回答以下说法是否正确？然后说明理由或修改正确。

（15分）
说明：以上各题判断正确1分，原因叙述正确或修改正确2分（对于正确的表述，可以不说明原因）。

叙述不完全的根据实际情况酌情给分。

1、膜层的有效位相厚度表示为： ，当光波斜入射时，对于s 光和p 光而言，要分别代入修正后的折射率值进行运算。

答：错误。

膜层的有效位相厚度表示为： ，当光波斜入射时，无论对于s 光和p 光而言，折射率值均是同一个值。

2、介质高反射膜无论入射角下多大，其s 偏振和p 偏振光所对应的带宽都是相同的。

答：错误。

介质高反射膜在垂直入射条件下，s 偏振和p 偏振光所对应的带宽都是相同的；而在斜入射条件下，由于s 偏振和p 偏振光的修正导纳不同，从而导致其带宽也不同，此时，s 偏振光所对应的带宽大于p 偏振光所对应的带宽。

3、测量镀膜样片的透射率时，将镀膜面向着光源和背对光源测得的结果相同。

答：正确。

透射率测量与测量方向无关，无论膜层是否存在吸收。

4、膜系G/M2HLHLHL/A 中，低折射率膜层的几何厚度均为40
λ。

答：错误。

膜系中，低折射率膜层的光学厚度均为40
λ，而不是几何厚度。

5、PVD 真空镀膜机的真空系统，一般需要一台扩散泵就可以完成抽气过程。

答：错误。

要达到PVD 镀膜的真空度，一般需要机械泵（低真空泵）和扩散泵（高真空泵）组合抽气才能达到。

三、问答题 （每题7分，共21分）
1、什么是单层介质膜层反射率的双重周期性？其周期性的主要特点有哪些? 答：单层介质膜的反射率会随着薄膜位相厚度的变化而呈现周期性变化（2分）；当膜厚确定后，随着光波波长的变化，反射率会随之发生周期性变化（2分）。

随厚度变化的周期呈现间隔相等，而随波长变化的周期不等，波长越大，周期越θλ
πδcos 2nd =θλ
πδcos 2nd =
长。

如将波长转化为光波频率，则随频率不同，反射率的周期是等间隔的（1分）。

说明：周期性每正确一点2分，特点回答正确1分。

2、在镀膜前与镀膜过程中，常常需要进行离子束轰击，在这两个过程中，离子束辅助的作用是什么？
答：镀膜前的离子轰击：用离子束轰击将要镀膜的零件表面（取代低真空离子轰击），既起到清洗被镀表面、活化表面的作用，又压缩了离子轰击的时间，更重要的是使离子轰击的作用得到了最大程度的发挥。

（2分）
镀中轰击：溅射突出岛，消除阴影效应，破坏柱状结构，形成均匀填充生长（2分）；膜层受到轰击获得能量，可以产生级联碰撞，增加原子/分子的迁移率，有利于致密成膜（2分）；晶格振动加剧，形成局部热峰，产生淬火效应。

（1分）
3、极值法监控膜厚有哪些技巧，请简要说明。

答：主要有3种方法：过正控制，选用比由nd=λ/4确定的波长稍微短一点的波长作为监控波长，允许T 或R 有一定的过正量，让停镀点避开极值点（3分）；高级次监控，增大T 或R 的变化总幅度，减小T 或R 的相对判断误差，提高膜层厚度的控制精度（2分）；预镀比较片，是通过提高监控片的等效导纳，增大T 或R 的变化总幅度，减小了T 或R 的相对判断误差（2分）。

四、计算题（每题10分，共40分）
注：计算结果保留到小数点后2位，透射率或反射率以百分数表示。

1、K9平板玻璃单面镀制单层光学厚度280nm 的MgF 2膜层后，它对波长1120nm 、 560nm 的反射率各是多少？光线0°入射，不考虑另一面的影响。

（玻璃n g =1.52；薄膜n f =1.38）
解：因为光学厚度280nm 是1120nm 波长的1/4（1分），因此对1120nm 的光波，
组合导纳 g
n n Y 2
（2分）
故 %26.1)38
.152.138.152.1()()11(222
222
2=+-=+-=+-=n n n n Y Y R g g （3分） 对于560nm 的波长，薄膜光学厚度是波长的1/2，因此相当于虚设层，（1分）
%26.4)52
.1152.11()11(22=+-=+-=g g n n R （3分） 说明：对1/4波长及虚设层判断正确各1分，3个公式正确各2分，计算结果正确各1分。

如果没有分步计算，或没有判断膜层特点，根据其运算及理解程度酌情给分。

如果运算完全正确，而没有判断膜层特点，不扣分。

2、石英玻璃基底上镀制高反膜G/(HL)5H/A ，若镀膜材料为ZnS 和MgF 2，求峰值反射率和中心波长处反射带的波长宽度？（中心波长500nm ；ZnS 折射率为
2.15；MgF 2折射率为1.38；玻璃n g =1.46）
解：组合导纳为 7582.26646
.138.115.2)(1012
10122522=⋅===G L H G H L H n n n n n n n Y （2分） 峰值反射率 %51.98)11(2=+-=Y
Y R （2分） 波数宽度 14.0)arcsin(2
≈+-=∆L
H L H n n n n g π （2分） 波长宽度 )(14014.05002/220nm g g =⋅⋅=∆≈∆λλ （2分） 说明：每个步骤的公式正确各2分，4个计算结果正确共2分。

如果没有进行分步运算，根据计算情况酌情给分。

3、已知441n 32n 521n L H G .,.,.===，窄带滤光膜系GHLHLHLHLH2LHLHLHLHA 的峰值透射率是多少？（不考虑基底背表面的影响）
解：根据2H 或2L 为虚设层的特点，膜系可以等效为GHLG 结构， （2分）
组合导纳 5958.03.252.144.12222=⋅==G H L n n n Y （3分） 膜系中可以看出，入射介质为空气，因此反射率为
%42.65958.015958.01)11(2
2=⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-=+-=Y Y R （3分） 所以，膜系的透射率最终为
%58.931=-=R T （2分） 说明：如果没有进行分步运算，根据计算情况酌情给分。

4、图示为K9平板玻璃（n g =1.5）单面镀制单层膜的反射率曲线（膜基界面反射率，不考虑另一面），计算薄膜的几何厚度和折射率。

其中，反射率极大值的波长位置为550nm 、917nm ，反射率极小值的波长位置为458nm 、688nm 、1375nm 。

解：根据单层膜光谱特性及极值点的条件，设917nm 的干涉级次为m ，则550nm 处的干涉级次为m+2，由 214
1)2(41λλ+=m m 30% 4% R 400nm 1500nm
得 5504
1)2(91741⨯+=⨯m m （2分） 解得m=3 （1分） 于是nm nm nd 5.6875504
15=⨯⨯= （1分） 要计算薄膜折射率，首先要确定不镀膜基底的反射率，由单一界面反射率表达式，
%4)5
.115.11()11(22=+-=+-=g g b n n R （1分） 可知，计算薄膜折射率要用反射率极大值来计算，反射率极大值的波长位置为550nm 和917nm ，这是R=30%=0.3，由
2)11(Y
Y R +-= 且 g f n n Y 2
= （2分） 得%30)5.15.1()()11(2222222=+-=+-=+-=f f f g f g n n n n n n Y Y R （1分） 于是，求得n=2.2656（其他解舍去） （1分） 由nd=687.5nm ，可解出d=303.45nm （1分）
说明：如果没有进行分步运算，则根据卷面实际情况酌情给分。