干涉滤光片

干涉滤光片的设计与制造

实验报告

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一、玻璃(折射率为1.52)表面制备ITO 薄膜(折射率为1.9)，当薄膜光学厚度为

0λ/4(0λ取500nm)时，理论计算ITO 薄膜在0λ处的透过率，并判断该薄膜是增

透膜还是增反膜。

1、薄膜在0λ处透过率的计算

讨论光线正入射,各介质吸收系数k=0的情况,

图1 薄膜透过率计算光路图

π

λλπ

λπ

δλλ=∙

=

∆=

=

∙

==∆2

222

4

22210

1nh n 上表面的光程差光线在介质、

由于光线正入射且不考虑介质吸收率，故在薄膜n 1上表面的反射系数r 1,玻璃基板n 2上表面的反射系数r 2计算公式如下：

17119

52.19.152.19.1,2999.119.112121101021=+-=+-=-=+-=+-=

n n n n r n n n n r

依据单层膜反射率计算公式：

22

1122

22

12122cos 12cos r r r r R r r r r δδ++=++

1660

.0,21==R r r 代入得，将πδ

8340

.0-1==R T

1

n 2

n r 1 r 2

2、薄膜功能判断

1)对比不镀膜的情况

若未向玻璃基板上镀ITO 薄膜，则玻璃基板表面的反射系数为

6313

52.1152.112200-

=+-=+-=

n n n n r ，

由于光线正入射，故玻璃表面反射率为

0426

.0)6313(

|r |2

2===R ,小于镀膜时的反射率

0.1660，故该模型中ITO 薄膜为增反膜。 2）从薄膜表面光线的干涉情况考虑：

由于n 1>n,,故光线1在薄膜与玻璃的界面反射时产生半波损失，所以1、2光线在薄膜上表面的实际相位差为π

ππ

δ2'=+=，这表明，1、2光线在薄膜表面经干涉加强，即薄

膜表面反射光加强，这是增反膜的原理。

二、简述窄带滤光片的作用及工作原理并设计如下滤光片(给出膜系结构及设计曲线)：

入射介质0n ＝1；出射介质g n ＝1.52；入射角0θ＝︒

0；中心波长0λ＝450nm ，中心波长透过率大于85%，透射光谱的半宽度小于50nm 。使用n H ＝2.0（Si 3N 4）， n L ＝1.48（SiO 2）。

答：

1、窄带滤光片的作用：

让光源中某一窄带光谱的光波以尽可能高的透射率通过，而使其他光谱范围的光波衰减，以获得单色性良好的准单色光。 2、工作原理：

窄带滤光片是由两块内表面镀有高反射膜（介质或金属膜）的相互平行的高平面度玻璃板或石英板组成，在内表面之间形成多次反射以产生多光束之间的干涉。

其原理可由多光束干涉极大值条件来解释，即：

图2 多光束干涉

),2,1,0(2sin 422 ==-=

ΛN N i n d

M πλ

πϕ

当相干光束数目很大时，对于确定的n 、d 、i 值，光源中只有严格满足上述条件的波长成分才能基本无衰减地透过，微小偏离上述条件的波长成分将由于近似相消干涉而衰减，于是实现了窄带滤波。

当入射角i=0°时，透射波长可表示为：N dn

N 2=

λ。这说明干涉滤光片透

射光波的光谱也是一种“沟槽光谱”。 3、滤光片设计：

方案1 (HL)2HLL(HL)2H (12层)

图3 方案1设计曲线

所得数据如下：中心波长450nm 处的透过率为95.74%,大于85%；该透过率的一半为47.87%，对应的波长分别约为436.2nm 和 464.7nm ，故透射光谱的

半宽度约为28.5nm,小于50nm。该设计合题意。

分析半宽度时也可用此方法：如图，425nm处对应透过率为24.48%,475nm 处对应的透过率为27.76%,两处透过率均小于47.87% ,故透射光谱的半宽度一定小于475-425=50nm。

方案2 (HL)2H(HL)2H （10层）

图4 方案2设计曲线

所得数据如下：中心波长450nm处的透过率为95.74%,大于85%；该透过率的一半为47.87%，对应的波长分别约为429.0nm和473.1nm，故透射光谱的半宽度约为44.1nm,小于50nm。该设计合题意。

同样，分析半宽度时也可用此方法：如图，425nm处对应透过40.37%,475nm 处对应的透过率为44.78%,两处透过率均小于47.87% ,故透射光谱的半宽度一定小于475-425=50nm。

三、简述窄带滤光片的制备过程，给出实际滤光片的测试结果(中心波长、峰值透过率，光谱半宽度)，利用干涉理论分析实际结果和理论设计值的差别及产生差别的原因。

答：本次实验采用方案1，即(HL)2HLL(HL)2H，制备干涉滤光片的方法为等离子体增强化学气相沉积法，英文缩写为PECVD，实验设备如图：

（一）制备过程

1、清洗镀膜机（图5），安装监控片，将待蒸发的薄膜材料放入蒸发容器中；

2、清洗玻璃基片，由于设计要求不高，镜片只用酒精进行擦拭；

3、根据膜系设计的结果将设计参数置入镀膜机的控制系统；然后在控制系统的监控下镀膜机镀膜机全自动镀制干涉滤光片。设备具体操作如下： 1）开机

a) 开机前准备：打开总电闸、电脑、空压机、冷却水、液氮阀门（罐上

阀门和气路版阀门）。

b) 开机：弹起设备紧急制动，按下绿色电源按钮，打开PC 端控制软件；

启动泵。

2）沉积工艺过程

a)工艺前准备：确认工艺需要的气体源，打开相应阀门（反应气体和高纯氮）；本次实验需要N 2/SiH 4、N 2、NH 3、N 2O 等气体。

b)加热器预热：chamber 抽真空至base pressure （默认6mTorr ）后在软件chamber 界面温度区输入预加温度，依次按run ，stop （至300℃约二十分钟）。

c) Recipe 设置：在recipe 界面点击automatic 编辑确定工艺步骤及详

细参数（气体流量，气压，温度，高低频功率及时间，工艺沉积时间）； 首先，根据单层膜H 与L 的几何厚度、沉积速度，以及系统给出的时间，计算出在H 层与L 层几何厚度下，需要PECVD 反应的沉积时间。

Si3N4 100nm ——60s SiO2 300nm ——80s 56.250nm ——33.75s 76.014nm ——20.27s (近似取整) 56nm ——34s 76nm ——

21s