干涉滤光片
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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