多层介质膜干涉滤光片的镀制

多层介质膜滤光片的镀制
【摘要】
本实验通过机械泵和油扩散泵的先后使用，将真空镀膜机抽成真空。

再在高真空条件下，采用λ/4极值法控制光学厚度的方法，基底为玻璃、高反射率材
料为硫化锌（ZnS)、低反射率材料为冰晶石（Na
3AlF
6
），利用蒸发法镀制膜系为
（HL)32H(LH)3的干涉滤光片。

最后利用TU-1221双光束紫外和可见光分光光度计绘制T-λ曲线，得到干涉滤光片的波长为648nm，与理论值632.8nm的相对误差为2.4%，半宽高为42nm
【关键字】
高真空镀膜干涉滤光片λ/4极值法光学薄膜检测
一、引言
自然界中许多美丽的景物，如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及肥皂泡沫等，他们的观赏效果都与透明膜层内反射光波的干涉有关。

从发现薄膜的干涉色彩现象起，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研究。

在光学薄膜技术中，多层多周期的光学薄膜最为突出，而窄带干涉滤光片则是这一技术的最主要应用之一。

一种典型的干涉滤光片是在玻璃基片上镀制“银-介质-银”三层膜，前后两银膜构成两个相互平行的高反射率板。

若n为间隔层介质折射率，d为该层几何厚度，则间隔层的光学厚度nd决定了滤光透射峰值0 。

银层的反射率的主要作用是决定了法布里-珀罗干涉强的惊喜常数，从而对滤光片的峰值透过率T
M
和半宽度Δλ产生影响。

因银层具有很强的吸收，用银座反射层的“金属-介质”干涉滤光片的透射率很难高于40%，而用多层透明介质膜构成的高反射膜板代替银层构成的干涉滤光片能弥补这一缺点，可使峰值透过率高达80%以上
二、原理
1、真空技术
“真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。

在真空状态下，单位体积中的气体分子数大大减少，分子平均自由程增大，气体分子之间、气体分子与其他粒子之间的相互碰撞也随之减少。

这些特点被广泛应用于科学研究和生产的许多领域中，例如：电子器件、大规模集成电路、加速器、表面物理、热核反应、空间环境模拟、真空冶炼和真空包装等。

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。

而在本实验中，我们可以通过机械泵和油扩散泵的配合使用达到高真空条件。

但扩散泵不能再大气下运行，因此在高真空泵能够工作之前，必须先用机械泵通过低真空阀门分别将钟罩内和扩散泵中的大部分气体抽到大气中。

扩散泵需要预热，待真空度合适后，将低真空阀放在抽扩散泵一侧，然后慢慢打开高真空
阀门。

扩散泵和机械泵的组合可使钟罩内的压强降到大约7×10-3Pa
2、反射膜
光线在单一分界面上的反射光线垂直入射到透明介质界面时，反射系数r 和反射率R 分别为
i tt
i t n n r n n -=+ （2-1）
22(
)i t i t n n R r n n -==+ （2-2） 其中i n 、t n 分别为两种介质的折射率。

知道i n 和t n 便很容易地计算光垂直入射在该界面上时的反射特性。

在一般情况下，光线以一定的角度入射到分界面上，这时，要对两种偏振分别计算反射率和透射率。

假设入射光为平面电磁波E ，并在波前平面内的偏振分量p 波和与该平面垂直的分量s 波，反射波和透射波也做同样的分解，用上标i 、r 和t 分别代表入射波、反射波和投射波。

于是，p 波和s 波的反射率和透射率分别为图2-1 光线在单一界面上的反射
tan()tan()r p
i t p i
p i t E r E ϕϕϕϕ-==+
2cos sin cos()sin()t
p
i t p i
p i t i t E t E ϕϕϕϕϕϕ==-+
sin()sin()r s i t s i s i t E r E ϕϕϕϕ-==+
2cos sin sin()t s i t s i s i t E t E ϕϕϕϕ==+ (2-3)
定义介质的光学导纳
////||
||H K E η=
⨯ (2-4) 其中K 为与界面垂直方向的单位矢，H 和E 分别为磁场强度矢量和电场强度矢量，脚标“//”指平行于界面的方向。

η的大小既与介质的折射率n 有关，也与入射角i ϕ和t ϕ有关，由折射定律sin sin i i t t n n ϕϕ=和绝缘介质面上电磁场的边值
关系
()0,()0t i t i k E E k H H ⨯-=⨯-= (2-5)
以及E H 和的振幅比
////|H |||E εμ= (2-6)
可以推出如下关系
,p cos cos i t
i t p p i t n n ηηϕϕ=
=（波） (2-7a) s t t cos ,cos s i t s i i n n ηϕηϕ==（波） (2-7b)
于是可得振幅反射率及能量反射率
i i r t
t ηηηη-=+ ( 2-8)
i 2i ()t
t R ηηηη-=+ (2-9)
（2-8）、（2-9）两式中的η无论对于s p 波还是波都适用。

（2-8）、(2-9）两式的形式与（2-1）、（2-2）两式完全相同，这就是说定义了介质的光学导纳η之后，我们就可以用同一形式的公式来处理问题而不必区分垂直还是斜入射。

由于不论对p 还是s ，在忽略吸收条件下都有
R+T=1(2-10)
因此，知道R 后，便可求得T 不必再直接计算。

3、单层膜的反射率
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I 和界面 上产生多光束干涉，.对这种情况下计算器反射率可以发现，可把它看做是单一界面的情况，即可以把012n n n --的单层膜系统看做0n Y -的单一界面来处 理，并且仍然可以用（2-9）式来计算反射率R 。

Y 称为单层膜系统的有效导纳。

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：
1112111sin cos 1sin cos i B C i δδηηηδδ⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪⎝⎭ (3-1)
等式右边2x2矩阵为膜层1n 的特征矩阵，其中
11112cos n d π
δϕλ= (3-2)
称为1n 膜层的相位因子，i 为虚数单位，2x1矩阵称为基底为2n 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，
C
Y B = (3-3)
由此单层膜的反射率为 200Y R Y ηη⎛⎫-= ⎪+⎝⎭ (3-4)
4、多层膜的反射率
对于多层介质膜系，也可以把膜层12,,......k n n n 和基底g n 等效成有效导
纳为Y 的单一界面，此时（3-3）式仍然成立，而（3-1）式对应改为
11k i i g B M C η=⎛⎫⎛⎫=∏ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (3-5)
其中
sin cos sin cos i i i i i i i i M i δδηηδδ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭ (3-6)
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 δ中，我们称cos i i i n d δ为第i 层的光学厚度，当它是/4λ的时候，膜层叫/4λ层。

若每层的光学厚度都是/4λ的整数倍，则整个膜系叫做/4λ膜系。

我们用字母的排列“GHLH …”表示膜系的情况，其中，H 、L 分别代表光学厚度为/4λ的高、低折射率膜层，G 为基片。

对cos /4i i i n d δλ=
的膜系，/2i δπ=，cos 0i δ=，该层对应的特征矩阵为
00i i i i M i ηη⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭ (3-7)
满足这一条件的单层膜与基底
g η构成的膜系有 0
10g i i g i i
i i B C i i ηηηηηη⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (3-8) 所以
g i g
C Y B ηη== (3-9)
设01n =，正入射时， 2
2202011i g i g Y R Y ηηηηηη⎛⎫- ⎪⎛⎫- ⎪== ⎪ ⎪+⎝⎭+
⎪⎝⎭ (3-10) 若i g n n >则g Y n >，R 为极大值，这样的/4λ层为高反射层，若i g n n <，则g Y n <，R 为极小值，这样的/4λ为低反射层。

当cos i i i n d δ为/4λ的偶数2m 时，(1,2,...)m m δπ==，所以cos 1,sin 0i i δδ=±=，这时该层的特征矩阵为
1001⎛⎫± ⎪⎝⎭ (3-111)
这是一个单位阵，它对波长λ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。

全介质/4λ膜系构成高反射膜。

它的反射率随波长
变化情况在计算中没有考虑光从空气中入射到玻璃
基片时的透过率的损失。

5、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误差的最好小于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0λ/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 图1 DM-450型镀膜机钟罩内部结构及监控光路示意图
信号从每个极大到极小所对应的膜厚度为0λ/4，反之，电信号从每个极小到每个极大所对经的厚度也是0λ/4。

三、实验
1、 抽真空前的准备工作
用吸尘器吸净中招内的杂质与灰尘，在舟1、舟2内方硫化锌，舟3、舟4内方冰晶石，用酒精洗干净玻璃片后放入钟罩内置基片的地方。

2、 抽真空
先用机械泵将系统和钟罩内抽真空至7Pa 后，用已经预热过的扩散泵抽真空。

在压强低于7*后对舟1、2、3、4进行
预熔。

3、镀膜
预熔后开始镀制11层全介质干涉膜。

膜系为HLHLH2LHLHLH 。

在镀膜的过程
中，观察光电流的走向，当出现极值
点时，应及时更换镀膜材料。

镀膜完
毕，待镀膜机冷却后，方可将镀膜片
取出。

4、 测量
用分光光度计测量窄带滤光片的透过
率曲线，在曲线上标出峰值波长、半
高宽和最大透过率，。

（光路示意图如图2）
四、数据处理与数据结果分析 1、干涉滤光片的镀制（H 为高折射率，L 为低折射率）
层编号 折射率 光电流强度（μA ） 层编号 折射率 光电流强度
（μA ）
1 H 91.2-69.5 6 L 51.8-38.
2 2
L 69.5-62.5 7 H 38.2-64.0 3
H 82,5-32.3 8 L 64.0-41.8 4
L 32.3-46.4 9 H 41.8-70.2 5 2H 46.4-16.4
16.4-51.8
当膜层的光学厚度为/4o λ的整数倍时，薄膜的透射率出现极值，即薄膜的透射率与反射率随膜厚度成周期性的变化。

从而让我们可以通过光学极值法来检测膜的厚度，以便于更好的控制膜厚度。

2、膜系（HL ）22H(LH)2的透射率曲
图2 TU-1221紫外和可见光分光光度计的光路示意图
滤光片的一些重要参数：
λ0=648nm T MAX =94.9% Δλ/λ=6.48%
误差分析：
1实验是通过λ/4极值法来控制膜的厚度，但由于观测和反应以及实验仪器精确度等原因，并不能保证正好在光学厚度为/4o 时保证停止镀当前镀膜层。

图 3 实际测量的滤光片透过率与波长关系曲线
图4 TU-1221双光束紫外和可见光分光光度计的扫描曲线
2在实验过程中一直蒸发冰晶石和硫化锌来镀膜，必然导致在镀膜过程中气体压强有所影响，而镀膜实验应该是要在外界环境不变的条件下经行的，从而使实验产生误差。

3在镀膜的过程中，虽然已经用挡板将蒸发物挡住，但蒸发物不能立即冷却还在蒸发，会使接下来所镀的膜不纯，影响透射率
五、结论
本实验利用真空镀膜机，在机械泵和油扩散泵的配合下创造高真空条件，并利用λ/4极值法镀（HL）22H(LH)2膜系，并利用TU-1221双光束紫外和可见光分光光度计测量绘得透过率-波长曲线。

所测得峰值波长为648nm，与理论值632.8nm略有差异
六、参考文献
熊俊《近代物理实验》北京师范大学出版社。