干涉滤光片的渡制

光学多道与氢氘光谱

摘要

本实验应用真空镀膜机和双光束紫外和可见光分光光度计的实验装置，采用热蒸发的方法在玻璃基片上制作多层介质的干涉滤光片，以及采用极值法进行膜厚监控，镀制了一块多层介质膜法布里—珀罗型干涉滤光片；测量了其参数如滤光片的峰值波长峰值透过率和半高宽以及滤光片的透射特性曲线。实验镀制的滤光片的峰值波长为690.22nm，峰值透过率为87.8%，相对半宽度为6.3%，滤光片的透射特性曲线如附页所示。

关键词干涉滤光片透射率有效导纳真空镀膜机分光光度计

一、引言

自然界中有许许多多美丽的观赏效果都是与透明膜层的反射光波的折射有关。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的研究，现在可用各种各样的方式将具有不同折射率的多次介质薄膜沉积在玻璃基片或金属基片上，以达到控制光的目的，如减光膜、反射镜和光学滤光片等。光学薄膜在日常生活、供应和科学技术等许多领域用着重要的应用。

在光学薄膜技术中，多层多周期的光学薄膜最为突出，而再带干涉滤光片则是这一技术中最主要的应用之一，它是将宽带光谱变为窄带光谱的光学元件。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，前后两次银膜构成两个相互平行的高反射率板。银层反射率的主要作用是决定了法布里—珀罗型干涉腔的精细常数。因银层具有很强的吸收，用银作反射层的“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率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，这就是全介质型干涉滤光片。

光学滤光片在与光学应用技术有关的各个学科技术领域中起着重要的作用。随着真空镀膜技术的发展，法布里—珀罗型的干涉滤光片得到了真正的巨大发展，使得我们可能在任何一个光谱区内获得窄带的、具有良好透射比的优异光学质量的滤光片。它在光学、光谱线、光通信、激光以及天文物理学等许多领域得到了广泛的应用。

本实验采用热蒸发的方法在玻璃基片上制作多层介质的干涉滤光片，及采用极值法进行膜厚监控，并对滤光片的主要参数进行测量。通过实验，掌握干涉滤光片的原理，并熟悉真空系统的操作和滤光片的镀制过程。

二、原理

2.1真空镀膜对真空的要求

真空室内的剩余气体越少，固体物质蒸发的分子与气体碰撞的几率就越小。真空室内气体分子的平均自由程应该大于蒸发物与被镀基片的距离，只有这样固体分子才能无阻挡的直线到达被镀基片的表面。

在室温下，空气分子的平均自由程大约为111m。有理论指出，在达到平均自由程的1% 时，有99%的分子可以不经过碰撞到达基片。蒸发时一般选择的平均自由程为蒸发物与被镀基片距离的2～3 倍。在实验室中，蒸发物与被镀基片的距离在20cm 左右，相应的气体压强为1×错误！未找到引用源。～1×错误！未找到引用源。Pa，但在真空前真空度往往要高一些。

2.2反射膜

2.2.1光在单一分界面上的反射

光线垂直入射到透明介质表面时，反射系数r 和反射率R 分别为

错误！未找到引用源。

其中错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。分别为两种介质的折射率。

对于一般情况而言，光线以一定的角度入射到分界面上，这时就要对两种偏振分量计算反射率和透过率。定义光学导纳

错误！未找到引用源。

其中，k为与界面垂直方向上的单位失，H和E分别为磁场强度矢量和典藏强度矢量，角标“∥”指平行于界面的方向，错误！未找到引用源。的大小既与介质的折射率n有关，也与入射角和折射角有关。

通过菲涅耳公式，折射定律以及绝缘介质界面上电磁场的边值关系的推导可知：（1）（2）两式对于p 波和s 波都适用，故不再区分光线是垂直入射还是斜入射。

由于不论是p 分量还是s 分量，在忽略吸收的条件下都有

2.2.2单层膜的反射率

考虑在基片上镀单层平行平面的情况，对这种情况计算其反射率发现，可把它看做单一界面的情况，可引入单层膜系统的有效导纳Y，单层膜系各光学参数间的关系可用矩阵表示为

等式右方错误！未找到引用源。举着为膜层错误！未找到引用源。的特征矩阵，其中

称为错误！未找到引用源。膜层的相位因子，单层膜的反射率为

2.2.3 多层膜的反射率

对于多层介质膜系，也可以把膜层错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，…，错误！未找到引用源。和基底错误！未找到引用源。等效成有效导纳为Y的单一界面，此时错误！未找到引用源。仍成立，而错误！未找到引用源。应为

其中错误！未找到引用源。为第i层膜的特征矩阵，即整个膜系的所有光学参数及其对反射特性的影响取决于各膜层的特征矩阵的乘积。

在相位因子错误！未找到引用源。中，错误！未找到引用源。称为第i层膜的光学厚度，当它是错误！未找到引用源。的整数倍时，膜层为错误！未找到引用源。膜层。若每层膜的光学厚度都是错误！未找到引用源。的整数倍，则整个膜系称为错误！未找到引用源。字母的排列“GHLH…”表示膜系的情况，其中，H、L分别表示光学厚度为错误！未找到引用源。的高、低折射率膜层，G为基片，对错误！未找到引用源。膜系，错误！未找到引用源。.

2.3窄带全介质干涉滤光片

2.3.1膜系结构

窄带全介质干涉滤光片的典型膜系为G错误！未找到引用源。)错误！未找到引用源。).其中，j为HL的重复周期。这种法布里—珀罗型膜系对控制波长错误！未找到引用源。有极大透过率值，而对于其他波长则均低于此值。对于控制波长错误！未找到引用源。，所以得到干涉极大，由于

可知，对于波长错误！未找到引用源。的光波，间隔层光学厚度为其半波长错误！未找到引用源。的错误！未找到引用源。倍，因此也是干涉极大。

2.3.2干涉滤光片的带宽

一般定义通带半宽度

若间隔层对控制波长干涉几次m增大，即对错误！未找到引用源。，有错误！未找到引用源。，则

可见，对给定的峰值波长错误！未找到引用源。，R越大，错误！未找到引用源。越小；干涉级次m越大，错误！未找到引用源。。实际镀制时并不能过多增加干涉级次来获得窄带宽，因为m越大，不希望有的次峰就更难消除。当间隔层厚度超过第四级次是，就开始显得粗糙，使得更高级次完全失去其实用价值。

2.4膜厚的监控

控制每一层介质膜的厚度是制备多层介质膜的关键。本实验采用光学极值法对膜的厚度进行控制。当膜层的光学厚度为错误！未找到引用源。的整数倍时，薄膜的透过率或反射率出现极值，即膜的透射率与反射率随膜的厚度的增加而呈周期性变化。实验中通过出现极值的特点来达到对膜厚的监控，即电信号从每个极小值到极大所对应的膜厚变化为错误！未找到引用源。，反之，电信号从每个极大值到极小所对应的膜厚变化也为错误！未找到引用源。。这种方法仅适用于错误！未找到引用源。/4 膜系。

三、实验

3.1实验装置