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干涉滤光片的镀制

【摘要】
本实验以蒸发真空镀膜机对滤光片镀膜，采用干涉原理对膜厚进行监控。使用单色仪把光源透过滤光片并有反射镜反射回来到单色仪上的光，经由单色仪原理被分成不同的光束，再由光电倍增管将光信号放大并转化为电信号。通过理论模拟和实际实验结果进行比较，分析实验误差产生的原因。
关键词：干涉滤光片、高真空镀膜、光学极值法测膜厚、真空检验
【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等，它们的的观赏效果都与透明层反射的广播的干涉有关。从而发现薄膜的干涉现色彩现象起，特别是1930年真空蒸发设备的出现后，人们对薄膜科学技术进行了大量的研究。
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中最重要的应用之一，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，前后两层银膜构成两个平行的高反射率版，介质莫层通常为冰晶石或氟化镁等，作为间隔曾。这种干涉滤光片是在法布里-珀罗干涉仪基础上改进而成的，因为被称为法布里-珀罗干涉滤光片。它在光学，光谱学，光通信，激光以及天文物理等许多科学领域得到了广泛的应用。
若n为间隔层介质折射率，d为该层集合厚度，则间隔层的光学厚度nd决定了滤光片的透射峰值波长， …………(1)
其中m是整数。银层反射率的主要作用决定了法布里-珀罗干涉腔的惊喜常熟，从而对滤光片的峰值透射率TM和半宽度产生影响。由滤光片特性曲线可见TM一半处对应的波长为，相应的透过率的狂度为=，这就是滤光片的性能的一个重要参数，称为半高宽。

因银层具有很强的吸收，用银作反射的层的“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过程的高反射率膜板代替银层构成的干涉滤光片弥补这一缺点，课使峰值透射率高达80%以上。这就是全介质型干涉滤光片。
【实验原理】
1、反射膜
（1）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
…………（2）
…………（3）
其中分别是两种介质的折射率。
在一般的情况下，光线以一定的角度入射到分界面上，这时，要求两种偏振分量分别计算透射率。假设入射光平面电磁波E，并在波前平面内分解为偏振分量p波和与该面垂直的分量s波。用上标i,r和t分别表示入射波和投射波。于是，p波和s波的反射率和透射率分别为
…………（4）
这四个公式就是熟悉的菲涅尔公式，定义介质的光学导纳
…………（5）
其中，为与界面垂直方向上的单位矢，分别为磁场强度矢量和电场强度矢量。用脚标“//”指平行于界面的方向。大小既与戒指的折射率n有关，也与由折射定律和绝缘介质界面上电磁的边值关系
…………（6）
以及H和E的振幅比
…………（7）
可推出如下关系
…………（8）
…………（9）
于是可得振幅反射率及能量反射率
…………（10）
…………（11）
（10），（11）两式的无论是p波还是s波都是用。
由于不论对p分量还是s分量，在忽略吸收的条件下都有
(2) 单层膜的反射
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Ⅱ上产生多光束干涉，如图5-2-3（a）.对这种情况下计算其反射率可以发现，可把它看做是如图5-2-3（b）那样单一界面的情况，即可以把的单层膜系统看做的单一界面来处理，并且仍然可以用（5-2-10）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：
…………（12）
其中 …………（13）
等式左边的矩阵成为膜系数的特征矩阵，膜系数的有效导纳Y由此矩阵的两个矩阵元决定
…………（14）
由此，单层膜的反射率为 …………（14）
（3）多层膜的反射率
对于如图5-2-4所示的多层介质膜系，也可以把膜层和基底等效成有效导纳为Y的单一界面，此时（5-2-14）式仍然成立，而（5-2-12）式对应改为
…………（16）
其中
………… （17）
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。
在相位因子中，我们称为第i层的光学厚度，当它是的时候，膜层叫层。若每层的光学厚度都是的整数倍，则整个膜系叫做膜系。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的高、低折射率膜层，G为基片。对
的膜系，，，该层对应的特征矩阵为
…………（18）
…………（19）
若则，R为极大值，这样的层为高反射层，若，则，为极小值，这样的为低反射层。
全介质膜系构成高反射膜如图5-2-5所示。它的反射率随波长变化情况如图5-2-1所示，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。

2、窄带全介质干涉滤光片
（1）膜系结构
窄带全介质干涉滤光片的典型膜系为。其中是多层高反射率膜的堆，j为HL的重复周期，其中2H为间隔层。着重法布里-珀罗型膜系对控制波长而言，2H间隔层形同虚设，并且2H层两侧一一对应的2L层或者2H曾也逐步级看做虚设。所以，它们对控制有几大的透过率值，而其他波长则均低于此值，甚至透过率为零。
应该指出，对控制波长，间隔层的光学厚度
…………（20）
所以得到的干涉极大。
（2）干涉滤光片的带宽
法布里-珀罗干涉仪的投射光强度公式
…………（21）
其中R是反射的反射率。为间隔层厚度对应的相位因子，I为投射光强度。对法布里-珀罗型滤光片，当=时，=，所以I=I0为极大。若波长对应的光强度，同一个间隔层对相位差，则
…………（22）
对窄带滤光片，和相位差很小，所以很小，。令
…………（23）
得到
…………（24）
若对应的波长变化为， 则 …………（25）
一般定义通带半带宽
…………（26）
可见，对给定峰值波长，R越大，越小；干涉级m越大，越小。
3、膜厚的监控
准确的控制每一层膜的厚度是纸杯多层介质膜的关键。一般膜层厚度的允许的误差最好小于2%，偶尔允许到5%.本实验采用极值法进行膜厚控制。当膜层的光学厚度为的整数倍时，薄膜的透射率或反射率出现极值，及薄膜的透射率和反射率随膜厚呈周期性变化。选定控制波长后，经通过监控片的光信号探测器接受，再放大显示出来。电信号从每一个极大到极小所对应的厚度变化为。
膜系的R与光学厚度的关系如图5-2-8所示：
【实验仪器】
实验设备如图，其操作原理电子枪蒸发源加热使得H（硫化锌ZnS nh=2.35）L(冰晶石 Na3AlF6)的材料分别挥发到了基片上冷凝附着，光源射出的光通过斩波器后变成波长在632.8nm左右的单色光，经过基片，与基片表面上的膜发生干涉作用，透过的光强有所改变，当薄膜厚度在1/4波长时有极值出现，表现为光强的大小有极值。在通过反射镜，放射至单色仪上，单色仪分离掉其他光束（632.8nm之外的）再经过光电倍增管，把光信号转化为电信号，并于膜厚控制仪上显示。当出现极值时，也就是1/4波长出现的时刻。此时换L和H的镀膜

【实验内容】
1、滤光片的镀制
用干净的布片和有机溶剂基片进行清洁处理。将真空室内放气后，用吸尘器清理钟罩内部，在钼舟内填装待蒸发膜料，记录下各个舟的膜料名称。并在基片架上安放基片，勿使基片倾斜。落下钟罩，按镀膜机操作规程对真空室进行抽真空。当真空度达到以后，依次对舟预熔，去除膜料中的气体。此时，应注意用挡板挡住膜料，以保证预熔中基片不被镀上。当真空度达到要求后，采用极值发控制光学厚度的方法进行镀制，可以选择前面给出的两种膜系中的任意一个膜系镀膜，将控制波长放在632.8nm或其他波长。首先在玻璃基片上镀制H层。随着膜层增厚，放大器指示的光电流将下降。当光电流数值刚刚开始回升时，立即将挡板挡上。然后，降电流换电极，镀L层。镀L层时，光电流随着膜厚增加而上升，达到极值时停止镀膜，重复以上步骤镀H层。当镀制光学厚度为的间隔层时，厚度增加一倍 ，应在光电流上升再下降到极值时停止。以后几层同前几层一样控制，但变化规律相反。
镀膜结束后，依镀膜机操作规程停止加热和抽真空。半小时后，方可对镀膜机真空室充气，取出所镀制的干涉滤光片。然后按操作规程再对镀膜机抽真空，以保持清洁，最后停机。
2、光学镀膜的测量
测量在TU-1221双光束紫外线和可见光光度计上进行，直接测量曲线，从曲线上求出介质干涉率滤光片的三个主要参数、、。光度计的光路系统如图5-2-10所示。分光光度计的工作原理如下：乌灯或氘灯发出的光经过、和准直后照射到光栅上，衍射的光经过、、和后由斩光器C分成两路：一路是、和组成的参考光路，另一路是、、和 ，样品放在此光路中。这两路光强由光电倍增管交替接收，并进行强度比较，由此得出样品的透过率。改变的转角，可以选择不同的波长进行测量，从而得到完整的透过率曲线。

【实验数据分析及处理】
1、光学薄膜测量
实验室采用双光束紫外和可见光分光光度计进行测量，直接测量曲线，并由电脑显示，打印数据图标，测量结果见附件。其中，半高宽=，
【结论与建议】
实验室镀制多层干涉滤光片，仪器操作简便，但需在严格要求的真空度下进行，否则误差会比较大，镀膜过程中多电压电流的要求由于所镀材料的不同而不同，需注意谨慎。操作简单但容易马虎出现操作失误而使实验误差较大甚至实验失败。倘若放置基片的工件架可以旋转，则镀膜会相对更加均匀一点，而实验中的工件架是不能旋转的，从而会导致滤光片的膜厚不匀，但实验证明，影响不是很大。
【参考文献】
[1] 近代物理实验/熊俊主编. —北京：北京师范大学出版社，2007.6