《薄膜光学与技术》2012期末考试试题A-答案.doc

2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A卷）
参考答案及评分标准
一、 填空题 （每空1分，共24分）
1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm的光波，理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度为 1000 nm。
2、若薄膜的折射率为n，光线在薄膜内的折射角为θ，则s、p光的修正导纳分别为 ncosθ 、 n/cosθ 。
3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个反射率极值是 极小 （极大、极小）值。
4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。
5、周期性对称膜系(pqp)s的等效折射率和 基本周期/pqp 的等效折射率完全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的s倍 。
6、折射率为n1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为ns，那么，该单层膜与基底的组合导纳为：
7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ，高反射带越宽。
8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。
9、镀膜室内真空度高表明气体压强 小 ，真空度低则气体压强 大 。
10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采用 光电 膜厚仪来监控。
11、采用PVD技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。
12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。
13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm的薄膜，在500-700nm范围内，可以选取的监控波长为 600 和 514.3 nm。
二、辨析题：先回答以下说法是否正确？然后说明理由或修改正确。（15分）

说明：以上各题判断正确1分，原因叙述正确或修改正确2分（对于正确的表述，可以不说明原因）。叙述不完全的根据实际情况酌情给分。

1、膜层的有效位相厚度表示为： ，当光波斜入射时，对于s光和p光而言，要分别代入修正后的折射率值进行运算。
答：错误。膜层的有效位相厚度表示为： ，当光波斜入射时，无论对于s光和p光而言，折射率值均是同一个值。
2、介质高反射膜无论入射角下多大，其s偏振和p偏振光所对应的带宽都是相同的。
答：错误。介质高反射膜在垂直入射条件下，s偏振和p偏振光所对应的带宽都是相同的；而在斜入射条件下，由于s偏振和p偏振光的修正导纳不同，从而导致其带宽也不同，此时，s偏振光所对应的带宽大于p偏振光所对应的带宽。
3、测量镀膜样片的透射率时，将镀膜面向着光源和背对光源测得的结果相同。
答：正确。透射率测量与测量方向无关，无论膜层是否存在吸收。
4、膜系G/M2HLHLHL/A中，低折射率膜层的几何厚度均为。
答：错误。膜系中，低折射率膜层的光学厚度均为，而不是几何厚度。
5、PVD真空镀膜机的真空系统，一般需要一台扩散泵就可以完成抽气过程。
答：错误。要达到PVD镀膜的真空度，一般需要机械泵（低真空泵）和扩散泵（高真空泵）组合抽气才能达到。

三、问答题 （每题7分，共21分）
1、什么是单层介质膜层反射率的双重周期性？其周期性的主要特点有哪些?
答：单层介质膜的反射率会随着薄膜位相厚度的变化而呈现周期性变化（2分）；当膜厚确定后，随着光波波长的变化，反射率会随之发生周期性变化（2分）。随厚度变化的周期呈现间隔相等，而随波长变化的周期不等，波长越大，周期越长。如将波长转化为光波频率，则随频率不同，反射率的周期是等间隔的（1分）。
说明：周期性每正确一点2分，特点回答正确1分。

2、在镀膜前与镀膜过程中，常常需要进行离子束轰击，在这两个过程中，离子束辅助的作用是什么？
答：镀膜前的离子轰击：用离子束轰击将要镀膜的零件表面（取代低真空离子轰击），既起到清洗被镀表面、活化表面的作用，又压缩了离子轰击的时间，更重要的是使离子轰击的作用得到了最大程度的发挥。（2分）
镀中轰击：溅射突出岛，消除阴影效应，破坏柱状结构，形成均匀填充生长（2分）；膜层受到轰击获得能量，可以产生级联碰撞，增加原子/分子的迁移率，有利于致密成膜（2分）；晶格振动加剧，形成局部热峰，产生淬火效应。（1分）

3、极值法监控膜厚有哪些技巧，请简要说明。
答：主要有3种方法：过正控制，选用比由nd=λ/4确定的波长稍微短一点的波长作为监控波长，允许T或R有一定的过正量，让停镀点避开极值点（3分）；高级次监控，增大T或R的变化总幅度，减小T或R的相对判断误差，提高膜层厚度的控制精度（2分）；预镀比较片，是通过提高监控片的等效导纳，增大T或R的变化总幅度，减小了T或R的相对判断误差（2分）。

四、 计算题（每题10分，共40分）
注：计算结果保留到小数点后2位，透射率或反射率以百分数表示。
1、K9平板玻璃单面镀制单层光学厚度280nm的MgF2膜层后，它对波长1120nm、 560nm的反射率各是多少？光线0°入射，不考虑另一面的影响。（玻璃ng=1.52；薄膜nf=1.38）

解：因为光学厚度280nm是1120nm波长的1/4（1分），因此对1120nm的光波，组合导纳 （2分）
故 （3分）
对于560nm的波长，薄膜光学厚度是波长的1/2，因此相当于虚设层，（1分）

（3分）
说明：对1/4波长及虚设层判断正确各1分，3个公式正确各2分，计算结果正确各1分。如果没有分步计算，或没有判断膜层特点，根据其运算及理解程度酌情给分。如果运算完全正确，而没有判断膜层特点，不扣分。

2、石英玻璃基底上镀制高反膜G/(HL)5H/A，若镀膜材料为ZnS和MgF2，求峰值反射率和中心波长处反射带的波长宽度？（中心波长500nm；ZnS折射率为2.15；MgF2折射率为1.38；玻璃ng=1.46）
解：组合导纳为 （2分）
峰值反射率 （2分）
波数宽度 （2分）
波长宽度 （2分）
说明：每个步骤的公式正确各2分，4个计算结果正确共2分。如果没有进行分步运算，根据计算情况酌情给分。

3、已知，窄带滤光膜系GHLHLHLHLH2LHLHLHLHA的峰值透射率是多少？（不考虑基底背表面的影响）
解：根据2H或2L为虚设层的特点，膜系可以等效为GHLG结构， （2分）
组合导纳 （3分）
膜系中可以看出，入射介质为空气，因此反射率为
（3分）
所以，膜系的透射率最终为
（2分）
说明：如果没有进行分步运算，根据计算情况酌情给分。

4、图示为K9平板玻璃（ng=1.5）单面镀制单层膜的反射率曲线（膜基界面反射率，不考虑另一面），计算薄膜的几何厚度和折射率。其中，反射率极大值的波长位置为550nm、917nm，反射率极小值的波长位置为458nm、688nm、1375nm。
30%
4%
R
400nm

1500nm

解：根据单层膜光谱特性及极值点的条件，设917nm的干涉级次为m，则550nm处的干涉级次为m+2，由

得 （2分）
解得m=3 （1分）
于是 （1分）
要计算薄膜折射率，首先要确定不镀膜基底的反射率，由单一界面反射率表达式，
（1分）
可知，计算薄膜折射率要用反射率极大值来计算，反射率极大值的波长位置为550nm和917nm，这是R=30%=0.3，由
且 （2分）
得 （1分）
于是，求得n=2.2656（其他解舍去） （1分）
由nd=687.5nm，可解出d=303.45nm （1分）
说明：如果没有进行分步运算，则根据卷面实际情况酌情给分。