鍍膜實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、nnt( 2-1 )多層介質(zhì)膜濾光片的鍍制摘要：本實(shí)驗(yàn)以蒸發(fā)真空鍍膜機(jī)對(duì)濾光片鍍膜， 采用干涉原理對(duì)膜厚進(jìn)行監(jiān)控。 使用單色儀把 光源透過濾光片并有反射鏡反射回來到單色儀上的光，經(jīng)由單色儀原理被分成不同的光束， 再由光電倍增管將光信號(hào)放大并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。 通過理論模擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較， 分 析實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因。關(guān)鍵詞： 干涉濾光片、高真空鍍膜、光學(xué)極值法測(cè)膜厚、真空檢驗(yàn) 引言：當(dāng)光線進(jìn)入不同傳遞物質(zhì)時(shí)（如由空氣進(jìn)入玻璃） ，大約有 5% 會(huì)被反射掉，在光學(xué)瞄 準(zhǔn)鏡中有許多透鏡和折射鏡，整個(gè)加起來可以讓入射光線損失達(dá)30%至 40%?，F(xiàn)代光學(xué)透鏡通常都鍍有單層或多層氟化鎂的增透膜，單層增

2、透膜可使反射減少至 1.5% ，多層增透膜則 可讓反射降低至 0.25% ，所以整個(gè)瞄準(zhǔn)鏡如果加以適當(dāng)鍍膜， 光線透穿率可達(dá) 95%。鍍了單 層增透膜的鏡片通常是藍(lán)紫色或是紅色，鍍多層增透膜的鏡片則呈淡綠色或暗紫色。通過加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面，稱為蒸發(fā)鍍膜。這種方法最早由M法拉第于 1857 年提出，現(xiàn)代已成為常用鍍膜技術(shù)之一。蒸發(fā)物質(zhì)如金屬、化合物等置于坩堝內(nèi)或掛在熱絲上作為蒸發(fā)源，待鍍工件，如金屬、 陶瓷、 塑料等基片置于坩堝前方。待系統(tǒng)抽至高真空后，加熱使其中的物質(zhì)蒸發(fā)。 蒸發(fā)物質(zhì)的原子或分子以冷凝方式沉積在基片表面。 薄膜厚度可由數(shù)百埃至數(shù)微米。 膜厚決定于蒸發(fā) 源的蒸發(fā)速

3、率和時(shí)間（或決定于裝料量） ，并與源和基片的距離有關(guān)。對(duì)于大面積鍍膜，常 采用旋轉(zhuǎn)基片或多蒸發(fā)源的方式以保證膜層厚度的均勻性。 從蒸發(fā)源到基片的距離應(yīng)小于蒸 氣分子在殘余氣體中的平均自由程， 以免蒸氣分子與殘氣分子碰撞引起化學(xué)作用。 蒸氣分子 平均動(dòng)能約為0.10.2電子伏。本實(shí)驗(yàn)通過蒸發(fā)真空鍍膜設(shè)備對(duì)濾光片鍍膜。原理：1 、真空技術(shù)“真空”是指氣壓低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)。在真空狀態(tài)下，單位體積中的氣體分子 數(shù)大大減少， 分子平均自由程增大， 氣體分子之間、 氣體分子與其他粒子之間的相互碰撞也 隨之減少。 這些特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中，例如：電子器件、大規(guī)模集成電路、加速器

4、、表面物理、熱核反應(yīng)、空間環(huán)境模擬、真空冶煉和真空包裝等。根據(jù)排氣壓強(qiáng)， 真空它可以從大氣壓下開始旋轉(zhuǎn)機(jī)泵、 活塞式機(jī)械這類泵是在氣體相當(dāng)稀薄這類泵稱為高真空泵， 如擴(kuò)真空泵是把被抽容器中的氣體排放出從而降低容器內(nèi)氣壓的機(jī)具。 泵大致可分為三類。第一類是往大氣中排氣的泵， 這種泵一般稱為粗抽泵或前級(jí)泵， 工作， 可以單獨(dú)使用或與其他需要在出口處維持一低氣壓的泵連用。泵等都屬于這一類。 第二類是只向低于大氣壓的環(huán)境中排氣的泵。時(shí)才能開始工作， 并氣體排除到已被前級(jí)泵抽成低真空的地方。散泵、分子泵等。第三類是可束縛住系統(tǒng)中的氣體和蒸汽的泵，如吸附泵和低溫泵等。而在本實(shí)驗(yàn)中， 我們可以通過機(jī)械泵和油

5、擴(kuò)散泵的配合使用達(dá)到高真空條件。但擴(kuò)散泵 不能再大氣下運(yùn)行， 因此在高真空泵能夠工作之前， 必須先用機(jī)械泵通過低真空閥門分別將 鐘罩內(nèi)和擴(kuò)散泵中的大部分氣體抽到大氣中。 擴(kuò)散泵需要預(yù)熱， 待真空度合適后， 將低真空 閥放在抽擴(kuò)散泵一側(cè)， 然后慢慢打開高真空閥門。 擴(kuò)散泵和機(jī)械泵的組合可使鐘罩內(nèi)的壓強(qiáng) 降到大約7X 10-3Pa反射系數(shù) r 和反射率 R 分2 、反射膜光線在單一分界面上的反射光線垂直入射到透明介質(zhì)界面時(shí)，別為ni nttr : 一 nt 2=(t)(2-2 )nint其中n、nt分別為兩種介質(zhì)的折射率。知道 n和m便很容易地計(jì)算光垂直入射在該界面上 時(shí)的反射特性。在一般情況下，

6、光線以一定的角度入射到分界面上，這時(shí)，要對(duì)兩種偏振分別計(jì)算反射率和透射率。假設(shè)入射光為平面電磁波E，并在波前平面內(nèi)的偏振分量P波和與該平面垂直的分量s波，反射波和透射波也做同樣的分解，用上標(biāo)i、r和t分別代表入射波、反射波和投射波。于是，p波和s波的反射率和透射率分別為圖2-1光線在單一界面上的反射rPtan ( I -) tan ( I )Ep2cos sin tEcos( - t)sin( )E； si nd _El _sin( ;：t)ts2cos sin :tsin( ;：t)(2-3)定義介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納(2-4)|H |K E|其中K為與界面垂直方向的單位矢，H和E分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量

7、和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量，腳標(biāo)ncp cp指平行于界面的方向。的大小既與介質(zhì)的折射率n有關(guān)，也與入射角 i和t有關(guān)，由折射定律ni sin i二ntsin t和絕緣介質(zhì)面上電磁場(chǎng)的邊值關(guān)系(匕Ei)=0,2(Ht-HJ=O (2-5)以及H和E的振幅比可以推出如下關(guān)系|H |(2-6)cos ;：icosP波)(2-7a)=ncoss=口 cos t(s波)(2-7b)于是可得振幅反射率及能量反射率(2-8)(2-9)(2-8 )、2-9 )兩式的形式與(2-1 )、(2-8 )、( 2-9 )兩式中的口無論對(duì)于P波還是s波都適用。(2-2 )兩式完全相同，這就是說定義了介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納之后，我們就可以用

8、同一形式的 公式來處理問題而不必區(qū)分垂直還是斜入射。由于不論對(duì)P還是S，在忽略吸收條件下都有R+T=1 (2-10)因此，知道R后，便可求得T不必再直接計(jì)算。和界面口上產(chǎn)生3、單層膜的反射率考慮在基片上單層膜平行平面薄膜的情況。光線入射時(shí)，會(huì)在界面 多光束干涉，對(duì)這種情況下計(jì)算器反射率可以發(fā)現(xiàn)，可把它看做是單一界面的情況，即可以把n。-山- n2的單層膜系統(tǒng)看做 n。一丫的單一界面來處理，并且仍然可以用(2-9、式來計(jì)算反射率Ro Y稱為單層膜系統(tǒng)的有效導(dǎo)納。為了計(jì)算方便，我們采用矩陣法。單層膜系 個(gè)各光學(xué)參數(shù)間的關(guān)系可用矩陣表示為：cosi sin cosd J(3-1)等式右邊2x2矩陣為

9、膜層n1的特征矩陣,其中稱為n1膜層的相位因子,2 -n1d1 cos(3-2)i為虛數(shù)單位，2x1矩陣稱為基底為“2的特征矩陣。等式右邊的矩陣稱為膜系的特征矩陣，膜系的有效導(dǎo)納Y由此矩陣的兩個(gè)矩陣元決定,陣稱為膜系的特征矩陣，膜系的有效導(dǎo)納Y由此矩陣的兩個(gè)矩陣元決定,由此單層膜的反射率為丫上B2% +Y丿(3-3)(3-4)4、多層膜的反射率對(duì)于多層介質(zhì)膜系，也可以把膜層ni，n2,nk和基底ng等效成有效導(dǎo)納為 Y的單一界面，此時(shí)(3-3 )式仍然成立，而(3-1 )式對(duì)應(yīng)改為k1、= DMi9i=1、g 丿(3-5)其中cosM i =嚴(yán) sin i sin、*niCOS、i(3-6)為

10、第i層的特征矩陣。即整個(gè)膜系的所有光學(xué)參數(shù)及其相對(duì)反射特性的影響取決于各膜層的特征矩陣的乘積。在相位因子；i中，我們稱nidi COSJ為第i層的光學(xué)厚度，當(dāng)它是 /4的時(shí)候，膜層叫/4層。若每層的光學(xué)厚度都是 /4的整數(shù)倍，則整個(gè)膜系叫做/4膜系。我們用字率膜層，G為基片。對(duì)nidiCOSim的膜系,矩陣為/i0iMi nii0丿n滿足這一條件的單層膜與基底g構(gòu)成的膜系有r 、B 01、i g2丿i0丿 g丿inng則Yng , R為極大值，這樣的九/4層為高反射層，若*5，則Yng, R 為極小值，這樣的 /4為低反射層。當(dāng)nacos為，/4的偶數(shù)2m時(shí)，二作二1,2,）, 所以cos、i

11、二Jsin=0，這時(shí)該層的特征矩陣為.q ）1 （3-111）這是一個(gè)單位陣，它對(duì)波長(zhǎng)沒有影響，在計(jì)算時(shí)，可以看做是虛設(shè)層，但應(yīng)注意，對(duì)其他波長(zhǎng)而言它就不是虛設(shè)層了。全介質(zhì)/4膜系構(gòu)成高反射膜。它的反射率隨波長(zhǎng)變化情況在計(jì)算中沒有考慮光從空氣中入射到玻璃基片時(shí)的透過率的損失。5、膜厚的監(jiān)控準(zhǔn)確地控制每一層介質(zhì)膜的厚度是制備多層介質(zhì)膜的關(guān)鍵。一般膜層厚度的允許誤差的最好小于2%,偶爾允許到5%本實(shí)驗(yàn)采用極值法進(jìn)行膜厚度監(jiān)控。當(dāng)膜厚的光學(xué)厚度/4的整數(shù)倍時(shí)，薄膜的透射率或反射率出現(xiàn)極值，即薄膜的透射率與反射率隨膜厚呈周期性的變化。選定控制波長(zhǎng)后，將通過監(jiān)控片的光信號(hào)用光電探測(cè)器接收，再用放大器顯示

12、出來。電信號(hào)從每個(gè)極大到極小所對(duì)應(yīng)的膜厚度為，0/4，反之，電信號(hào)從每個(gè)極小到每個(gè)極大所對(duì)經(jīng)的厚度也是，0/4。實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖，其操作原理電子槍蒸發(fā)源加熱使得H （硫化鋅ZnS nh=2.35）L（冰晶石Na3AIF6）的材料分別揮發(fā)到了基片上冷凝附著，光源射出的光通過斬波器后變成波長(zhǎng)在 632.8nm左右的單色光，經(jīng)過基片，與基片表面上的膜發(fā)生干涉作用，透過的光強(qiáng)有所改變， 當(dāng)薄膜厚度在1/4波長(zhǎng)時(shí)有極值出現(xiàn)，表現(xiàn)為光強(qiáng)的大小有極值。在通過反射鏡，放射至單色儀上，單色儀分離掉其他光束（632.8nm之外的）再經(jīng)過光電倍增管，把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電 信號(hào)，并于膜厚控制儀上顯示。當(dāng)出

13、現(xiàn)極值時(shí)，也就是1/4波長(zhǎng)出現(xiàn)的時(shí)刻。此時(shí)換 L和H的鍍膜熱疫游i駐片 單也菽丿曲怦扔已芾畀立卜1址吋丼坤譏圖1實(shí)驗(yàn)儀器示意圖實(shí)驗(yàn)步驟：1、抽真空前的準(zhǔn)備工作用吸塵器吸凈中招內(nèi)的雜質(zhì)與灰塵，在舟1、舟2內(nèi)方硫化鋅，舟3、舟4內(nèi)方冰晶石，用酒精洗干凈玻璃片后放入鐘罩內(nèi)置基片的地方。2、抽真空先用機(jī)械泵將系統(tǒng)和鐘罩內(nèi)抽真空至7Pa后，用已經(jīng)預(yù)熱過的擴(kuò)散泵抽真空。在壓強(qiáng)低于7*后對(duì)舟1、2、3、4進(jìn)行預(yù)熔。3、鍍膜預(yù)熔后開始鍍制11層全介質(zhì)干涉膜。膜系為 HLHLH2LHLHLH在鍍膜的過程中，觀察光 電流的走向，當(dāng)出現(xiàn)極值點(diǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換鍍膜材料。鍍膜完畢，待鍍膜機(jī)冷卻后，方可將 鍍膜片取出。4、

14、測(cè)量用分光光度計(jì)測(cè)量窄帶濾光片的透過率曲線，在曲線上標(biāo)出峰值波長(zhǎng)、半高寬和最大透過率，。（光路示意圖如圖 2）PMT團(tuán)2TU-1221翱卜和可見光分光光度計(jì)的光踣示竜團(tuán)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)結(jié)果分析：1干涉濾光片的鍍制（H為高折射率，L為低折射率）層編號(hào)折射率光電流強(qiáng)度（卩A）層編號(hào)折射率光電流強(qiáng)度（卩A）1H102.2-85.98L35.1-50.42L85.9-92.59H50.4-41.83H92.5-42.210L41.8-7.24L42.2-46.411H70.2-59.65H46.4-20.312L59.6-97.56L20.3-26.813H97.5-94.372H26.8-15.515

15、.5-35.1當(dāng)膜層的光學(xué)厚度為o /4的整數(shù)倍時(shí)，薄膜的透射率出現(xiàn)極值，即薄膜的透射率與反射率隨膜厚度成周期性的變化。從而讓我們可以通過光學(xué)極值法來檢測(cè)膜的厚度，以便于更好的控制膜厚度。2、膜系HLHLHL2HLHLHL的透射率曲線在附頁(yè)上濾光片的一些重要參數(shù)：入 o=689nmTma=90.9%入 / 入=1.57%誤差分析：1）實(shí)驗(yàn)是通過入/4極值法來控制膜的厚度，但由于觀測(cè)和反應(yīng)以及實(shí)驗(yàn)儀器精確度等原因，并不能保證正好在光學(xué)厚度為o/4時(shí)保證停止鍍當(dāng)前鍍膜層。2）在實(shí)驗(yàn)過程中一直蒸發(fā)冰晶石和硫化鋅來鍍膜，必然導(dǎo)致在鍍膜過程中氣體壓強(qiáng)有 所影響，而鍍膜實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是要在外界環(huán)境不變的條件下經(jīng)