干涉濾光片的渡制(共7頁(yè))

1、光學(xué)(gungxu)多道與氫氘光譜摘要(zhiyo) 本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用真空鍍膜機(jī)和雙光束紫外和可見(jiàn)光分光光度計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，采用熱蒸發(fā)的方法在玻璃基片上制作多層介質(zhì)的干涉濾光片，以及(yj)采用極值法進(jìn)行膜厚監(jiān)控，鍍制了一塊多層介質(zhì)膜法布里珀羅型干涉濾光片；測(cè)量了其參數(shù)如濾光片的峰值波長(zhǎng)峰值透過(guò)率和半高寬以及濾光片的透射特性曲線。實(shí)驗(yàn)鍍制的濾光片的峰值波長(zhǎng)為690.22nm，峰值透過(guò)率為87.8%，相對(duì)半寬度為6.3%，濾光片的透射特性曲線如附頁(yè)所示。關(guān)鍵詞 干涉濾光片 透射率 有效導(dǎo)納 真空鍍膜機(jī) 分光光度計(jì)一、引言自然界中有許許多多美麗的觀賞效果都是與透明膜層的反射光波的折射有關(guān)。從發(fā)現(xiàn)薄膜的干涉

2、色彩現(xiàn)象起，特別是1930年真空蒸發(fā)設(shè)備出現(xiàn)以后，人們對(duì)薄膜科學(xué)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，現(xiàn)在可用各種各樣的方式將具有不同折射率的多次介質(zhì)薄膜沉積在玻璃基片或金屬基片上，以達(dá)到控制光的目的，如減光膜、反射鏡和光學(xué)濾光片等。光學(xué)薄膜在日常生活、供應(yīng)和科學(xué)技術(shù)等許多領(lǐng)域用著重要的應(yīng)用。 在光學(xué)薄膜技術(shù)中，多層多周期的光學(xué)薄膜最為突出，而再帶干涉濾光片則是這一技術(shù)中最主要的應(yīng)用之一，它是將寬帶光譜變?yōu)檎瓗Ч庾V的光學(xué)元件。一種典型的干涉濾光片是在玻璃基片上鍍制“銀介質(zhì)銀”三層膜，前后兩次銀膜構(gòu)成兩個(gè)相互平行的高反射率板。銀層反射率的主要作用是決定了法布里珀羅型干涉腔的精細(xì)常數(shù)。因銀層具有很強(qiáng)的吸收，用銀作

3、反射層的“金屬介質(zhì)”干涉濾光片的透射率很難高于40%。而用多層透明介質(zhì)膜構(gòu)成的高反射率膜板代替銀層構(gòu)成的干涉濾光片能彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，可使峰值透過(guò)率高達(dá)80%以上，這就是全介質(zhì)型干涉濾光片。光學(xué)濾光片在與光學(xué)應(yīng)用技術(shù)有關(guān)的各個(gè)學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域中起著重要的作用。隨著真空鍍膜技術(shù)的發(fā)展，法布里珀羅型的干涉濾光片得到了真正的巨大發(fā)展，使得我們可能在任何一個(gè)光譜區(qū)內(nèi)獲得窄帶的、具有良好透射比的優(yōu)異光學(xué)質(zhì)量的濾光片。它在光學(xué)、光譜線、光通信、激光以及天文物理學(xué)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 本實(shí)驗(yàn)采用熱蒸發(fā)的方法在玻璃基片上制作多層介質(zhì)的干涉濾光片，及采用極值法進(jìn)行膜厚監(jiān)控，并對(duì)濾光片的主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)

4、，掌握干涉濾光片的原理，并熟悉真空系統(tǒng)(xtng)的操作和濾光片的鍍制過(guò)程。 二、原理(yunl)2.1真空(zhnkng)鍍膜對(duì)真空的要求 真空室內(nèi)的剩余氣體越少，固體物質(zhì)蒸發(fā)的分子與氣體碰撞的幾率就越小。真空室內(nèi)氣體分子的平均自由程應(yīng)該大于蒸發(fā)物與被鍍基片的距離，只有這樣固體分子才能無(wú)阻擋的直線到達(dá)被鍍基片的表面。 在室溫下，空氣分子的平均自由程大約為 111m。有理論指出，在達(dá)到平均自由程的 1%時(shí)，有99%的分子可以不經(jīng)過(guò)碰撞到達(dá)基片。蒸發(fā)時(shí)一般選擇的平均自由程為蒸發(fā)物與被鍍基片距離的 23 倍。在實(shí)驗(yàn)室中，蒸發(fā)物與被鍍基片的距離在 20cm 左右，相應(yīng)的氣體壓強(qiáng)為 1 QUOTE 1

5、 QUOTE Pa，但在真空前真空度往往要高一些。 2.2反射膜 2.2.1光在單一分界面上的反射光線垂直入射到透明介質(zhì)表面時(shí)，反射系數(shù) r 和反射率R 分別為 QUOTE 其中 QUOTE 和 QUOTE 分別為兩種介質(zhì)的折射率。對(duì)于一般情況而言，光線以一定的角度入射到分界面上，這時(shí)就要對(duì)兩種偏振分量計(jì)算反射率和透過(guò)率。 定義光學(xué)導(dǎo)納 QUOTE 其中(qzhng)，k為與界面垂直方向上的單位失，H和E分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量和典藏強(qiáng)度矢量，角標(biāo)“”指平行于界面(jimin)的方向， QUOTE 的大小(dxio)既與介質(zhì)的折射率n有關(guān)，也與入射角和折射角有關(guān)。 通過(guò)菲涅耳公式，折射定律以及絕緣介

6、質(zhì)界面上電磁場(chǎng)的邊值關(guān)系的推導(dǎo)可知：（1）（2）兩式對(duì)于 p 波和s 波都適用，故不再區(qū)分光線是垂直入射還是斜入射。 由于不論是 p 分量還是s 分量，在忽略吸收的條件下都有2.2.2單層膜的反射率 考慮在基片上鍍單層平行平面的情況，對(duì)這種情況計(jì)算其反射率發(fā)現(xiàn)，可把它看做單一界面的情況，可引入單層膜系統(tǒng)的有效導(dǎo)納Y，單層膜系各光學(xué)參數(shù)間的關(guān)系可用矩陣表示為等式右方 QUOTE 舉著為膜層 QUOTE 的特征矩陣，其中稱為 QUOTE 膜層的相位因子，單層膜的反射率為2.2.3 多層膜的反射率對(duì)于多層介質(zhì)膜系，也可以把膜層 QUOTE ， QUOTE ， QUOTE 和基底 QUOTE 等效成有

7、效導(dǎo)納為Y的單一界面，此時(shí) QUOTE 仍成立，而 QUOTE 應(yīng)為其中(qzhng) QUOTE 為第i層膜的特征矩陣，即整個(gè)膜系的所有(suyu)光學(xué)參數(shù)及其對(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(xingwi)因子 QUOTE 中， QUOTE 稱為第i層膜的光學(xué)厚度，當(dāng)它是 QUOTE 的整數(shù)倍時(shí)，膜層為 QUOTE 膜層。若每層膜的光學(xué)厚度都是 QUOTE 的整數(shù)倍，則整個(gè)膜系稱為 QUOTE 字母的排列“GHLH”表示膜系的情況，其中，H、L分別表示光學(xué)厚度為 QUOTE 的高、低折射率膜層，G為基片，對(duì) QUOTE 膜系， QUOTE .2.3窄帶全介質(zhì)干涉濾光片2

8、.3.1膜系結(jié)構(gòu)窄帶全介質(zhì)干涉濾光片的典型膜系為G QUOTE ) QUOTE ).其中，j為HL的重復(fù)周期。這種法布里珀羅型膜系對(duì)控制波長(zhǎng) QUOTE 有極大透過(guò)率值，而對(duì)于其他波長(zhǎng)則均低于此值。對(duì)于控制波長(zhǎng) QUOTE ，所以得到干涉極大，由于可知，對(duì)于波長(zhǎng) QUOTE 的光波，間隔層光學(xué)厚度為其半波長(zhǎng) QUOTE 的 QUOTE 倍，因此也是干涉極大。2.3.2干涉濾光片的帶寬一般定義通帶半寬度若間隔層對(duì)控制波長(zhǎng)干涉幾次m增大，即對(duì) QUOTE ，有 QUOTE ，則可見(jiàn)，對(duì)給定的峰值(fn zh)波長(zhǎng) QUOTE ，R越大， QUOTE 越小；干涉級(jí)次m越大， QUOTE 。實(shí)際鍍制時(shí)

9、并不能過(guò)多增加干涉級(jí)次來(lái)獲得窄帶寬，因?yàn)閙越大，不希望有的次峰就更難消除。當(dāng)間隔層厚度超過(guò)第四級(jí)次是，就開(kāi)始(kish)顯得粗糙，使得更高級(jí)次完全失去其實(shí)用價(jià)值。2.4膜厚的監(jiān)控(jin kn) 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。本實(shí)驗(yàn)采用光學(xué)極值法對(duì)膜的厚度進(jìn)行控制。當(dāng)膜層的光學(xué)厚度為 QUOTE 的整數(shù)倍時(shí)，薄膜的透過(guò)率或反射率出現(xiàn)極值，即膜的透射率與反射率隨膜的厚度的增加而呈周期性變化。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)出現(xiàn)極值的特點(diǎn)來(lái)達(dá)到對(duì)膜厚的監(jiān)控，即電信號(hào)從每個(gè)極小值到極大所對(duì)應(yīng)的膜厚變化為 QUOTE ，反之，電信號(hào)從每個(gè)極大值到極小所對(duì)應(yīng)的膜厚變化也為 QUOTE 。這種方法僅適用于 QU

10、OTE /4 膜系。三、實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)的對(duì)干涉濾光片鍍膜的裝置為國(guó)產(chǎn)DM-450型真空鍍膜機(jī)，如圖1所示，鍍膜時(shí)以H層、L層交替加熱進(jìn)行蒸發(fā)；測(cè)量干涉濾光片的透射特性曲線的裝置為TU-1221雙光束紫外和可見(jiàn)光分光光度計(jì)上進(jìn)行，直接測(cè)量T- QUOTE 曲線，并從曲線上求出介質(zhì)干涉濾光片的三個(gè)主要參數(shù) QUOTE 。光度計(jì)的光路系統(tǒng)圖如圖2所示。圖1 真空鍍膜機(jī) 圖2 紫外和可見(jiàn)光分光(fn un)光度計(jì)3.2濾光片的鍍制 先用吸塵器對(duì)鍍膜機(jī)進(jìn)行清潔處理；用干凈的布片和有機(jī)溶劑對(duì)基片進(jìn)行清潔；按照鍍膜機(jī)操作規(guī)程對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到(d do)要求后，按照（HL）32H（L

11、H）膜系的順序(shnx)采用 QUOTE /4極值法控制膜厚進(jìn)行鍍膜。3.3光學(xué)薄膜的測(cè)量按照真空鍍膜機(jī)的操作取出干涉濾光片之后，利用TU-1221用雙光束紫外和可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量濾光片的透射特性曲線以及濾光片的峰值波長(zhǎng) QUOTE 峰值透過(guò)率 QUOTE 和半高寬 QUOTE 。四、數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4.1濾光片的鍍制濾光片的鍍制過(guò)程中，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。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加熱電流和透射率變化如表1所示。膜層加熱電流（A）T(R)% (初始值92.0)H14668.0L13289.1H14442.7L13058.8H14515.7L13025H1454.7H143

12、20.8L13513.7H15029.7表1 鍍膜過(guò)程(guchng)中的加熱電流和透射率變化4.2光學(xué)薄膜的測(cè)量(cling)干涉(gnsh)濾光片的透射特性曲線如附頁(yè)打印圖所示， 峰值波長(zhǎng)為690.22nm，峰值透過(guò)率為87.8%，相對(duì)半寬度為6.3%。誤差分析：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與與理論結(jié)果相差較大，原因有實(shí)驗(yàn)要求鍍的膜為（HL）32H（LH）3，而我們鍍的是（HL）32H（LH），減少鍍膜層數(shù)會(huì)對(duì)折射率、峰值波長(zhǎng)等性質(zhì)造成影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于溫度過(guò)高靶材發(fā)生了炸裂，導(dǎo)致了鍍膜不均勻，從而產(chǎn)生誤差。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論 實(shí)驗(yàn)鍍制的濾光片的峰值波長(zhǎng)為690.22nm，峰值透過(guò)率為87.8%，相對(duì)半寬度為6.3%，濾光片的透射特性曲線如附頁(yè)所示。六、參考文獻(xiàn)熊俊.近代物理實(shí)驗(yàn).北京.北京師范大學(xué)出版社