《薄膜光学与技术》2012期末考试试题A-答案.pdf
2012-20132012-2013 学年第学年第 1 1 学期薄膜光学与技术期末考试试题（学期薄膜光学与技术期末考试试题（A A 卷）卷）参考答案及评分标准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1000nm。2、若薄膜的折射率为 n，光线在薄膜内的折射角为，则 s、p 光的修正导纳分别为ncos、n/cos。3、对于波长为 的光来说,单层膜的光学厚度每增加/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。s5、周期性对称膜系(pqp）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 0/4,基底的折射率为 ns，那么，该单层膜与基底的组合导纳为：Yn12ns7、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。3nm.1二、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。21、膜层的有效位相厚度表示为:nd cos，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。2答：错误。膜层的有效位相厚度表示为:，当光波斜入射时，无论nd cos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04。答：错误.膜系中，低折射率膜层的光学厚度均为04，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2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=/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，n2组合导纳Y（2 分）ng3ng n221Y21.521.3822故R ()()()1.26%（3 分)221Yng n1.521.38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)1ng211.522R ()()4.26%（3 分）1 ng11.52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）22nHn122.15125nHH解:组合导纳为Y (2)10 266.7582（2 分）10nLnGnLnG1.381.461Y2峰值反射率R ()98.51%（2 分）1Y波数宽度g 2arcsin(nH nL)0.14(2 分）nH nL波长宽度 20g/g2 25000.14 140(nm)（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nG1.52,nH 2.3,nL 1.44，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）4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）2nL1.4421.52组合导纳Y 2nG 0.5958（3 分)2nH2.3膜系中可以看出，入射介质为空气,因此反射率为1Y210.5958R ()6.42%（3 分）1Y10.5958所以，膜系的透射率最终为T 1 R 93.58%（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.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4%400nm1500nm30%R211m1(m 2)244511得m917 (m 2)550（2 分)44解得 m=3(1 分）1于是nd 5550nm 687.5nm（1 分）4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，1ng211.52Rb()()4%（1 分）1 ng11.5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nf1Y2（2 分）R ()且Y ng1Yng nf21.5 nf21Y2得R ()()()30%（1 分)221Yng nf1.5 nf222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。6
