光学薄膜全解.docx

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1、光学薄膜技术复习提纲闭卷考试 120 分钟考试时间:17 周周三下午 3:005:00 12 月 30 号 题型：选择题10*2填空题10 题 24 分推断题10 题 简答题4 题 24 分综合题2 题 22 分，计算 1 题，论述 1 题考试内容包含课本与课件，简答和综合题包含作业和例题一、推断题1. 光束斜入射到膜堆时，s偏振光的反射率总是比 p偏振光的反射率高正确2. 对称膜系可以完全等效单层膜错误，仅在通带中有类似特性3. 对于吸取介质，只要引入复折射率，进展复数运算，那么就可以完全使用无吸取时的公式正确4. 膜层的特征矩阵有两种表达方式：导纳矩阵和菲涅尔系数矩阵错误5. 简洁周期性多

2、层膜，在其透射带内 R1 错误6. 在斜入射状况下，带通滤光片 S偏振光的带宽比 p偏振光的带宽为大正确7. 在包含吸取介质时，光在正反两个入射方向上的透过率是一样的正确& 发生全反射时，光的能量将不进入其次介质错误9.斜入射时，银反射膜的偏振效应比铝反射膜大AI： 0.64-/5.50, Ag： 0.050-/2.87错误，由于 银的折射率远小于铝10.高反射介质膜的截止深度是指在截止波特长的反射率错误，是指截止带中心处的反射率第一章薄膜光学特性计算根底1、 干预原理：同频率光波的复振幅矢量叠加。2、 产生干预的条件：频率一样、振动方向全都、位相一样或位相差恒定。3、 薄膜干预原理：层状物质

3、的平行界面对光的屡次反射和折射，导致同频率光波的多光束干预叠加。4、 光学薄膜：薄到可以产生干预现象的膜层、膜堆或膜系。5、 麦克斯韦方程组：6、物质方程:Vx/= / + (1) dt VxE = -y(2) VD = p(3) 3 = 0(4)D = sE B = pH第1页主编：东子7、 光学导纳：y=也瓦KxE8、 菲涅尔系数：菲涅尔系数就是界面上的振幅反射系数和振幅透射系数。9、 特征矩阵：表征薄膜特性的矩阵，仅包含薄膜的特征参数10、cos q sin z?/1 sin q cos 11、 虚设层：当膜层厚度对于中心波长来说是几/2 或其整数倍时，该层存在对于中心波长 处的透过率/

4、反射率无影响，因此称为虚设层。但该层其他波特长的透过率/反射率还是 有影响的。12、 等效界面：入射介质与薄膜和基底组合形成的等效介质之间的界面。13、 等效界面的反射系数和反射率等于其所等效膜堆的反射系数和反射率：厂= %-Y/o + Y，尺=|。-/。+ 丫14、薄膜的位相厚度:有效光学厚度:N 心 sq；光学厚度:N 止;几14、 等效导纳求解的根本思想:何厚度：心。15、 单层介质膜层反射率的双重周期性：光学厚度和光波频率。16、 膜系的透射率T 与光的传播方向无关.17、 由等效导纳计算的单层薄膜的反射率：R=|。- 丫/。+丫卜 |加-C/ B+cI 7r sill2 (o+“jc

5、os2q +nS2+小sill g 2I “118、膜系等效定理任意一个多层介质膜系都可以等效成双层膜； 只有对称构造的多层膜可以等效成一个单层膜。一、典型膜系 减反射膜增透膜1、减反射膜的主要功能是什么？是削减或消退透镜、棱镜、平面镜等光学外表的反射光，从而增加这些元件的透光量, 削减或消退系统的杂散光。R=2、单层减反射膜的最低反射率公式并计算r llo_n2/n 丫第2页主编：东子3、把握常见的多层膜系表达，例如G | H L | A 代表什么？ G | 2 H L | A?5、单层减反射膜只能对基个逆长理它阻近鲤连波段内的光波起增透作用。为了在较宽的 光谱范围到达更有效的增透效果，常承

6、受双层、三层英至更多层数的减反射膜。6、V 形膜、W 形膜的膜系构造以及它们的特征曲线。P16-17 VG I HL | AWTG | 2HL | A丫/型膜/!膜/11705(X ”00)00445E5C6 )0 650700432oWavelength nm 4、减反膜几个重要的技术指标 使用的波段”使用的角度或者角度范围 ”剩余反射率要求”使用环境 ”在激光领域还有激光阈值要求 高反射膜 1、镀制金属反射膜常用的材料有铝A1、银Ag、金Au、銘等。2、金属反射膜四点特性。P29 高反射波段格外宽阔，可以掩盖几乎全部光谱范围，固然，就每一种具体的金属而言，它都有自己最正确的反射波段。 各种

7、金属膜层与基底的附着力气有较大差距。如Al、Cr. Ni 線与玻璃附着结实；而Au、Ag 与玻璃附着力气很差。 金属膜层的化学稳定性较差，易被环境气体腐蚀。 膜层软，易划伤。分光膜1、什么是分光膜？中性分束镜能够在确定波段内把一束光按比例分成光谱成分一样的两束光，也即它在确定的 第 3 页主编：东子波长区域内，如可见区内，对各波长具有一样的透射率和反射率之比值一一透反比。因而反 射光和透射光不带有颜色，呈色中性。2、归纳金属、介质分束镜的优缺点： 金属分束镜p32优点：中性好，光谱范围宽，偏振效应小，制作简洁缺点：吸取大，分光效率低。使用留意事项：光的入射方向介质分束镜P30优点：吸取小，几乎

8、可以无视，分光效率高。 缺点：光谱范围窄，偏振分别明显，色散明显。4、 偏振中性分光膜只适应于自然光和圆偏振光的中性分束；5、 偏振中性分光膜分出的两束光，光强相等，但偏振状态不同，是两束振动方向相互垂直的 线偏振光。因此，也将其称为偏振分光束膜。5、偏振中性分束棱镜是利用斜入射时间的偏振，实现 50/50 中性分光。、截止滤光片 1、什么是截止滤光片？什么是长波通、短波通滤光片？ p33截止滤光片是指要求某一波长范围的光束高效透射，而偏离这一波长的光束突然变化为高反 射的干预截止滤光片。抑制短波区、透射长波区的截止滤光片称为长波通滤光片。抑制长波区、透射短波区的截止滤光片称为短波通滤光片。、

9、带通滤光片 1、什么是带通滤光片？ P58在确定的波段内，只有中间一小段是高透射率的通带，而在通带的两侧是高反射率的截 止带。二、薄膜制造技术1、“真空”是干法镀膜的根底，是光学镀膜机的根底。主编：东子第4页1、热蒸发真空镀膜设备主要由三大局部组成：三个系统真空系统、热蒸发系统、膜层厚度把握系统。冷阱：挡油器，阻挡油蒸气进入真空室。2、热蒸发法的根本原理。Pillpl09111把被蒸发材料加热到蒸发温度，使之蒸发淀积到放置在工件架上的零件外表，形成所需要的 膜层。4、真空系统组成；真空系统:真空室、抽真空设备、真空检测设备真空;压强低于一个大气压的任何气态空间真空度；表征真空的物理量。实际上是

10、用气体压强来表示的。压强越小，真空度越高真空区可分成哪几个局部？粗真空：103Pa；低真空：10310-1 Pa； 高真空：10110-6 Pa；超高真空：10-6Pa3、真空度的计量；釆用与压强一样的方法和单位。低压强对应高真空度，高压强对应低真 空度。单位；pa, 1 标准大气压=760mmHg=l. 01325X10 5 Pa,量度单位：帕斯卡Pa lmmHg=133. 3Pa; lTorr托二 133. 3Pa; lmbar毫巴=0.75 Torr =100 Pa用真空计仪器进展真空度的测量？ P1124、PVD 所需真空度根本确定原则。P112气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之

11、间的距离。5、旋片式机械泵工作原理。P113承受旋片式的转子和定子组成，随着转子的旋转，不断地进展吸气、压缩和排气的循环 过程， 使连到机械泵的真空室获得真空。6、油集中泵的工作原理。P114, pll5 图 3. 3. 47、罗茨泵的构造、工作原理。P116旋片式机械泵油集中泵罗茨泵低温冷凝泵承受旋片式的转子和定子组成，随着转子的旋转，不断地进展吸气、压缩和排气的循环 过程，使连到机械泵的真空室获得真空。加热真空油使之蒸发，油蒸汽沿泵芯导向管道向上喷射，遇到伞形喷嘴转变运动方向， 向斜下方喷出，油蒸汽俘获由进气口集中进入泵腔的气体分子，一同运动到泵壁，沿泵 壁向下流淌，到达油槽时，气体分子遇

12、热蒸发，被与排气 II 连接的机械泵抽走。罗茨泵在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比 为 1 的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。由于转子的不断旋转，被抽气体从进 气口吸入到转子与泵壳之间的空间内，再经排气【1 排出。在转子之间，转子与泵壳 内壁之间，保持有确定的间隙，可以实现高转速运行。 低温冷凝泵是一种利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的真空泵。是无油高真空环境获 得的设备。8、低温冷凝泵的工作原理。P116 请归纳下表：9、PVD 使用的高真空系统图 3.3.7工作原理。P117电离真空规9、真空测量：1. 热电偶真空计。2. 热阴极电离真空计。3. 冷

13、阴极电离真空计。 11、什么是电阻加热法？ P120把薄片状或线状的高熔点金属常常使用的是钩、钳、钛做成舟箔或丝状的蒸发源，装上 蒸镀材料，或用堆堀装上蒸镀材料，让电流通过蒸发源加热蒸镀材料使其蒸发，这就是电阻 加热法。电阻加热法不能蒸发高熔点材料。 12、什么是电子束加热法？ e 型电子枪？ P121e 型电子枪：电子枪灯丝经高温加热后，产生热电子放射，这些热放射电子经阴极灯丝 和阳极之间的高压电场加速，并聚焦成束，在线圈磁场的作用下，电子束产生270角的偏 转电子束轨迹成e 型到达堆竭蒸发源材料的外表，使电子束所带有的巨大的动能转化为 热能，对材料进展快速加热， 造成局部高温而汽化蒸发。电

14、子束加热法可蒸发高熔点材料。 13、什么是溅射？ P123 14、什么是辉光放电溅射？ P123 15、什么是磁控溅射？ P126 16、什么是离子束溅射？ P128 17、什么是离子镀？ P130膜料加热蒸发，将基片作为阴极，蒸发源作阳极，充入惰性气体如氮以产生辉光放 电。从蒸发源蒸发的分子或原子发生电离，在强电场加速下轰击并沉积在零件外表。 /18、热蒸发镀膜与离子镀的绕射特性比较。P131 19、什么是离子关心镀？ P134在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器一一离子源，产生离子束，在热蒸发进展的同时， 用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀构造，使膜层的稳定性提高，到达改善膜层光 学和机

15、械性能的目的。请归纳下表：镀膜方法不归纳，复习到这儿又是很乱电阻 加热 把薄片状或线状的高熔点金属做成舟箔或丝状的蒸发源，装上蒸镀材料，或用圮 坍装上法蒸镀材料，让电流通过蒸发源加热蒸镀材料使其蒸发。电子束 加热法将电子束集中轰击薄膜材料的一局部，造成局部高温而汽化蒸发。溅射用高速正离子轰击膜料靶外表，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的 动能而从靶外表逸出溅射，在被镀零件外表分散成膜。辉光放电 辉光放电是在真空度约为 1010 Pa 的真空中，在两个电极之间加上高电压时 产生的放电溅射现象。利用电极间的辉光放电进展溅射。磁控溅射利用磁场与电子交互作用，使电子在靶外表四周成螺旋状运行，从而增

16、大电子撞 击氨气产生离子的概率。所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。离子束 溅 用离子源放射的高能离子束直接轰击靶材，使靶材溅射、沉积到零件外表成膜。射离子镀蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体外表，称为离子镀。在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器一一离子源，产生离子束，在热蒸发进展的 同时，离子 关心镀用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀构造，使膜层的稳定性提高， 到达改善膜层光学和机械性能的目的。18、什么是等离子体等离子状态使指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引，使物质呈为正负带电粒子状 态存在。19 溅射与热蒸发镀膜技术比较与热蒸发镀膜技术比较：优点为：膜层

17、在基片上的附着力强， 膜层纯度高，膜厚可控性和重复性好，可同时溅射多种不同成分的合金膜或化合物； 缺点为：需制备专用镀料，靶利用率低。离子镀兼有热蒸发的高成膜速率和溅射高能离子轰击的致密膜层的双优效果三、光学薄膜制造工艺获得光学薄膜两种工艺PPT-3获得光学薄膜两种工艺：物理气相沉积PVD、化学气相沉积CVD和化学液相沉积CLD1、 光学薄膜的光学常数：折射率和厚度。2、 膜层折射率误差来源1） 膜层的填充密度，也叫聚拢密度。它是膜层的实材体积和膜层的几何轮廓之比。2） 膜层的微观组织物理构造晶体构造。即使用同样的膜层材料，釆用不同的物理气态沉积 技术PVD,得到的膜层具有不同的晶体构造状态，

18、具有不同的介电常数和折射率。3） 膜层的化学成分。釆用PVD 的热蒸发技术制造光学薄膜几乎每一种化合物的膜层材料蒸 发时都会有确定程度的热分解。沉积在基板外表的膜层是蒸发源材料热分解后又在零件外表 再次化合反响的化合物膜层、分解物以及未分解材料的混合物，而且分解、化合反响进展的 程度也受不同工艺的影响。最终所得到的是混合物的平均折射率。3、 光学镀膜器件的机械性能：硬度和结实度提高膜层的机械强度需要考虑哪些工艺参数？请简要说明缘由。提高膜层的机械强度需要考虑的工艺参数为：1） 真空度的提高，聚拢密度增大，结实度增加，膜层构造得到改善，化学成分变纯但应力增 加。2） 沉积速率提高，聚拢密度增大，

19、膜层构造得到改善，光散射变小，结实度增加。提高沉积速率的途径为增加蒸发源的面积和提高蒸发源的温度。3） 基片温度的提高，有利于将吸附在基片外表的剩余气体分子排解，增加基片和沉积分子之 间的结合力；同时会促使物理吸附向化学吸附转化，使膜层更加致密。但温度过高会使膜层 变质。主编：东子第 s页4、薄膜聚拢密度P: p =薄膜中固体局部的体积柱体的体积 薄膜的总体积柱体+空隙1、真空镀制光学薄膜的根本工艺过程。P140清洁零件一清洁真空室/装零件一抽真空和零件加温膜厚仪调整离子束轰击膜料预熔镀膜一镀后处理一检测5、影响薄膜聚拢密度的因素:基片温度；沉积速率；真空度；沉积入射角；离子轰击。6、基片清洁

20、的影响。P141残留在基片外表的污物和清洁剂将导致：(1) 膜层对基片的附着力差；(2) 散射吸取增大抗激光力气差；(3) 透光性能变差。7、 把握折射率的主要工艺途径把握折射率的主要途径有：1) 真空度。真空度的提高，聚拢密度增大，折射率会相应提高。2) 基片温度。提高基片温度可以促进沉积的膜料分子与剩余气体分子的化学反响，转变膜层 的结晶形式和晶格常数，从而转变折射率。3) 膜料蒸气分子到基片的入射角。影响膜层的生长特性和聚拢密度，所以影响膜层的折射率。 小的入射角有利于提高折射率。4) 沉积速率。提高蒸发速率，使膜层颗粒细而致密，折射率也会提高。8、 提高沉积速率的方法提高沉积速率的方法

21、：提高蒸发源的温度和增大蒸发源的面积。9、 淀积技术有哪两种？试比较其特点。6、什么是目视法膜厚把握？如何依据反射光的颜色近似推断薄膜的光学厚度？互补推断。 pl48利用人眼对薄膜厚度变化时引起光束透过强度的变化，或薄膜的干预色的变化，来推断膜层 的厚度。依据薄膜干预色的变化来把握膜厚是由于当单层薄膜的光学厚度为X /4,薄膜的折射率 为基底折射率的平方根时，则对波长为入的光而言，产生零反射。而对其他波长的光仍有不 同程度的反射。这样， 假设入射光是白光，因反射光缺少某些颜色的光而带有颜色，颜色的 变化打算于光学厚度的变化。对于确定的颜色，必定相应地对应确定的厚度，于是就可以根 据反射光的颜色

22、近似推断薄膜的光学厚度。7、 什么是极值法？对垂直入射的光，当介质薄膜的光学厚度nd=i / 4 时，薄膜的反射和透过就会消灭一个极值。 依据薄膜的这种特性，能够比较准确地把握薄膜的厚度。当记录器上消灭一个极值时，我们 就知道，现在薄膜的光学厚度是把握波长的X/4o8、 什么是石英晶振法？ P152当晶片上镀了某种膜层，使晶片的厚度增大，则晶片的固有频率会相应的变化。石英晶体膜 厚监控仪是通过测量频率或与频率有关的参量的变化而监控淀积薄膜的厚度。9、 什么是宽光谱膜厚监控？ P154主编：东子第9页宽光谱膜厚监控是釆用宽光谱快速扫描光度计与计算机联合监控膜厚。利用实测的光谱曲线 与理论光谱曲线

23、进展比较，以评价函数表示比较结果并将其返回给把握系统，从而准时修正 所镀曲线的误差。10、 可以获得均匀膜层厚度的蒸发源与零件位置：P1581） 点状蒸发源置于被镀件所在球面的球心；2） 面状蒸发源位于被镀件所在的同一球面上。 11、改善膜层厚度均匀性的措施：P158 1 釆用行星夹具2 增设膜层厚度调整板17、 晶控与光控比较： 光控： 直接把握光学膜层的目标特性参数T 或 R； 不同膜层的厚度误差有相互补偿作用； 对膜层厚度的把握精度较低。晶控： 把握精度高1 埃，易实现自动把握； 可直接监控成膜速率，便于工艺稳定重复和闭环把握； 可把握任意厚度； 温度对石英晶片的f 影响大，需要恒温措施

24、增加水冷却装置。18、 真空热蒸发技术中影响膜层性能的主要工艺因素有： 真空度、蒸发速度、烘烤温度、基底外表干净度。15、任意厚度的薄膜厚度监控技术1） 石英晶体监控；石英晶体具有压电效应。其固有频率不仅爭决于几何尺寸和切割类型，还与其厚度 有关。主编：东子第10页厚度的转变使得固有频率发生变化严而皿2） 单波长监控. 体参数 2 八&表针了膜层和石英晶体的密度。N 为与石英晶 E1 工；有关的常数。f 为石英晶体的基频，为膜层厚度的变化。其实质是光电极值法。数值计算出膜层厚度与不同波长的反射率关系得到某一厚度 对应的极值波长。3） 宽光谱扫谱在很宽的波长范围内监视薄膜特性。直观、精度高。其方

25、法是在镀膜前将所计算出 的宽光谱范围法的透过率特性与镀膜时的实测数值比较，不断修正，比较值最小时即停顿镀 膜。Z = Z2TtA, 一 e 3/0。A |j.k参数/、/表示波长编号和膜层编号。0。兑丿为波长处镀前透过能量， 0 勺为波长勺处镀中透过能量。四、常用光学薄膜材料1、 常见的金属薄膜有哪些？ P182铝、银、金和锯。2、 铝膜、银膜、金膜的特性P182铝是金属膜中唯一从紫外0. 2 U m到红外30 U m均具有较高反射率的材料。铝膜对玻璃 衬底的附着力较好，机械强度和化学稳定性相对较好，可以满足在多种场合下用做外反射膜。银膜的优点在可见与红外波段均具有最高的反射率，用做分光薄膜有

26、良好的中性和很小 的偏振差异。缺点是紫外区域反射率低，与玻璃的附着较差，机械强度和化学稳定性不佳，易于氧化或者硫化。常用做胶合零件和内反射零件，用做外反薄膜需要选择适宜的保护层。金膜只有在波长大于 800nm 的红外区域才表现出高反射特性，薄膜自身拥有良好的化学 稳定性， 所以常用做红外系统中的外反射镜，不需特别的保护层。金膜与玻璃的附着力不高, 可以用锯或者钛作附着力增加层。蒸发的金膜往往较软，经过一周的放置以后硬度会有所 增加。锯膜的最大优点是在可见光区的分光特性几乎呈中性，在玻璃上的结实性极佳，吸取特 性受沉积条件的影响较小，提高沉积温度有助于提高其反射率。銘膜光学特性的长期稳定性 好。锯膜的缺点是吸取较大。3、 常见的介质薄膜材料有哪些？ pl83氟化物、硫化物ZnS和氧化物氧化钛Zr0 氧化皓TiO：和氧化硅Si0 22第11 页主编：东子