光学薄膜完整版报告

闭卷考试 120分钟

考试时间：17周周三下午3:00---5:00（12月30号）

题型：选择题（10*2）填空题（10题24分）判断题（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、判断题

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. 对于吸收介质，只要引入复折射率，进行复数运算，那么就可以完全使用无吸收时的公式（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. 简单周期性多层膜，在其透射带内R<<1（错误）

6. 在斜入射情况下，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. 在包含吸收介质时，光在正反两个入射方向上的透过率是一样的（正确）

8. 发生全反射时，光的能量将不进入第二介质（错误）

9. 斜入射时，银反射膜的偏振效应比铝反射膜大（Al ：0.-i 5.50，Ag ：0.050-i 2.87）（错误，因为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长处的反射率（错误，是指截止带中心处的反射率）

第一章 薄膜光学特性计算基础

1、 干涉原理：同频率光波的复振幅矢量叠加。

2、 产生干涉的条件：频率相同、振动方向一致、位相相同或位相差恒定。

3、 薄膜干涉原理 ：层状物质的平行界面对光的多次反射和折射，导致同频率光波的多光束

干涉叠加。

4、 光学薄膜：薄到可以产生干涉现象的膜层、膜堆或膜系。

5、 麦克斯韦方程组：

(1) -(2) (3)0(4)

D H j t

B E t

D ρB ∂∇⨯=+

∂∂∇⨯=∂∇∙=∇∙= 6、 物质方程：

D E B H j E εμσ=⎧⎪=⎨⎪=⎩

7、 光学导纳：00

r H N Y K E εμμ==⨯

8、 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

111111cos sin sin cos i i δδηηδδ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦

10、 虚设层：当膜层厚度对于中心波长来说是/2λ或其整数倍时，该层存在对于中心波长

处的透过率/反射率无影响，因此称为虚设层。但该层其他波长处的透过率/反射率还是有影响的。

11、 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。

12、 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：

()()00r Y Y ηη=-+，()()2

00R Y Y ηη=-+

13、 等效导纳求解的基本思想：

14、薄膜的位相厚度：11112cos N d πδθλ

=；有效光学厚度：111cos N d θ；光学厚度：11N d ；几何厚度：1d 。

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： ()()()()

()()220000222200111122220011111cos sin cos sin S S S R Y Y B C B C ηηηηηηηηδηδηηηηηδηδη=-+=-+⎛⎫⋅-⋅+-⋅ ⎪⎝⎭=⎛⎫⋅+⋅++⋅ ⎪⎝⎭

18、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；

只有对称结构的多层膜可以等效成一个单层膜。

一、典型膜系

㈠

减反射膜（增透膜）

1、减反射膜的主要功能是什么？

是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。

★2、单层减反射膜的最低反射率公式并计算

★5、单层减反射膜只能对某个波长和它附近的较窄波段内的光波起增透作用。为了在较宽的光谱范围达到更有效的增透效果，常采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。

★6、V形膜、W形膜的膜系结构以及它们的特征曲线。P16—17

V——G︱HL︱A

W——G︱2HL︱A

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

㈡高反射膜

★1、镀制金属反射膜常用的材料有铝（Al）、银（Ag）、金（Au）、铬等。

★2、金属反射膜四点特性。P29

①高反射波段非常宽阔，可以覆盖几乎全部光谱范围，当然，就每一种具体的金属而言，它

都有自己最佳的反射波段。

②各种金属膜层与基底的附着能力有较大差距。如Al、Cr、Ni（镍）与玻璃附着牢固；而Au、

Ag与玻璃附着能力很差。

③金属膜层的化学稳定性较差，易被环境气体腐蚀。

④膜层软，易划伤。

㈢分光膜

1、什么是分光膜？

中性分束镜能够在一定波段内把一束光按比例分成光谱成分相同的两束光，也即它在一定的波长区域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率和反射率之比值——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，制作简单

缺点：吸收大，分光效率低。

使用注意事项：光的入射方向

介质分束镜p30

优点：吸收小，几乎可以忽略，分光效率高。

缺点：光谱范围窄，偏振分离明显，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，是两束振动方向互相垂直的线偏振光。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光的偏振，实现50/50中性分光。

㈣、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骤然变化为高反射的干涉截止滤光片。

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。

㈤、带通滤光片

★1、什么是带通滤光片？P58

在一定的波段内，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”是干法镀膜的基础，是光学镀膜机的基础。

1、热蒸发真空镀膜设备主要由三大部分组成：①②③三个系统 p109～111

真空系统、热蒸发系统、膜层厚度控制系统。

冷阱：挡油器，阻止油蒸气进入真空室。

★2、热蒸发法的基本原理。P111

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表面，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部分？粗真空：＞103Pa；低真空：103～10－1 Pa；

高真空：10－1～10－6 Pa；超高真空：＜10－6Pa

★3、真空度的计量；采用与压强相同的方法和单位。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=1.01325×10 5 Pa，量度单位：帕斯卡（Pa）

1mmHg=133.3Pa; 1Torr(托)=133.3Pa; 1mbar(毫巴)＝0.75 Torr＝100 Pa

用真空计仪器进行真空度的测量？P112

★4、PVD所需真空度基本确定原则。P112

气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离。

★5、旋片式机械泵工作原理。P113

采用旋片式的转子和定子组成，随着转子的旋转，不断地进行吸气、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、油扩散泵的工作原理。P114，p115图3.3.4

★7、罗茨泵的结构、工作原理。P116

★8、低温冷凝泵的工作原理。P116

请归纳下表：

旋片式机械泵采用旋片式的转子和定子组成，随着转子的旋转，不断地进行吸气、压缩和排气的循环过程，使连到机械泵的真空室获得真空。

油扩散泵加热真空油使之蒸发，油蒸汽沿泵芯导向管道向上喷射，遇到伞形喷嘴改变运动方向，向斜下方喷出，油蒸汽俘获由进气口扩散进入泵腔的气体分子，一同运动到泵壁，沿泵壁向下流动，达到油槽时，气体分子遇热蒸发，被与排气口连接的机械泵抽走。

罗茨泵罗茨泵在泵腔内，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，再经排气口排出。在转子之间，转子与泵壳

内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。。。。。

低温冷凝泵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。

★9、PVD使用的高真空系统（图3.3.7）工作原理。P117

9、真空测量：

1.热电偶真空计。

2.热阴极电离真空计。

3.冷阴极电离真空计。

★11、什么是电阻加热法？p120

把薄片状或线状的高熔点金属（经常使用的是钨、钼、钛）做成舟箔或丝状的蒸发源，装上蒸镀材料，或用坩埚装上蒸镀材料，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？p121

e型电子：电子灯丝经高温加热后，产生热电子发射，这些热发射电子经阴极（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）到达坩埚蒸发源材料的表面，使电子束所带有的巨大的动能转化为热能，对材料进行迅速加热，造成局部高温而汽化蒸发。

电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（如氩）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表面。

//★18、热蒸发镀膜与离子镀的绕射特性比较。P131

★19、什么是离子辅助镀？p134

在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器——离子源，产生离子束，在热蒸发进行的同时，用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀结构，使膜层的稳定性提高，达到改善膜层光学和机械性能的目的。

请归纳下表：（镀膜方法不归纳，复习到这儿又是很乱）

电阻加热法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，或用坩埚装上蒸镀材料，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部分，造成局部高温而汽化蒸发。

溅射用高速正离子轰击膜料（靶）表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的动能而从靶表面逸出（溅射），在被镀零件表面凝聚成膜。

辉光放电

溅射辉光放电是在真空度约为10 ～10 Pa的真空中，在两个电极之间加上高电压时产生的放电现象。利用电极间的辉光放电进行溅射。

磁控溅射利用磁场与电子交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。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

溅射

用离子源发射的高能离子束直接轰击靶材，使靶材溅射、沉积到零件表面成膜。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表面，称为离子镀。

离子辅助镀在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器——离子源，产生离子束，在热蒸发进行的同时，用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀结构，使膜层的稳定性提高，达到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（CLD ）

1、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，也叫聚集密度。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结构(晶体结构)。即使用同样的膜层材料，采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结构状态，具有不同的介电常数和折射率。

3）膜层的化学成分。 采用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一定程度的热分解。沉积在基板表面的膜层是蒸发源材料热分解后又在零件表面再次化合反应的化合物膜层、分解物以及未分解材料的混合物，而且分解、化合反应进行的程度也受不同工艺的影响。最后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: 硬度和牢固度

//提高膜层的机械强度需要考虑哪些工艺参数？请简要说明原因。

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，聚集密度增大，牢固度增加，膜层结构得到改善，化学成分变纯但应力增加。

2）沉积速率提高，聚集密度增大，膜层结构得到改善，光散射变小，牢固度增加。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表面的剩余气体分子排除，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。

4、薄膜聚集密度P:p =+薄膜中固体部分的体积（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基本工艺过程。P140

★6、基片清洁的影响。P141

残留在基片表面的污物和清洁剂将导致：

(1)膜层对基片的附着力差；

(2)散射吸收增大抗激光能力差；

(3)透光性能变差。

7、控制折射率的主要工艺途径

控制折射率的主要途径有：

1）真空度。真空度的提高，聚集密度增大，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应，改变膜层的结晶形式和晶格常数，从而改变折射率。

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集密度，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：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、什么是目视法膜厚控制？如何根据反射光的颜色近似判断薄膜的光学厚度？互补判断。p148

利用人眼对薄膜厚度变化时引起光束透过强度的变化，或薄膜的干涉色的变化，来判断膜层的厚度。

根据薄膜干涉色的变化来控制膜厚是因为当单层薄膜的光学厚度为λ/4，薄膜的折射率为基底折射率的平方根时，则对波长为λ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，如果入射光是白光，因反射光缺少某些颜色的光而带有颜色，颜色的变化决定于光学厚度的变化。对于一定的颜色，必定相应地对应一定的厚度，于是就可以根据反射光的颜色近似判断薄膜的光学厚度。

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=π／4时，薄膜的反射和透过就会出现一个极值。根据薄膜的这种特性，能够比较精确地控制薄膜的厚度。当记录器上出现一个极值时，我们就知道，现在薄膜的光学厚度是控制波长的λ/4。

8、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

宽光谱膜厚监控是采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进行比较，以评价函数表示比较结果并将其返回给控制系统，从而及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：p158

1)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)采用行星夹具

2)增设膜层厚度调节板

17、晶控与光控比较：

光控：

①直接控制光学膜层的目标特性参数T 或 R ；

②不同膜层的厚度误差有相互补偿作用；

③对膜层厚度的控制精度较低。

晶控：

①控制精度高（1埃），易实现自动控制；

②可直接监控成膜速率，便于工艺稳定重复和闭环控制；

③可控制任意厚度；

④ 温度对石英晶片的 f 影响大，需要恒温措施(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、基底表面洁净度。

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。其固有频率不仅取决于几何尺寸和切割类型，还与其厚度有关。厚度的改变使得固有频率发生变化。

2）单波长监控； 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，比较值最小时即停止镀膜。

2M M Q M Q M f f d N d ρρρρ∆=∆∆参数、表针了膜层和石英晶体的密度。N 为与石英晶体

有关的常数。f 为石英晶体的基频，为膜层厚度的变化。

★四、常用光学薄膜材料

1、常见的金属薄膜有哪些？p182

铝、银、金和铬。

2、铝膜、银膜、金膜的特性p182

铝是金属膜中唯一从紫外(0.2μm)到红外(30μm)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合适的保护层。

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，可以用铬或者钛作附着力增强层。新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。

铬膜的最大优点是在可见光区的分光特性几乎呈中性，在玻璃上的牢固性极佳，吸收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。铬膜光学特性的长期稳定性好。铬膜的缺点是吸收较大。

3、常见的介质薄膜材料有哪些？p183

氟化物、硫化物（ZnS ）和氧化物（氧化钛Zr02、氧化锆TiO 2和氧化硅Si02）

()()()()()010N i i j i j j j j j i j j f j i τλϕλϕλϕλλϕλλ==-∑参数、表示波长编号和膜层编号。为波长处镀前透过能量，为波长处镀中透过能量。