薄膜技术重点

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1、 1 / 6 薄 膜 技 术 复 习 绪论绪论 薄膜是一种新的凝聚态。 固体薄膜：薄膜单体和附着在某种基体上的另一种材料 的固体薄膜。 通常，厚度大于 1m 的膜，称为厚膜，而厚度小于 1m 的膜，称为薄膜。 薄膜光学研究的对象是光横穿过薄膜进行传播时膜层 产生对光的反射、透射、吸收以及相位特性、偏振效应 等。 薄膜光学的物理依据就是光的干涉。 第一章第一章 课后题课后题： 6 P12 12ttE：通过不同介质时，电矢量的切向分量连续。 12nnDD：静电场时，不带电分界面两侧电位移矢量的法向分量连续。 12nnBB：在静磁场界面两侧，磁感应矢量的法向分量总是连续。 12ttHH： 在静磁场中

2、， 两种介质的分界面上无传导面电流时，磁场强度的切向分量连续。 （注）在应用上述边界条件时，我们应着重注意下述两 点：电磁矢量都是指界面两侧的总场强，例如当介质 1 中同时存在入射光波和反射光波时，1E是指入射光波和反射光波各自的E的矢量和。其余各量都如此。电 磁场矢量都是时间、空间的函数，所以上述边界条件对 任意时刻都成立，对界面上任意位置亦都成立。 7 P8 不带电的无限均匀介质=0，则有 0 0tt D B BEDH根据物质方程tt HEDEBHEH对上式两边取旋度 22=() ()()=() ()()tttttt EE HEHH EH左边，右边左边，右边2 2 22 2 2ttEEHH

3、8 P10 由麦克斯韦方程组，有 +tttt BHEDEHjE又iit iit EEHE HEHH()引入2 00()Ni ，则上式可写成 22Nic i HEEH 又2exp2exp2()2()NitNitNiNi 000000EES rHHS rESEHSH上式与式比较得 2 / 6 000000()()1=,rrNN cNN ccc 000SHEESESEH（2）光波段1r，以自由空间导纳000Y为单位，则有光学导纳方程()NN 00SHESEH9 P13 由导纳方程111000000()(1)()(2)() (3)NNN 000HSEHSEHSE应用边界条件100100(4)(5)EE

4、EHHH将(1) (2) (3)式带入(5)式，得 + 11000()()NN000SESESE 即+ 11000()NNEEE 再将(4)式代入，得100000()()NNEEEE，则 菲涅耳反射系数001001NNrNNE E将(4)式代入上式，消去0E得 菲涅耳透射系数100012NtNNE E其他知识点：其他知识点： 1. 两束光产生干涉的条件：频率相同、振动方向一致、位 相相同或位相差恒定。 2. 薄膜和厚膜的本质区别：计算薄膜的光学性质用振幅的 矢量和；计算厚膜的光学性质用强度的数量和。 3. 光学薄膜干涉的一个重要特点是： 薄膜的透射率 T 或反 射率 R， 不是空间位置坐标的函

5、数， 它只是波长的函数。 4. 有关薄膜的基本假定：薄膜在光学上是各向同性介质； 两个邻接的介质用一个数学界面分开；折射率在空 间坐标上是连续的；横向大小假定为无限大，厚度是 光的波长数量级。 第二章第二章 课后题：课后题： 2 P25 光学厚度相差为2整数倍的同一材料有相同的反射率；当薄膜的有效光学厚度为4整数倍时，在参考波长处会出现一系列的极值；反射率既随膜层厚度变化 而周期性变化，也在膜层厚度一定时，对不同波长出现 周期性变化，反射率的周期性具有双重性。 6 P26 薄膜有效光学厚度 薄膜折射率 n1与 基片折射率 n2关系 反射率极值 为0 4的奇数倍 12nn 极大值 12nn 极小

6、值 为0 4的偶数倍 12nn 极小值 12nn 极大值 8 组合导纳22 13 2 2gN NYN N 反射率*0000()()NYNYRNYNY（m 层膜222 13 22 2422 13g 222 24mgmN NNYmN NNN NNYmN NN， 为奇数， 为偶数） 其他知识点：其他知识点： 1. 薄膜的特征矩阵 111111coscossinsinii M 其中11 112cosnd 1111211coscossin1siniBCi 组合导纳CYB 振幅反射系数00()YrY 反射率*200()YRrrY 3 / 6 第三章第三章 课后题：课后题： 1 P47 使膜系相继各层的厚度

7、参差不齐，形成规则递增或递减；在一个0 4多层膜上，叠加另一个中心波长不同的多层膜；用自动设计程序优化那些稍微偏离要求特 性的现成设计。 2 P61 透射带中的波纹是由于等效层的等效折射率与入射媒 质及基片匹配不好所造成的。 选取一个对称组合，使其通带内的等效折射率与基片 折射率相接近；改变基本周期内的膜层厚度，使其等 效折射率变到更接近预期值；在对称多层膜系的每一 侧加镀匹配层，使它同基片以及入射介质匹配。 3 P55 主要参数：截止区的波长范围10() 和透射区的波长范围02()；截止区的平均透射系数 T1；截止区中所允许的最大透射系数 T2； 透射区的平均透射率 T3；透射区中所允许的最

8、小透射率 T4；介质滤光片 陡度 S。 类型：吸收型、薄膜干涉型、吸收与干涉组合型。 4 P37 因为铝膜是从紫外区到红外区都具有很高反射率的唯 一材料，同时铝膜表面在大气中能生成一层薄薄的氧化 铝膜， 起到保护膜层的功效， 所以膜层比较牢固、 稳定。 5 P49 平板分束镜：优点是制作简单、造价低廉（？） ；缺 点是造成双像，引进像差。胶合立方体分束镜：优点 是在仪器中装调方便，不易损坏和腐蚀；缺点是偏振效 应较大。 6 P50 优点： 色中性好， 分光曲线平坦。 缺点： 吸收损失较大， 分光效率低。 7 P32 P35 理想单层减反射膜的条件是：膜层的光学厚度为参考波 长的 1/4，其折射

9、率为入射介质折射率和基片折射率乘 积的平方根。 半波长的作用：对中心波长的反射率毫无影响，但是影响着其他波长的反射率，因而起着平滑膜系反射特性的 作用。 课堂作业课堂作业 1.铝膜为什么得到广泛应用？ （课后题 4） 2.通常在金属膜外加镀一层保护膜防止其损坏，那么加 镀的保护膜对反射率的影响规律如何？ P38 镀了保护膜后，反射镜的反射率或多或少会有所下降， 保护膜的折射率越高，反射率下降得越多。 3.要镀制紫外高反铝膜应采取哪些措施？ P38 铝应以 40nm/s 以上的速率蒸镀在冷基片上；基片 的温度应该不超过 100；同时真空室的压强要维持 在 1.33310-4 Pa 或更低；使用高

10、纯度的铝；用氟 化镁或氟化锂作为防止氧化的保护膜。 4.镀制低偏振反射银膜应采取什么途径？ P40 底层 Al2O3用做膜和基片之间的黏接层，增强了银膜 和基片之间的附着力；使用一种组合的氧化铝及氧化 硅镀层以保护表面银镜。 5.单层金属膜（N=n-ik）的反射率为多少？如果在其上 面加镀折射率分别为 n1,n2 的两层厚度为参考波长四分 之一的介质膜，当光线垂直入射时其反射率为多少？ 222221 ()(1) 1 ()(1)niknkRniknk2212 2122 242 1212 2 242 12121()1()1(/) (/) 1(/) (/)nniknR nniknn nnnnk n

11、nnnnk 6.什么是分束镜，二向色镜、中性分束镜？ P49 分束镜：能把入射光分离成反射光和透射光两部分，通 常倾斜使用的光学器件。二向色镜：反射光和透射光有 不同的光谱成分的分束镜。中性分束镜：对各波长具有 相同透射率和反射率的分束镜。 7.简述中性分束镜的结构种类、 各自的优缺点及用途。 P49 （课后题 5） 用途：平板分束镜应用在中、低级光学装置上，棱镜分 束镜应用于对性能要求较高的光学系统。 8.常用的金属分束镜有哪些？各自有哪些优缺点？ P50 9.使用金属分束镜对安置有什么要求？ P50 从空气侧入射时的吸收比从玻璃侧入射时的吸收要小 得多。 金属膜 玻璃 正确 不正确 4 /

12、 6 10.介质分束镜有哪些优缺点？ P51 优：分束效率高；缺：对波长较敏感，偏振效应较大。 11.介质平板分束镜的好处和缺点有哪些？ (?) 12.如何设计出特性良好的介质中性分束镜？ P52 增加薄膜层数，并且通过逐步修改膜系，设计出特性良 好的分束镜：基于0/4 膜系，使其在中心波长处的反 射率约为 50%；提高光谱两端的反射率，从而达到改 善色中性的目的。 其他知识点：其他知识点： 1. 单层减反射膜存在两个主要缺陷：剩余反射率还是显 得太高；从镀膜表面反射的光线破坏了色彩的平衡。 克服单层膜缺陷的途径：采用非均匀膜，其折射率随 厚度的增加呈连续的变化；采用多层减反射膜。 2. 理论

13、上只要增加膜系的层数，反射率可以无限接近于 100%。实际上由于膜层中的吸收、散射损失，当膜系达 到一定层数时，继续加镀并不能提高其反射率，相反由 于吸收、散射损失的增加而使反射率下降。因此，膜系 中的吸收损耗和散射损耗限制了介质膜系的最大层数。 反射率极限值为1 2R 3. 在基片上交替镀制光学厚度为0/4的高、低折射率材料而形成典型的高反射膜系。 反射存在高反射带； 宽度有限，决定于 薄膜高、低折射率的 比值；高反射带两 侧，反射率陡然降落 振荡；增加层数， 不影响高反射带宽度， 只增大带内反射率及 带外振荡数目。 4. 吸收截止滤光片应用得最广泛，其优点是：使用简单， 对入射角不敏感，造

14、价不高；缺点是：截止波长不可随 便移动。 5.对称膜系的等效理论： 多层膜特征矩阵1112 122122KMMMMMM MM (1) 11221MM 相应于对称膜系的截止带； (2) 11221MM 相应于对称膜系的透射带； (3) 11221MM相应于截止波长。 周期对称膜系的等效定理：一个周期性对称膜系，在它 的通带中仍然存在一个等效折射率，它和基本周期的等 效折射率 E 完全相同， 并且它的等效位相厚度等于基本 周期的等效位相厚度的 S 倍。 第四章第四章 课后题：课后题： 8.314 /RJ mol K 231.38 10/kJ K 1 =23060 00()()nntmmt ttVVPPPPVVVV （m每秒转动次数） 2 (1) 8378.76/RTvm sM (2) 1822.3 10