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1、长春理工大学本科毕业设计编号 本科生毕业设计绿光激光器光学系统滤波器的设计与制备 Design and Fabrication of Green Laser Optical System Filter学 生 姓 名孟宪东专 业光电信息工程学 号100212603指 导 教 师付秀华学 院光电工程学院二一四年六月毕业设计(论文)原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计(论文)绿光激光器光学系统滤波器的设计与制备，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计(论文)中引用他人的观点和
2、研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计(论文)中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计(论文)的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计(论文)的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计，可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年 月 日摘 要 光学干涉截止滤光片是绿光激光器光学系统重要的光学元件，尤其在医疗技术和光通信方面有着重要
3、应用。为了研制出适用于绿光激光器光学系统的干涉截止滤光膜，筛选出H4和SiO2作为高低折射率材料，根据光学薄膜理论，利用TFC和大众版膜系设计软件进行膜系优化设计，得到了相对易于制备的膜系结构。用电子束加热蒸发方法并加以离子辅助沉积系统制备薄膜，采用晶控的方法控制膜厚。通过对镀制后基片的光谱测试结果分析，由光谱测试曲线可以得出该滤光膜在532nm波长处透射率T95%，在1064nm波长处反射率R99%，满足本课题绿光激光器光学系统的使用要求，最终得到了光谱性能较好的滤光膜。关键词：激光滤光膜 膜系设计 真空镀膜 离子辅助沉积Abstract This research is the filte
4、r used in green laser optical system,Preparation of high transmission at the wavelength of 532nm,the wavelength of 1064nm dual band filter membrane with high reflection.By selecting H4 and SiO2 as the high and low refractive materials,According to the theory of optical films,continually optimizing t
5、he film system design curve by TFC and the public version of the film system design software,then obtain film system that relative easy for making.The thin films are prepared through electron beam heating evaporation and ion assisted deposition system,By using the method of crystal controlled films
6、thickness.Through the analysis of the results of the test substrate plating system,The filter meet the application requirements of green laser.the filter membrane with better spectral performance is obtained . Key words:Laser filter membrane;Film design;Vacuum coating;Ion assisted depositi on techni
7、que 目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 薄膜的发展11.2 激光薄膜的国内外发展及应用11.3 研究内容2第2章 光学薄膜的理论基础32.1 光学薄膜的多光束干涉原理32.2光学薄膜的特性矩阵和导纳62.2.1单层薄膜的特性矩阵导纳62.2.2 多层薄膜的特性矩阵和导纳9第3章 膜料的选取及其光学性质123.1材料的选取123.1.1 高折射率材料的选取133.1.2 低折射率材料的选取143.2 膜系设计15第4章 薄膜制备204.1 镀膜设备204.2 膜厚监控原理214.3 蒸镀过程及制备工艺234.4 离子源24第5章 测试结果与分析255.1 光谱测试与分析26
8、总 结27参考文献29致 谢301第1章 绪论 1.1 薄膜的发展 光学薄膜作为现代光学的一个重要分支，己经被广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输、医学、军事、天文、红外物理学、激光技术等领域，在人们的日常工作和生活中起着越来越重要的作用。在科技日新月异的今天，现代通讯、能源利用、宇航技术等领域的飞速发展，为光学薄膜的发展提出了更高的要求。 自70年代以来，薄膜技术得到突飞猛进的发展。无论在学术上，还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。薄膜技术已经成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域，在新技术革命中具有举足轻重的作用。薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品的全方位开发与应用。从
9、发展趋势看，国内外薄膜产业方兴未艾，多种迹象表明。薄膜技术在近期内，将有较大的突破。从而必将带动薄膜产业更大的发展1。十余年来，在薄膜技术飞速发展，工业上有许多更大突破的同时，伴随有各种类型的新型材料的开发，新功能的发现。所有这些都蕴藏着极大的发展潜力，并为新的技术革命提供可靠的基础。现在薄膜技术和薄膜材料除大量用于电子器件和大规模集成电路之外，还可用于支取磁性膜及磁记录介质、绝缘膜、电介质膜、压电膜、光学膜、光导模、传感器膜，耐磨、抗蚀、自润滑膜，装饰膜以及各种特殊需要的功能等2。干涉截止滤光膜作为光学薄膜中最重要的一种，对于干涉截止滤光膜的研究是一项比较有意义的工作。1.2 激光薄膜的国内
10、外发展及应用 美国从上个世纪六十年代末开始着手氟化氘激光的研究，激光输出功率在八十年代已达到兆瓦量级3。为此，人们系统地开展对激光薄膜的研究。在七十年代中期，美国开始使用金属增强型反射镜，反射率达到99.8%左右，吸收为1680ppm，使用的基底为金属钼4。在八十年代后期，美国制定了研制超低损耗光学薄膜，制备非冷却光学元件计划5。美国弹道导弹防御局在九十年代中期开始实施极低损耗薄膜（VLA）的研究计划，把用于HF激光器中的制备技术移植到MIRACA上，并取得很好的效果。该项目结束时，研制的反射镜反射率达到99.99%以上，吸收损耗只有几十个PPM，并且成功地取代了系统中的水冷反射镜6。为了提高
11、薄膜的损伤阈值，在上个世纪八十年代，美国花费了五年时间用来减少硅基板镀膜后的表面缺陷。在这个计划结束时，薄膜表面缺陷密度比开始减少了100倍。研究表明缺陷主要来源于基板表面的抛光产生的亚表面缺陷和周围环境的洁净度。为了减少环境污染产生的缺陷，专门定制了一台前后开门的镀膜机，前门用于光学元件装件，真空室清洁从后门进行，这样避免了污染前面的超净室，保证基片的洁净7。 对高能激光系统来说，由于光学薄膜相对于其它元件有更低的破坏阈值，它的激光损伤阈值往往要低于光学元件裸表面的2-4倍，因而在激光器中薄膜损伤阈值限制了激光器功率的进一步提高，特别对作为定向能武器使用的高能量、高功率的激光器件来说更是如此
12、8。因此，光学薄膜的抗激光强度是激光系统设计的重要依据和最大限制，改进薄膜性能，提高其破坏阈值就有更加重要的实际意义。近年来，随着激光器输出功率和输出能量的迅速增加，光学介质薄膜的抗激光破坏的问题己越来越突出，因而高功率激光与光学介质薄膜破坏机理的研究，一直是激光工作者关注的热点问题9。 在高能激光器中，光学薄膜作为光学元件一个组成部分，通常是重要而又薄弱的环节，其重要性在于激光器及其应用系统中光学薄膜无所不在，并且起着不可缺少的作用。在激光系统中，由它构成谐振腔和其它腔内光学器件；在激光行波放大中，由它构成隔离、滤波、扩束、透光元件；在激光传输中，由它组成反光、折光、分光、合束元件；在激光应
13、用过程中，它可以优化和组成导光系统10。正因为如此，光学薄膜性能的好坏将直接影响到激光系统的性能指标。在生物工程，国防科技，医疗手术，激光治疗和激光显示等领域中绿光激光器都有着广泛的应用11。优良的激光器元件不仅能增加激光透射率，而且能消除激光器可能产生的杂散光，因此元件滤光膜的研制变得愈加重要。为了使绿光激光器达到最佳的和频输出，还应严格控制激光的透射率，而这种控制的精确实现是非常困难的，需要通过不断地实验改进等才能达到透射率的最佳取值。1.3 研究内容 在薄膜技术高速发展的今天，在高功率的激光器上镀制各种要求的膜系是必不可少的，激光薄膜的镀制大大提高了激光器的工作性能，使激光器在各个领域广
14、泛的应用。 本论文研究的主要是对532nm波段的激光进行增透，对1064nm波段的激光进行高反的干涉截止滤光膜的设计与制备。主要包括以下几方面内容： 1.根据各种高低折射率的膜系材料的光学性质并结合本文主要研究的课题，筛选合适的镀膜材料。 2.根据光学薄膜相关理论，利用TFC膜系设计软件进行膜系的优化设计，达到波长在532nm和1064nm两点处透射率与反射率的要求，通过反复优化得到易于制备的膜系结构。 3.用镀膜机进行镀制实验，采用晶控方法控制膜厚，完成薄膜的制备。4.进行样品的光谱性能测试，分析理论设计膜系与实际制备膜系光学性能差异的原因。第2章 光学薄膜的理论基础 薄膜光学以膜对光的透射、吸收、反射、位相变化以及偏振特性为研究对象的工程技术学科，它主要通过研究光在薄膜介质中传播时的各个参量，来分析对光学系统能量分布特性的影响12。基于光的干涉效应及其原理，光学薄膜可以获得光传播过程中各种各样的传输特性，可以根据使用要求来调整光能量的传输路径。特征导纳矩阵法，可以便捷地实现对任意多层膜的特性进行精确地计算。干涉截止滤光膜可以对某些波段的光能量进行拦截，而使其他波段的光能量透过率得到提高13。本文所要研制的干涉截止滤光膜，要实现对波长为532nm的增透和1064nm的高反。膜系设计时用到的理论就涉及到薄膜的干涉理论和特征导纳矩阵法。 2.1 光学薄膜的多光束干涉原理 光是一种具
