《薄膜光学与技术》2012期末考试试题B 答案

2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（B卷）

参考答案及评分标准

一、填空题（每空1分，共25分）

1、薄膜是指附着于基底，且与基底不同质的非自持性涂层。

2、镀制单层介质薄膜时，第二次看到相同的反射色时的膜层光学厚度是第一次看到相同的反射色时膜层光学厚度的 3 倍。

3、K9玻璃上的单层MgF2膜层与单层ZrO2膜层具有相同的反射色调时，MgF2膜层的光学厚度等于（大于、小于、等于）ZrO2膜层的光学厚度。

4、在折射率为3.5的材料表面镀单层减反射膜，材料最佳的折射率为：1.8708 。

5、周期性对称膜系(pqp)s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、按照材料状态不同，一般将薄膜分为固体薄膜、气体薄膜和

液体薄膜三类。

7、Torr和Pa是两个常用来表示真空度的单位，它们较为准确的换算关系为：1Torr=133.3Pa 。

8、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。

9、由于极值点的判读精度不高，因此常常采用过正控制、高级次监控、预镀监控片等措施来提高极值法监控精度。

10、电子枪的e型枪是指电子束出射后至坩埚表面的运动方向改变了270度。

11、请写出常用的三种金属镀膜材料：Au 、Ag 、Al 。

12、一般镀膜系统测量真空需要两个真空计：热电偶真空计和电离真空计。

13、采用光电极值法监控膜厚，监控片为K9玻璃（折射率为1.52），如果要镀制单层ZnS薄膜（折射率为2.35），监控的第一个透射率极值点应该是极大值还是极小值：极小值。

14、能够直接用来抽大气的真空泵是机械泵。

15、热蒸发技术常用的蒸发源有电阻蒸发源和电子枪。

二、判断题：先回答以下说法是否正确？然后说明理由或修改正确。（每题4分，共20分）

1、膜层的有效位相厚度表示为： ，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。

答：错误。当光波斜入射时，无论对于s 光和p 光而言，折射率值均是同一个值。

2、采用单半波滤光片结构，获得的通带波形比多半波滤光片更加接近矩形。 答：错误。采用多半波滤光片结构，获得的通带波形比单半波滤光片更加接近矩形。

3、一般镀膜设备上需要机械泵和扩散泵组合起来作为真空机组，这主要是因为双泵组合可以提高抽气速率。

答：错误。因为机械泵可以直接抽大气，但极限真空并不高，而扩散泵可以抽到镀膜所需的真空度，但不能直接抽大气，也不能直接排气到大气，因此镀膜机上采用双泵组合的方式才能完成抽气过程。

4、用于离子辅助镀膜的离子源，有产生离子束的，也有产生等离子体的。潘宁离子源是一种典型的产生等离子体的离子源。

答：错误。潘宁离子源是一种典型的产生离子束的离子源。

5、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不同。 答：错误。样片的透射率与光的传播方向无关。

注：正误回答正确得2分，理由正确得2分。

三、问答题 （每题5分，共15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、试叙述光电极值法监控膜厚的基本原理。

答：光通过正在镀膜的比较片时，随着薄膜厚度的增加，比较片的透射率（反射率）会发生周期性的变化，且薄膜光学厚度每变化λ/4时，透射率出现一次极值（3分）。利用光电测光方法测量正在镀制膜层的T （或R ）随膜层厚度增加过程θλ

πδcos 2nd =

中的极值个数，可以获得以λ/4为单位的整数厚度的膜层（2分）。

3、影响膜层厚度均匀性的主要因素有哪些？

答：蒸发源发射特性，由蒸发源结构、蒸发膜料不同的发射分布特性引起（3分）；蒸发源与被镀件的相对位置；被镀件的面形（2分）。

四、计算题（1、2题各10分，第3题20分，共40分）

1、已知441n 32n 521n L H G .,.,.===，窄带滤光膜系GHLHLHLHLH2LHLHLHLHA 的峰值透射率是多少？

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）

组合导纳 5958.03.252.144.12

222=?==G H L n n n Y （3分） 膜系中可以看出，入射介质为空气，因此反射率为

%42.65958.015958.01)11(2

2=??

? ??+-=+-=Y Y R （3分） 所以，膜系的透射率最终为

%58.931=-=R T （2分） 说明：计算结果正确共4分。如果没有进行分步运算，根据计算情况酌情给分。

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MgF 2，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；MgF 2折射率为1.38；玻璃n g =1.46）

解：组合导纳为 7582.26646.138.115.2)(1012

10122522=?===G L H G H L H n n n n n n n Y （2分） 峰值反射率 %51.98)11(2=+-=Y

Y R （2分） 波数宽度 14.0)arcsin(2

≈+-=?L

H L H n n n n g π （2分） 波长宽度 )(14014.05002/220nm g g =??=?≈?λλ （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、图中两条曲线分别是镀有单层2ZrO 膜层和镀有单层2TiO 膜层的K9（n=1.52）

平板玻璃的实测透过率光谱曲线，

①计算2ZrO 膜层的折射率和厚度。

②计算2TiO 膜层的折射率和厚度。

③2ZrO 膜层的两个透过率极小值相等说明了什么?

④2TiO 膜层的所有透过率极小值均不相等说明了什么?

⑤为什么同一膜层的所有透过率极大值都相等?

解：①计算2ZrO 膜层的折射率和厚度。（10分）

样片的透射率极小值均为0.78，根据

78.01)1)(1(2121=---=R R R R T （2分） 21)11(Y Y R +-= g

n n Y 2

= （2分） 0426.052.1152.11)11(2

22=??

? ??+-=+-=s s n n R （2分） 可得n =1.97 （1分） 在800nm 波长处，有14

1λm nd =

（1分） 在600nm 波长处，同样有2)1(4

1λ+=m nd （1分） 于是由1241)1(41λλm m nd =+=，得到m =3 d =300nm （1分） ②计算2TiO 膜层的折射率和厚度。（7分）

91.8

91.8 ZrO 2 TiO 2

由于480nm 和780nm 极小值不相等，因此分别计算，

对于nm 7801=λ T 1=0.664，同理可得n 1=2.328 （2分） 对于nm 4801=λ T 1=0.645，同理可得n 2=2.390 （2分） 由m d n ?=1141λ )2(4

122+?=m d n λ （2分） 可得m =3，d =251.3nm （1分） ③ 两个透过率极小值相等说明薄膜折射率在此波段内没有色散。（2分） ④ 所有透过率极小值均不相等说明薄膜折射率在此波段存在色散。（2分） ⑤ 所有透过率极大值为虚设层，和没有镀膜玻璃的透射率相同，所以同一膜层的所有极大值都相等。（2分）