光学薄膜完整版全解
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3:00---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 ：0.64-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
10、 111111cos sin sin cos i i δδηηδδ??
????????
11、 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。
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：
()()00r Y Y ηη=-+，()()2
00R Y Y ηη=-+
14、 等效导纳求解的基本思想：
14、薄膜的位相厚度：11112cos N d π
δθλ
=；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：
()()()()
()()2
2
00002
2
22
0011112
2
22001111
1cos 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
★3、掌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型电子枪？p121
e型电子枪：电子枪灯丝经高温加热后，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
5、影响薄膜聚集密度的因素: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。
2
M 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）
()()
()
()()01
0N
i i
j
i
j
j j j j i j j f j i τλ?λ?λ?λλ?λλ==
-∑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。
最新《薄膜光学与技术》2012期末考试试题A-答案
2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能 达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度 为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分 别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反 射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个 反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 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、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底 的组合导纳为： s n n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ， 高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、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 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采 用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜 层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。 13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在 500-700nm 范围内，可以选取的监控波长为 600 和 514.3 nm 。
光学薄膜技术第二章课件
典型膜系介绍 根据其作用可以将光学薄膜的类型简单的分为： 1、减反射膜或者叫增透膜 2、分束膜 3、反射膜 4、滤光片 5、其他特殊应用的薄膜 一. 减反射膜（增透膜） 在众多的光学系统中，一个相当重要的组成部分是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中，增透膜是不可缺少的，否则，无法达到应用的要求。 就拿一个由18块透镜组成的35mm 的自动变焦的照相机来说，假定每个玻璃和空气的界面有4%的反射，没有增透的镜头光透过率为23%，镀有一层膜（剩余的反射为%）的镜头光透过率为%，镀多层膜（剩余的反射为%）的为%。 大功率激光系统要求某些元件有极低的表面反射，以避免敏感元件受到不需要的反射光的破坏。此外，宽带增透膜可以提高象质量、色平衡和作用距离，而使系统的全部性能增强。 当光线从折射率为n0的介质射入折射率为n1的另一介质时，在两介质的分界面上就会产生光的反射， 如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率R 为： 例，折射率为的冕牌玻璃，每个表面的反射约为%，折射率较高的火石玻璃表面的反射更为显著。 这种表面反射造成了两个严重的后果： ①光能量损失，使像的亮度降低； ②表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也达到像平面，使像的衬度降低，分辨率下降，从而影响光学系统的成像质量。 减反射膜，又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、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。 最简单的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低 的介于空气折射率和光学元件折射率之间的薄膜。以使某些颜色的单色光在表面 R T n n n n R -=???? ??+-=12 1010透射率
光学薄膜技术第三章 薄膜制造技术
第三章薄膜制造技术 光学薄膜可以采用物理汽相沉积（PVD)和化学液相沉积（CLD)两种工艺来获得。CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，废水废气对环境造成污染，已很少使用。 PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。 PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。 制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识 用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几个原子、分子的集合体（从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚。 在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在，那就会产生如下一些问题： ①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜； ②空气分子进入薄膜而形成杂质； ③空气中的活性分子与薄膜形成化合物； ④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成 化合物，从而不能进行正常的蒸发等等。 因此，必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个 过程称为抽气。空气压力低于一个大气压的状态称为真空， 而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空 室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备。制作 薄膜最重要的装备是真空设备． 真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备。二 者真空度不同，这两种真空设备的抽气系统基本上是相同 的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气 系统的材料也不同，下图是典型的高真空设备的原理图，制 作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类。 下图是超高真空设备的原理图，在原理上，它与高真空设备 没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性， 超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直 接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵（如钛吸气泵） 来辅助超高真空泵。 3.1 高真空镀膜机 1.真空系统 现代的光学薄膜制备都是在真空下获得的。普通所说的 真空镀膜，基本都是在高真空中进行的。 先进行(1)然后进行(2)。因为所有的（超）高真空泵只有在真空室的压力降低到一定程度时才能进行工作，而且在高真空泵（如油扩散泵）中，要把空气之类的分子排出，就必须使排气口的气体压力降低到一定程度。 小型镀膜机的真空系统 低真空机械泵+高真空油扩散泵+低温冷阱
光学薄膜工艺基础知识
光学薄膜工艺基础知识 工艺因素对薄膜性能的影响机理大致为： 一、基片材料 1、膨胀系数不同热应力的主要原因； 2、化学亲和力不同影响膜层附着力和牢固度； 3.、表面粗糙度和缺陷散射的主要来源。 二.、基片清洁 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损伤能力差； 3、透光性能变差。 三、离子轰击的作用 提高膜层在基片表面的凝聚系数和附着力；提高膜层的聚集密度，氧化物膜层的透过率增加，折射率提高，硬度和抗激光损伤阈值提高。 光学镜片小知识 镜片材料分类 玻璃镜片包括光学玻璃镜片及高折射率镜片（即通常所称的超薄片），其硬度高、耐磨性能好，一般其质量及各项参数不会随时间而改变，但是玻璃镜片的抗冲击性及重量方面要略逊于树脂镜片。 树脂镜片一般要比玻璃镜片轻得多，且抗冲击性能要优于玻璃片，防紫外线能力强，但其表面硬度较低，比较容易被擦伤。树脂镜片及镀膜镜片由于其特性较软，所以平时应注意不要让镜面直接接触硬物，擦洗时最好先用清水（或掺合少量洗洁精）清洗，然后用专用试布或优质棉纸吸干眼镜片上的水滴。此外，在环境条件较差的地方应慎用镀膜镜片，以免沾上污物难以清洗。 宇宙（PC）镜片：折射率高，牢固，但易磨损.多数使用于小孩子的眼镜片，无框架的装配或运动员的护眼罩。 镜片镀膜后有哪些优点？ 镀膜镜片可以降低镜片表面的反射光，视物清楚，减少镜面反射光，增加了光线透过率，也解决戴眼镜在强光下照像的难题，增加美感。镀膜眼镜能防止紫外线、红外线、X线对视力的伤害。配戴镀膜眼镜不易疲劳。对荧光屏前工作人员的视力可受到保护。 镀膜树脂镜片除应避免划碰高温外，亦应避免酸类油烟等侵蚀，如在日常生活中最好不要戴镜下厨，尤其是通风不好油烟大时；同时亦不能戴（带）镜进（近）热水淋浴环境，平常临时放置时应将镜片凸面向上，随身携带时应将眼镜放入盒内，不要随便放入口袋中或挂包中，那样极易使膜层擦伤。
真空镀膜与光学镀膜对比
真空镀膜主要利用辉光放电(glow discharge)将氩气(Ar)离子撞击靶材(target)表面, 靶材的原子被弹出而堆积在基板表面形成薄膜。溅镀薄膜的性质、均匀度都比蒸镀薄膜来的好,但是镀膜速度却比蒸镀慢很多。新型的溅镀设备几乎都使用强力磁铁将电子成螺旋状运动以加速靶材周围的氩气离子化, 造成靶与氩气离子间的撞击机率增加, 提高溅镀速率。一般金属镀膜大都采用直流溅镀,而不导电的陶磁材料则使用RF交流溅镀,基本的原理是在真空中利用辉光放电(glow discharge)将氩气(Ar)离子撞击靶材(target)表面，电浆中的阳离子会加速冲向作为被溅镀材的负电极表面，这个冲击将使靶材的物质飞出而沉积在基板上形成薄膜。一般来说，利用溅镀制程进行薄膜披覆有几项特点：(1)金属、合金或绝缘物均可做成薄膜材料。(2)再适当的设定条件下可将多元复杂的靶材制作出同一组成的薄膜。(3)利用放电气氛中加入氧或其它的活性气体，可以制作靶材物质与气体分子的混合物或化合物。(4)靶材输入电流及溅射时间可以控制，容易得到高精度的膜厚。(5)较其它制程利于生产大面积的均一薄膜。(6)溅射粒子几不受重力影响，靶材与基板位置可自由安排。(7)基板与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上，且由于溅射粒子带有高能量，在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜，同时此高能量使基板只要较低的温度即可得到结晶膜。(8)薄膜形成初期成核密度高，可生产10nm以下的极薄连续膜。(9)靶材的寿命长，可长时间自动化连续生产。(10)靶材可制作成各种形状，配合机台的特殊设计做更好的控制及最有效率的生产。 光学镀膜 一、耐磨损膜（硬膜） 无论是无机材料还是有机材料制成的眼镜片，在日常的使用中，由于与灰尘或砂砾（氧化硅）的摩擦都会造成镜片磨损，在镜片表面产生划痕。与玻璃片相比， 有机材料制成的硬性度比较低，更易产生划痕。通过显微镜，我们可以观察到镜片表面的划痕主要分为二种，一是由于砂砾产生的划痕，浅而细小，戴镜者不容易察觉；另一种是由较大砂砾产生的划痕，深且周边粗糙，处于中心区域则会影响视力。 （1）技术特征 1）第一代抗磨损膜技术 抗磨损膜始于20世纪70年代初，当时认为玻璃镜片不易磨制是因为其硬度高，而有机镜片则太软所以容易磨损。因此将石英材料于真空条件下镀在有机镜片表面，形成一层非常硬的
光学基础知识及光学镀膜技术
光学基础知识及光学镀膜技术 光學薄膜是指在光學元件上或獨立的基板上鍍上一層或多層之介電質膜或金屬膜來 改變光波傳遞的特性。即應用光波在這些薄膜中進行的現象與原理，如透射、吸收、散 射、反射、偏振、相位變化等，進而設計及製造各種單層及多層之光學薄膜來達到科學 與工程上的應用。在本廠的實際應用上，DM半透板與ITO鍍膜屬於這個領域。 光學薄膜雖早於1817年Fraunhofer已經開始利用酸蝕法製成了抗反射膜，但是真正 的發展是在1930年真空鍍膜設備之後。而軍事的需求(望遠鏡、飛彈導向鏡頭、監視衛 星、夜視系統等)加速了光學薄膜的開發與研究。計算機的出現使得設計更為方便，相對 的各種理論及設計方法因應而出，光學薄膜的研究於是更為進步並充分應用於各種光電 系統及光學儀器之中，如光干涉儀、照相機、望遠鏡、顯微鏡、投影電視機、顯示器、 光鑯通訊、汽車工業、眼鏡等。 光學薄膜基本上是藉由干涉作用達到其效果的。簡單的如肥皂泡沫膜、金屬表層的 氧化膜、水面油層的顏色變化，都可以視為單層干涉的效果。因此，當光在膜層中的干
涉現象可以被偵測到時，我們就說這層模是薄的，否則是厚的(k值消散掉)。由於干涉現象不僅跟膜層的厚度有關，而且光源的干涉性和偵測性的種類也有關。 接下來為各位介紹幾個主題1.波動光學基本理論2.薄膜光學的應用及產品介紹3.薄膜設計方法4.金屬鍍膜材料5.光學薄膜的鍍製方法及設備6.光學薄膜材料。 光學薄膜的製作是理論設計的實現，它不僅和蒸鍍方法及材料有關亦與薄膜支撐 者，即基板之表面狀況及材質有密切的關係，事實上光學薄膜的研製的主要困難已經比 較少是在設計上，而是在製鍍上，亦即要製造出預期中的光學常數及厚度之薄膜，因此 新的製膜方法及監控方式在工程上更顯的重要。 1. 繞射和干涉的現象常常會被拿在一起來討論,繞射可視為很多光源互相干涉,但其數學處理的方式仍然與干涉不太一樣。例如全像或光柵,可以用繞射也可以用干涉來解釋,也各有其數學模式。光的波動說:當一個水波經過一個障礙時,我們可以看到障礙的邊緣會 泛起陣陣漣漪,這種現象就是繞射,光波也有繞射現象,這種現象是和光的直線前進或光 的粒子說相抵觸的。早在1500年,L.da Viaci 已提及光的繞射,Huygens在1678年首先創立光的波動理論,他把波陣面上每一點都視為一個次級子波的波源,而所有子波前進時的包絡面又形成新的波前,應用這個原理可以解釋光的直線前進、光的反射與折射。 1801年,Young用干涉理論來解釋單狹縫的現象,但實驗結
《薄膜光学与技术》期末测验试题A答案
《薄膜光学与技术》期末测验试题A答案
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2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 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、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底的组合导纳为： s n n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ，高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、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 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。 13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在
光学薄膜完整版全解-共11页
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3:00---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: 0.64-i5.50, Ag : 0.050-i2.87）（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： '、H = j 卫（1 ） …d B ' E = - （ 2 ） ''*D= P3） ''、=0（4） 6、物质方程： D = E ?B =
光学薄膜技术复习提纲讲解
光学薄膜技术复习提纲 、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 厂 宀 >2 llo —111 /11；#-1 R= ------------ <山+爲沁+/ ★ 3、掌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 ? ★ 4、什么是规整膜系？非规整膜系？ 把全部由入0/4整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。 ★ 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 ㈡高反射膜 ★ 1、镀制金属反射膜常用的材料有铝（AI ）、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。 V --G I HL| A / M |=! !膜 / fix 一上 —\ >< WG | 2HL | A 0 400 450 500 550 600 650 700 VUavelsnqth (rm ) 43 2
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。 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。 2、截止光滤片的应用：彩色分光膜。P51 ①图2.4.13分光原理；②解决棱镜式分光元件偏振效应的方法是合理设计分光棱镜的形式，尽可能减小光束在膜面上的入射角。 ㈤、带通滤光片 ★1、什么是带通滤光片？P58
光学薄膜完整版
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3:00---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 1、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：0.64-i5.50，Ag：0.050- i2.87）（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1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： 6、物质方程： 7、光学导纳： 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 10、虚设层：当膜层厚度对于中心波长来说是或其整数倍时，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。
光学镜片镀膜
光学镜片镀膜 光学镜片镀膜 2011-04-28一耐磨损膜(硬膜) 无论是无机材料还是有机材料制成的眼镜片，在日常的使用中，由于与灰 尘或砂砾(氧化硅)的摩擦都会造成镜片磨损，在镜片表面产生划痕。与玻璃片 相比，BR有机材料制成的硬性度比较低，更易产生划痕。通过显微镜，我们可 以观察到镜片表面的划痕主要分为二种，一是由于砂砾产生的划痕，浅而细小，戴镜者不容易察觉；另一种是由较大砂砾产生的划痕，深且周边粗糙，处于中 心区域则会影响视力。 (1)技术特征 1)第一代抗磨损膜技术 抗磨损膜始于20世纪70年代初，当时认为玻璃镜片不易磨制是因为其硬 度高，而有机镜片则太软所以容易磨损。因此将石英材料于真空条件下镀在有 机镜片表面，形成一层非常硬的抗磨损膜，但由于其热胀系数与片基材料的不 匹配，很容易脱膜和膜层脆裂，因此抗磨损效果不理想。 2)第二代抗磨损膜技术 20世纪80年代以后，研究人员从理论上发现磨损产生的机理不仅仅与硬 度相关，膜层材料具有"硬度/形变"的双重特性，即有些材料的硬度较高，但变形较小，而有些材料硬度较低，但变形较大。第二代的抗磨损膜技术就是通过 浸泡工艺法在有机镜片的表面镀上一种硬度高且不易脆裂的材料。 3)第三代抗磨损膜技术 第三代的抗磨损膜技术是20世纪90年代以后发展起来的，主要是为了解 决有机镜片镀上减反射膜层后的耐磨性问题。由于有机镜片片基的硬度和减反 射膜层的硬度有很大的差别，新的理论认为在两者之间需要有一层抗磨损膜层，
使镜片在受到砂砾磨擦时能起缓冲作用，并而不容易产生划痕。第三代抗磨损膜层材料的硬度介于减反射膜和镜片片基的硬度之间，其磨擦系数低且不易脆裂。 4)第四代抗磨损膜技术 第四代的抗膜技术是采用了硅原子，例如法国依视路公司的帝镀斯(TITUS)加硬液中既含有有机基质，又含有包括硅元素的无机超微粒物，使抗磨损膜具备韧性的同时又提高了硬度。现代的镀抗磨损膜技术最主要的是采用浸泡法，即镜片经过多道清洗后，浸入加硬液中，一定时间后，以一定的速度提起。这一速度与加硬液的黏度有关，并对抗磨损膜层的厚度起决定作用。提起后在100 C左右的烘箱中聚合4-5小时，镀层厚约3-5微米。 (2)测试方法 判断和测试抗磨损膜耐磨性的最根本的方法是临床使用，让戴镜者配戴一段时间，然后用显微镜观察并比镜片的磨损情况。当然，这通常是在这一新技术正式推广前所采用的方法，目前我们常用的较迅速、直观的测试方法是： 1)磨砂试验 将镜片置于盛有砂砾的宣传品内(规定了砂砾的粒度和硬度)，在一定的控制下作来回磨擦。结束后用雾度计测试镜片磨擦前后的光线漫反射量，并且与标准镜片作比较。 2)钢丝绒试验 用一种规定的钢丝绒，在一定的压力和速度下，在镜片表面上磨擦一珲的次数，然后用雾度计测试镜片磨擦前后的光线漫反射量，并且与标准镜片作比较。当然，我们也可以手工操作，对二片镜片用同样的压力磨擦同样的次数，然后用肉眼观察和比较。 上述两种测试方法的结果与戴镜者长期配戴的临床结果比较接近。 3)减反射膜和抗磨损膜的关系
光学薄膜技术及其应用
光学薄膜技术及其应用 张三1409074201 摘要：介绍了传统光学薄膜的原理，根据薄膜干涉的基本原理及其特点，介绍了光学薄膜的性能、制备技术，研究了光学薄膜在的应用和今后的发展趋势。 关键词：光学薄膜、薄膜干涉、应用、薄膜制备 引言： 光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。 光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。 本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。 正文： 1.光学薄膜的原理 光学薄膜的直接理论基础是薄膜光学, 它是建立在光的干涉效应基础上的、论述光在分层介质中传播行为。一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。该理论可以比较准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚的薄膜中的传播行为,由此设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。 2.光学薄膜的性质及功能 光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。依靠反射功能, 它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位；依靠减反射功能，它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致, 完美地实现现代光学仪器和光学系统的设计功能；依靠它的光谱调控功能, 实现光学系统中的色度变换, 获得五彩缤纷的颜色世界。 不仅如此, 光学薄膜又是光学系统中的偏振调控、相位调控以及光电、光热和光声等功能调控元件, 光学薄膜的这些功能, 在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用, 促进了相关技术和学科的发展。 3.传统光学薄膜和新型光学薄膜 3.1传统光学薄膜 传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。光波是一种电磁波，根据其波长的不同可分成红外线、可见光和紫外线等，当光波投射到物体上时，有一部分在它表面上被反射，其余部分经折射进入到该物体中，其中有一部分被吸收变为热能，剩的部分透射。不同的物质对光有不同的反射、吸收、透射性能，光学薄膜就是利用材料对光的这种性能，并根据实际需要制造的。 传统光学薄膜就是利用材料的这种特性，对光线产生特异性行为。传统光学薄膜有反射膜、增透膜、滤光膜、纳米光学薄膜、偏振膜、分光膜、和位相膜等。 3.2新型光学薄膜 现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展，光学薄膜不仅用于纯光学器件，在光电器件、光通信器件上也得到广泛的应用。近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高，从而发展了一系列新型光学薄膜及其制备技术，并为解决光学薄膜产业化面临的问题提供了全面的解决方案，包括高强度激光器、金刚石及类金刚石膜、软Ｘ射线多层膜、太阳能选择性吸收膜和光通信用光学膜等。
《薄膜光学与技术》2012期末考试试题A-答案
2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、 填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 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、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底的组合导纳为： s n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ，高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、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 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。
《薄膜光学与技术》期末考试试题B-标准答案
《薄膜光学与技术》期末考试试题B-答案
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
2014-2015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）
《薄膜光学与技术》2014期末考试试题B-答案
2014-2015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）
《薄膜光学与技术》期末考试试题A-标准答案
《薄膜光学与技术》期末考试试题A-答案
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2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 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、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底的组合导纳为： s n n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ，高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、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 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。 13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在500-700nm 范围内，可以选取的监控波长为 600 和 514.3 nm 。
光学薄膜完整版报告
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3:00---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 ：0.64-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=?? =??=?
光学薄膜基础知识
光学薄膜 讲解内容：①光学薄膜的理论基础及应用范围和发展前景 ②光学薄膜基础理论知识 ③镀膜制备技术 ④镀膜材料 ⑤镀膜检测 光学薄膜是一门综合性非常强的工程技术科学。它的理论基础是电磁场理论和麦克斯韦方程，涉及光在传播过程中，通过多层介质时的反射、反射各偏振性能等。随着科学的进步和人们生活水平的不断提高，促使镀膜技术得到了非速的发展。在许多情况下，人们关心的是材料的表面，在普通的基底材料上若镀以适当的膜，就可以获得奇迹般的效果。膜是物质存在的一种形式。多年来，在膜的理论、制备工艺、测试方法和应用等方面，进行了大量的研究和开发工作，已发展成为一门新兴的边缘科学——膜学。它涉及物理学、化学、数学等基础学科和材料、等离子体、真空、测量与控制等技术领域。它是多种学科综合的产物，同时也促进了相关学科和技术的发展。膜学是材料中最活跃、最富成效、最有前途的一项技术。 镀膜的方法很多，分类方法也各不相同。按膜层的形成方法分类，可以分为干式镀膜和湿式镀膜。
干式镀膜是指要真空的条件下，应用物理或化学的方法，将材料汽化成原子、分子或使成电离成离子，并通过气相过程，在基体表面沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。因此也有人称为气相过程或真空镀膜。在干式镀膜中有以真空镀、溅射镀膜、离子镀为代表的物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。 湿式镀膜是指将工件置于电解质溶液中，通过化学、电化学的方法，使其表面形成镀层，所以也有人称溶液法为液相沉积法，它可以分为电镀、化学镀、化学转化膜处理几种。 镀膜技术应用广泛，如太阳能电池、太阳能集热管、集成电路、半导体器件、平板显示器、光控及节能玻璃、信息储存作用器件、敏感元件、工模具超硬涂层及手表、眼镜、卫生洁具等日用品精钸层、塑料制品金属化、包装用塑料薄膜等各个领域，在工业现代化和国民经济发展中的越来越大，在国内外生产、科研、教学领域受到普遍重视，得到了迅猛发展。 光学薄膜基础理论知识 光波：紫外光、可见光、红外光。 光的颜色红橙黄绿青蓝紫760-630 630-600 600-570 570-500 500-450 450-430 430-400 波长范围 （nm) 可见光：波长在400nm到760nm之间的电磁波，能引起人眼视觉。 紫外光：波长比400nm短的光波。