綠光激光器光學(xué)系統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)與制備

長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)編號 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)綠光激光器光學(xué)系統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)與制備 Design and Fabrication of Green Laser Optical System Filter學(xué) 生 姓 名孟憲東專 業(yè)光電信息工程學(xué) 號100212603指 導(dǎo) 教 師付秀華學(xué) 院光電工程學(xué)院二一四年六月畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)原創(chuàng)承諾書1本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)綠光激光器光學(xué)系統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)與制備，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)工作條例后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。2本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中注明。3在畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。4本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！ 作 者 簽 名： 年 月 日摘 要 光學(xué)干涉截止濾光片是綠光激光器光學(xué)系統(tǒng)重要的光學(xué)元件，尤其在醫(yī)療技術(shù)和光通信方面有著重要應(yīng)用。為了研制出適用于綠光激光器光學(xué)系統(tǒng)的干涉截止濾光膜，篩選出H4和SiO2作為高低折射率材料，根據(jù)光學(xué)薄膜理論，利用TFC和大眾版膜系設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行膜系優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了相對易于制備的膜系結(jié)構(gòu)。用電子束加熱蒸發(fā)方法并加以離子輔助沉積系統(tǒng)制備薄膜，采用晶控的方法控制膜厚。通過對鍍制后基片的光譜測試結(jié)果分析，由光譜測試曲線可以得出該濾光膜在532nm波長處透射率T95%，在1064nm波長處反射率R99%，滿足本課題綠光激光器光學(xué)系統(tǒng)的使用要求，最終得到了光譜性能較好的濾光膜。關(guān)鍵詞：激光濾光膜 膜系設(shè)計(jì) 真空鍍膜 離子輔助沉積Abstract This research is the filter 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 the 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 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 technique 目錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 薄膜的發(fā)展11.2 激光薄膜的國內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用11.3 研究內(nèi)容2第2章 光學(xué)薄膜的理論基礎(chǔ)32.1 光學(xué)薄膜的多光束干涉原理32.2光學(xué)薄膜的特性矩陣和導(dǎo)納62.2.1單層薄膜的特性矩陣導(dǎo)納62.2.2 多層薄膜的特性矩陣和導(dǎo)納9第3章 膜料的選取及其光學(xué)性質(zhì)123.1材料的選取123.1.1 高折射率材料的選取133.1.2 低折射率材料的選取143.2 膜系設(shè)計(jì)15第4章 薄膜制備204.1 鍍膜設(shè)備204.2 膜厚監(jiān)控原理214.3 蒸鍍過程及制備工藝234.4 離子源24第5章 測試結(jié)果與分析255.1 光譜測試與分析26總 結(jié)27參考文獻(xiàn)29致 謝30II第1章 緒論 1.1 薄膜的發(fā)展 光學(xué)薄膜作為現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)重要分支，己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)、軍事、天文、紅外物理學(xué)、激光技術(shù)等領(lǐng)域，在人們的日常工作和生活中起著越來越重要的作用。在科技日新月異的今天，現(xiàn)代通訊、能源利用、宇航技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，為光學(xué)薄膜的發(fā)展提出了更高的要求。 自70年代以來，薄膜技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。無論在學(xué)術(shù)上，還是在實(shí)際應(yīng)用中都取得了豐碩的成果。薄膜技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代真空技術(shù)和材料科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域，在新技術(shù)革命中具有舉足輕重的作用。薄膜技術(shù)、薄膜材料、表面科學(xué)相結(jié)合推動(dòng)了薄膜產(chǎn)品的全方位開發(fā)與應(yīng)用。從發(fā)展趨勢看，國內(nèi)外薄膜產(chǎn)業(yè)方興未艾，多種跡象表明。薄膜技術(shù)在近期內(nèi)，將有較大的突破。從而必將帶動(dòng)薄膜產(chǎn)業(yè)更大的發(fā)展1。十余年來，在薄膜技術(shù)飛速發(fā)展，工業(yè)上有許多更大突破的同時(shí)，伴隨有各種類型的新型材料的開發(fā)，新功能的發(fā)現(xiàn)。所有這些都蘊(yùn)藏著極大的發(fā)展?jié)摿Γ樾碌募夹g(shù)革命提供可靠的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在薄膜技術(shù)和薄膜材料除大量用于電子器件和大規(guī)模集成電路之外，還可用于支取磁性膜及磁記錄介質(zhì)、絕緣膜、電介質(zhì)膜、壓電膜、光學(xué)膜、光導(dǎo)模、傳感器膜，耐磨、抗蝕、自潤滑膜，裝飾膜以及各種特殊需要的功能等2。干涉截止濾光膜作為光學(xué)薄膜中最重要的一種，對于干涉截止濾光膜的研究是一項(xiàng)比較有意義的工作。1.2 激光薄膜的國內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用 美國從上個(gè)世紀(jì)六十年代末開始著手氟化氘激光的研究，激光輸出功率在八十年代已達(dá)到兆瓦量級3。為此，人們系統(tǒng)地開展對激光薄膜的研究。在七十年代中期，美國開始使用金屬增強(qiáng)型反射鏡，反射率達(dá)到99.8%左右，吸收為1680ppm，使用的基底為金屬鉬4。在八十年代后期，美國制定了研制超低損耗光學(xué)薄膜，制備非冷卻光學(xué)元件計(jì)劃5。美國彈道導(dǎo)彈防御局在九十年代中期開始實(shí)施極低損耗薄膜（VLA）的研究計(jì)劃，把用于HF激光器中的制備技術(shù)移植到MIRACA上，并取得很好的效果。該項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，研制的反射鏡反射率達(dá)到99.99%以上，吸收損耗只有幾十個(gè)PPM，并且成功地取代了系統(tǒng)中的水冷反射鏡6。為了提高薄膜的損傷閾值，在上個(gè)世紀(jì)八十年代，美國花費(fèi)了五年時(shí)間用來減少硅基板鍍膜后的表面缺陷。在這個(gè)計(jì)劃結(jié)束時(shí)，薄膜表面缺陷密度比開始減少了100倍。研究表明缺陷主要來源于基板表面的拋光產(chǎn)生的亞表面缺陷和周圍環(huán)境的潔凈度。為了減少環(huán)境污染產(chǎn)生的缺陷，專門定制了一臺前后開門的鍍膜機(jī)，前門用于光學(xué)元件裝件，真空室清潔從后門進(jìn)行，這樣避免了污染前面的超凈室，保證基片的潔凈7。 對高能激光系統(tǒng)來說，由于光學(xué)薄膜相對于其它元件有更低的破壞閾值，它的激光損傷閾值往往要低于光學(xué)元件裸表面的2-4倍，因而在激光器中薄膜損傷閾值限制了激光器功率的進(jìn)一步提高，特別對作為定向能武器使用的高能量、高功率的激光器件來說更是如此8。因此，光學(xué)薄膜的抗激光強(qiáng)度是激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)和最大限制，改進(jìn)薄膜性能，提高其破壞閾值就有更加重要的實(shí)際意義。近年來，隨著激光器輸出功率和輸出能量的迅速增加，光學(xué)介質(zhì)薄膜的抗激光破壞的問題己越來越突出，因而高功率激光與光學(xué)介質(zhì)薄膜破壞機(jī)理的研究，一直是激光工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問題9。 在高能激光器中，光學(xué)薄膜作為光學(xué)元件一個(gè)組成部分，通常是重要而又薄弱的環(huán)節(jié)，其重要性在于激光器及其應(yīng)用系統(tǒng)中光學(xué)薄膜無所不在，并且起著不可缺少的作用。在激光系統(tǒng)中，由它構(gòu)成諧振腔和其它腔內(nèi)光學(xué)器件；在激光行波放大中，由它構(gòu)成隔離、濾波、擴(kuò)束、透光元件；在激光傳輸中，由它組成反光、折光、分光、合束元件；在激光應(yīng)用過程中，它可以優(yōu)化和組成導(dǎo)光系統(tǒng)10。正因?yàn)槿绱?，光學(xué)薄膜性能的好壞將直接影響到激光系統(tǒng)的性能指標(biāo)。在生物工程，國防科技，醫(yī)療手術(shù)，激光治療和激光顯示等領(lǐng)域中綠光激光器都有著廣泛的應(yīng)用11。優(yōu)良的激光器元件不僅能增加激光透射率，而且能消除激光器可能產(chǎn)生的雜散光，因此元件濾光膜的研制變得愈加重要。為了使綠光激光器達(dá)到最佳的和頻輸出，還應(yīng)嚴(yán)格控制激光的透射率，而這種控制的精確實(shí)現(xiàn)是非常困難的，需要通過不斷地實(shí)驗(yàn)改進(jìn)等才能達(dá)到透射率的最佳取值。1.3 研究內(nèi)容 在薄膜技術(shù)高速發(fā)展的今天，在高功率的激光器上鍍制各種要求的膜系是必不可少的，激光薄膜的鍍制大大提高了激光器的工作性能，使激光器在各個(gè)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。 本論文研究的主要是對532nm波段的激光進(jìn)行增透，對1064nm波段的激光進(jìn)行高反的干涉截止濾光膜的設(shè)計(jì)與制備。主要包括以下幾方面內(nèi)容： 1.根據(jù)各種高低折射率的膜系材料的光學(xué)性質(zhì)并結(jié)合本文主要研究的課題，篩選合適的鍍膜材料。 2.根據(jù)光學(xué)薄膜相關(guān)理論，利用TFC膜系設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行膜系的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到波長在532nm和1064nm兩點(diǎn)處透射率與反射率的要求，通過反復(fù)優(yōu)化得到易于制備的膜系結(jié)構(gòu)。 3.用鍍膜機(jī)進(jìn)行鍍制實(shí)驗(yàn)，采用晶控方法控制膜厚，完成薄膜的制備。4.進(jìn)行樣品的光譜性能測試，分析理論設(shè)計(jì)膜系與實(shí)際制備膜系光學(xué)性能差異的原因。第2章 光學(xué)薄膜的理論基礎(chǔ) 薄膜光學(xué)以膜對光的透射、吸收、反射、位相變化以及偏振特性為研究對象的工程技術(shù)學(xué)科，它主要通過研究光在薄膜介質(zhì)中傳播時(shí)的各個(gè)參量，來分析對光學(xué)系統(tǒng)能量分布特性的影響12?；诠獾母缮嫘?yīng)及其原理，光學(xué)薄膜可以獲得光傳播過程中各種各樣的傳輸特性，可以根據(jù)使用要求來調(diào)整光能量的傳輸路徑。特征導(dǎo)納矩陣法，可以便捷地實(shí)現(xiàn)對任意多層膜的特性進(jìn)行精確地計(jì)算。干涉截止濾光膜可以對某些波段的光能量進(jìn)行攔截，而使其他波段的光能量透過率得到提高13。本文所要研制的干涉截止濾光膜，要實(shí)現(xiàn)對波長為532nm的增透和1064nm的高反。膜系設(shè)計(jì)時(shí)用到的理論就涉及到薄膜的干涉理論和特征導(dǎo)納矩陣法。 2.1 光學(xué)薄膜的多光束干涉原理 光是一種具有粒子性和波動(dòng)性的電磁波，即所謂的波粒二象性13。光的干涉現(xiàn)象是光波動(dòng)性的一個(gè)重要特征。但是兩列光波要產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，必須滿足相干光的條件： (1)兩列波的頻率相同； (2)具有相同的振動(dòng)方向或有相同的振動(dòng)分量； (3)具有相同的相位或是相位之差是個(gè)定值。 只有在這三個(gè)條件同時(shí)滿足的情況下，兩個(gè)相干光源所發(fā)出的光波才是相干的，因而就能夠形成干涉。為了便于討論薄膜干涉作用，可以引入光程差的概念14。 圖2-1 薄膜中光的干涉現(xiàn)象 是薄膜材料的折射率，薄膜的上下兩個(gè)界面分別用1和2表示，當(dāng)從光源上發(fā)射出的某單色光的一束光入射到薄膜界面1上時(shí)，將會在薄膜的表面發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，假設(shè)在界面1上的反射振幅為，另一部分透過界面1折射到薄膜的界面2后再次發(fā)生反射，然后在經(jīng)過界面1射出，設(shè)其振幅為。兩光束和均由同一束分離出來，是相干光，沿著光束和的方向垂直放一個(gè)接受屏就會看到干涉現(xiàn)象。 兩光線干涉條紋的強(qiáng)度決定于它們的光程差，過C點(diǎn)做垂直于光線的垂線CD，利用圖中所示的幾何關(guān)系和折射定律，可以得到和兩光束的光程差為： (2-1) 由于位相差和光程差的關(guān)系式如下： 從而得到位相差為： (2-2) 當(dāng)兩束光的光程差為： (m=0，1.，2，3，) (2-3)時(shí)，將產(chǎn)生相長干涉；當(dāng) (m=0，1，2，) (2-4)時(shí)，將產(chǎn)生相互取消的干涉。 稱為光學(xué)薄膜的有效光學(xué)厚度，而則稱為膜層的有效位相厚度15。 根據(jù)光波的疊加原理，將反射光和的振動(dòng)過程進(jìn)行疊加，其振動(dòng)情況分別表示為 疊加后得到合振動(dòng)的電場強(qiáng)度為： 式中r是合振幅可表示為： (2-5) (2-6) 式中 按照光強(qiáng)定義，將反射光合振動(dòng)的光強(qiáng)表示為，而，。則兩束光疊加的干涉強(qiáng)度的計(jì)算公式如下： (2-7) 式中的正負(fù)號號取決于和的符號，即當(dāng)和同號時(shí)取加號； 而當(dāng)和異號時(shí)取減號。 通常情況下，如果薄膜界面的反射率比較低時(shí)，我們只考慮前兩次的反射和折射，而把其他的歸屬全部忽略掉，多光束干涉就簡化成雙光束干涉來進(jìn)行處理，使對干涉的分析變得簡單。但是在薄膜界面的反射率較高的情況下，一系列的反射光，之間的多光束干涉，還有一系列的透射光，之間的多光束干涉也是需要考慮的16。 多光束干涉強(qiáng)度的計(jì)算和雙光束強(qiáng)度的計(jì)算思路是相似的，先將所有的歸屬進(jìn)行振動(dòng)的迭加，然后再計(jì)算其強(qiáng)度，只不過參與計(jì)算的干涉光束由兩束增加到多束。為了減少計(jì)算量，采用復(fù)振幅進(jìn)行運(yùn)算。那么，對于反射光束系列，和透射光束系，的各個(gè)振幅和相位差計(jì)算如下。由斯托克定理我們可以得到： (2-8) (2-9)在介質(zhì)對光能量無吸收時(shí)，假定入射光束的能量為1，反射光振幅，可以表示為： (2-10) 透射光束的振幅可以表示為： (2-11)綜上所述，對反射光束的復(fù)振幅為進(jìn)行疊加。可得所有反射光的合成振幅為： (2-12) 要是薄膜面積很大，整理后可得： (2-13) 代入(2.12)式后再利用關(guān)系式(2.8)(2.9)，得到 (2-14) 反射光的相位關(guān)系為： (2-15)則反射率有 (2-16)透射率為 (2-17)綜上所述可得到結(jié)論如下：當(dāng)，滿足(m=0，1，2，)時(shí)，可以得到透射極大值件；而當(dāng)時(shí)，滿足時(shí)，也可以得到透射極大值。2.2光學(xué)薄膜的特性矩陣和導(dǎo)納2.2.1單層薄膜的特性矩陣導(dǎo)納 1.振幅反射系數(shù) 當(dāng)光垂直于介質(zhì)入射時(shí)， 上式表示需將導(dǎo)納N用代替，滿足垂直入射的公式也同樣對傾斜入射的情況有效，也就是適用于斜入射。這里需要我們注意，用推導(dǎo)P-分量反射率，用推導(dǎo)S-分量，再利用公式計(jì)算出自然光合成反射率17。2.等效界面以計(jì)算光學(xué)薄膜特性為目的，是需要一個(gè)相關(guān)的理論基礎(chǔ)的，這個(gè)基礎(chǔ)就是單層膜的特性矩陣，而等效界面更清晰合理地說明這點(diǎn)。等效界面就是將一個(gè)單層薄膜的兩個(gè)界面看成是一個(gè)等效界面，這在數(shù)學(xué)上的理論上是成立的，定義Y是膜層和基片的組合導(dǎo)納，于是有。式中 (2-18) (2-19)單層膜的反射系數(shù)為 得到此反射系數(shù)后，我們看到和是相互聯(lián)系的，而將它們聯(lián)系起來的就是組合導(dǎo)納Y，然后再應(yīng)用公式，和，這就是邊界條件，則用矩陣的形式表示和之間的關(guān)系，矩陣定義為基片和薄膜組合的特征矩陣。 (2-20) 矩陣 叫做薄膜的特征矩陣。由得 (2-21) 則 將代替，這種情況下的膜層反射率是不會變化的。 又有，此種情況下的膜層反射率也是不會變化的。 3. 反射率為極值時(shí)膜的光學(xué)厚度 假定 且時(shí)，分兩種情況討論： (1) m取奇數(shù)，則，得 以下是分析正入射時(shí)的情況， 在膜層折射率比基底的折射率低的情況下，也就是，反射率存在極小值；在膜層折射率高于基底的折射率的情況下，也就是，反射率存在極大值。 (2) m取偶數(shù)，則，以下同樣是分析在取偶數(shù)的時(shí)候，正入射時(shí)的情況，由上式可以明顯地看到m取偶數(shù)時(shí)膜層的反射率與膜關(guān)系，也可以理解成，當(dāng)光學(xué)厚度是的整數(shù)倍的時(shí)候，產(chǎn)生的薄膜對波長為時(shí)的反射(或透射)率是無影響的。所以，只要m=2k的情況下，膜層的折射率是大還是小，對于膜層的控制波長來說，可認(rèn)為是虛設(shè)的，這層膜也被叫做虛設(shè)層，因此，虛設(shè)層是將光學(xué)厚度為波長一半時(shí)的整數(shù)倍的膜層。同理 和層的折射率N，沒有則可以計(jì)算出單層膜的振幅反射系數(shù)為： 將代替，這種情況下的膜層反射率是不會變化的。 又有，此種情況下的膜層反射率也是不會變化的。 從推導(dǎo)過程可以知道，只要組合導(dǎo)納Y被確定，就可以根據(jù)公式計(jì)算出單層膜的反射特性和透過特性。用矩陣形式表示的式子是 (2-22)邊界條件可以如下表示： 因此 寫成矩陣形式是 將此式帶入到(2-22)得到 (2-23) 由于在界面兩邊的切向分量是具有連續(xù)性的，又由于 于是方程(2-22)可以這樣表示 (2-24) 是薄膜的特征矩陣，是基底和薄膜組合的特征矩陣。顯然由 (2-25) 得到： (2-26)振幅反射系數(shù)為： 能量反射率為： 2.2.2 多層薄膜的特性矩陣和導(dǎo)納 和單層膜一樣，可以利用多層膜的導(dǎo)納對入射光在多層膜的反射或透射情況進(jìn)行表征，對要將單層膜組合導(dǎo)納擴(kuò)展到多層膜的場合，需利用薄膜遞推法及薄膜矩陣法。 假設(shè)令 按照組合導(dǎo)納公式，第k層膜和襯底的組合導(dǎo)納公式可以由下式表示為： (2-27) 推導(dǎo)計(jì)算完所有多層膜之后，可以得到膜系的組合導(dǎo)納： 下面使用矩陣法來計(jì)算多層介質(zhì)膜的反射率： 圖 2-2 求解多層膜矩陣 首先應(yīng)用邊界條件根據(jù)圖2-2的表示，在界面1和2上可以得到： 依次類推，在界面2和3上得到，公式中的下標(biāo)都是與界面數(shù)相對應(yīng)的： 推導(dǎo)到界面k、界面k+1有： ， 得到膜層的矩陣方程式： 矩陣方程式進(jìn)行線性變換，可得膜系的特征矩陣為： (2-28) 于是，位相厚度是 (2-29) 折射角由折射定律所確定，導(dǎo)納由下式給出： (2-30) (2-31) (2-32) (2-33) 綜上所述，本課題的濾光膜要求對532nm和1064nm處分別增透及高反，對于濾光膜的設(shè)計(jì)需要根據(jù)薄膜干涉理論以及特征矩陣法解決。其中反射率及透射率的計(jì)算是膜系設(shè)計(jì)很重要的指標(biāo)也是膜系設(shè)計(jì)的方向。 第3章 膜料的選取及其光學(xué)性質(zhì) 在鍍膜前，首先要選擇被鍍膜的基底和鍍膜材料。這是設(shè)計(jì)膜系前的基礎(chǔ)工序，因?yàn)楦鶕?jù)不同的基底和材料，膜系設(shè)計(jì)的方案也不同。而根據(jù)膜系的具體要求，要選擇適合的鍍膜材料。這也是本論文的難點(diǎn)之一。 具體的光譜參數(shù)如表3-1所示：表3-1 光譜參數(shù)波長 透過率 532nm 95% 1064nm 95%），要求在1064nm處高反（R98%）。根據(jù)技術(shù)要求可以得出鍍膜波形類似于短波通，故選擇了短波通作為基礎(chǔ)膜系進(jìn)行優(yōu)化。本課題膜系優(yōu)化過程中主要考慮以下兩點(diǎn)：1由于實(shí)際膜層制備過程中膜層厚度存在控制誤差，為了減少誤差的累積，總層數(shù)不能太多；2盡量使膜系中各層厚度保持均勻。過厚的膜層會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，影響牢固度，而過薄的膜層則不容易監(jiān)控，導(dǎo)致膜層厚度誤差很大，影響整個(gè)光譜曲線。設(shè)計(jì)時(shí)先暫不考慮背面的影響，在基礎(chǔ)膜系的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，再采用多層膜的針式優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后濾光片的前表面初始膜系的基本結(jié)構(gòu)選用Sub|(0.5L H 0.5L)12|A。前表面選用H4和SiO2的匹配進(jìn)行濾光片的設(shè)計(jì)。用TFC膜系設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行大量模擬優(yōu)化，最終確定的膜系為：Sub|0.97L 1.01H 1.17L 0.89H 0.91 L 1.09H 0.94L 0.90H 1.09L 0.97H 0.97L 1.02H 1.00L 0.98H 1.08L 0.92H 0.93L 1.09 H 0.92L 0.86H 1.15L 0.90H 0.83L 1.15H 0.54L |A，其中該膜系的中心波長為1064 nm，L表示SiO2的1/4的光學(xué)厚度，H表示H4的1/4的光學(xué)厚度。Sub表示K9基底，A表示空氣。計(jì)算各個(gè)材料的總厚度如表3-2所示： 表3-2 材料的總厚度材料厚度最大膜層厚度(nm）總厚度(nm）H4158.151614.42SiO2214.252320.94總計(jì)3935.36表3-3表示優(yōu)化設(shè)計(jì)后各個(gè)膜層的幾何厚度及光學(xué)厚度：表3-3 各個(gè)膜層的厚度參數(shù)膜層材料光學(xué)厚度（nm）物理厚度（nm）1SiO20.9721180.322H41.0151138.983SiO21.1691216.864H40.8894121.775SiO20.9145169.646H41.0918149.477SiO20.9369173.798H40.9040123.759SiO21.0857201.410H40.9662132.2711SiO20.9734180.5512H41.0183139.4113SiO21.0092187.214H40.9766133.6915SiO21.0752199.4416H40.9237126.4617SiO20.9273172.0118H41.0949149.919SiO20.9226171.1320H40.8570117.3221SiO21.1550214.2522H40.9003123.2523SiO20.8298153.9324H41.1552158.1525SiO20.5413100.41 如圖3-2所示為在400nm1200nm波段范圍內(nèi)前表面的理論設(shè)計(jì)光譜透過率曲線。 圖3-2 400nm1200nm波段范圍內(nèi)前面理論設(shè)計(jì)光譜透過率曲線由圖3-2可以看出初步設(shè)計(jì)曲線基本滿足膜系的設(shè)計(jì)要求，由圖可知在532nm處透射帶寬達(dá)到90nm，透射率達(dá)到99%以上；在1064nm處透射帶寬達(dá)到100nm，反射率達(dá)到99.5%以上，已經(jīng)到達(dá)了預(yù)期要滿足的理論設(shè)計(jì)要求。其總層數(shù)為25層，物理厚度為3935.36nm，可以看出此膜系適合于實(shí)際制備。 為了提高透過率，減少基底背面的反射損失，需要在基底背面設(shè)計(jì)增透膜。對于背面增透膜系的設(shè)計(jì)，通過大眾和TFC膜系設(shè)計(jì)軟優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用H4和SiO2為鍍膜材料，采用設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)膜系結(jié)構(gòu)為Sub|HLHLHL|A，經(jīng)膜系設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化后得到膜系Sub|1.37H 1.08L 1.49H 1.71L 1.13H 0.63L|A，其中H代表材料H4的1/4光學(xué)厚度，L代表材料SiO2的1/4光學(xué)厚度，中心波長為700nm。其中4001200nm波段范圍內(nèi)的理論設(shè)計(jì)光譜透射率曲線如圖3-3所示 圖3-3 4001200nm波段范圍內(nèi)的理論設(shè)計(jì)光譜透射率曲線 由上圖3-3可知，在532nm處透射帶寬達(dá)到了90nm，透射率達(dá)到了95%以上。后面膜層是主要考慮波長為532nm處增透膜的設(shè)計(jì)，滿足了設(shè)計(jì)要求。 表3-4所示為優(yōu)化設(shè)計(jì)后背面各個(gè)膜層的理論厚度。表3-5所示為背面增透膜系中膜料最大膜層厚度和總厚度。 表3-4 背面各個(gè)膜層的理論厚度 材料厚度最大膜層厚度(nm）總厚度(nm）H4132.14353.42SiO2207.72415.20總厚度768.62表3-5 背面增透膜系中膜料最大膜層厚度及總厚度 對于背面增透膜的設(shè)計(jì)，H4和SiO2材料從透明度、吸收、散射特性、機(jī)械牢固度和化學(xué)穩(wěn)定性等方面都能滿足使用要求，而且二者具有較好的應(yīng)力匹配，對于層數(shù)較少的增透膜采用這兩種材料進(jìn)行設(shè)計(jì)是合理的。 最后基底材料兩面鍍膜后的用TFC軟件模擬的光譜特性在4001200nm波段范圍內(nèi)的透射率曲線如圖3-4所示 圖3-4 4001200nm波段范圍內(nèi)的光譜透射率曲線從圖3-4可以看出，在波長在532nm處透射率達(dá)到了99.98%，在490n590nm波段范圍內(nèi)，透射率都大于99%。在波長為1064nm處反射率達(dá)到了99.7%，在1010nm1110nm波段范圍內(nèi)，反射率都高于99.5%。即所得到的理論設(shè)計(jì)曲線達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且光譜性能很好。 膜系設(shè)計(jì)完成后，就要把設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)輸入到膜厚控制系統(tǒng)中進(jìn)行薄膜的制備，同時(shí)還要根據(jù)膜系的特點(diǎn)，制定鍍制方案并對鍍膜設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和設(shè)置。 第4章 薄膜制備4.1 鍍膜設(shè)備 鍍膜設(shè)備具體包括很多種類，包括真空離子蒸發(fā)，磁控濺射，MBE分子束外延，PLD激光濺射沉積等很多種18。主要分成蒸發(fā)和濺射兩種。常用的鍍膜設(shè)備主要是德國萊寶，日本光馳和國內(nèi)的南光和北儀場生產(chǎn)的鍍膜機(jī)，鍍膜機(jī)主要配有蒸發(fā)系統(tǒng)，真空系統(tǒng)，和膜厚監(jiān)控系統(tǒng)。其中監(jiān)控系統(tǒng)包括光控系統(tǒng)和晶控系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)室鍍膜設(shè)備如圖4-1所示 圖4-1 TXX-700鍍膜機(jī) 圖4-1是成都天星真空科技有限公司生產(chǎn)的型號為TXX700的鍍膜機(jī)，該鍍膜機(jī)主要由真空系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)和膜厚監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成19。真空系統(tǒng)通常由真空泵、真空計(jì)、被抽容器和其它輔助部件如真空閥門、冷阱等，通過真空管道，來實(shí)現(xiàn)抽氣功能的抽氣裝置。鍍膜室內(nèi)的真空系統(tǒng)的職能是在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)、來獲得真空并且保持真空，確保鍍膜室內(nèi)某項(xiàng)工藝過程的實(shí)施。本機(jī)的真空系統(tǒng)采機(jī)械泵和擴(kuò)散泵聯(lián)合抽氣，先用機(jī)械泵抽低真空，當(dāng)室內(nèi)壓強(qiáng)在5Pa左右時(shí)，用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵抽高真空。從低真空度達(dá)到高真空度(p= Pa)，對于本鍍膜機(jī)一般需要40分鐘。把真空計(jì)插到真空管道內(nèi)進(jìn)行真空度的測量，用熱電偶真空計(jì)放在和機(jī)械泵相連的管道內(nèi)測量低真空。把電離真空計(jì)放在和擴(kuò)散泵相連的管道內(nèi)測量高真空。蒸發(fā)系統(tǒng)用于加熱鍍膜材料使之蒸發(fā)成為氣體或微粒，常用的蒸發(fā)方法分為三種：離子濺射，熱蒸發(fā)和離子鍍。這是按工作原理分類的。其中熱蒸發(fā)又分電阻加熱，電子束加熱，高頻感應(yīng)加熱和激光加熱等加熱方式。在本實(shí)驗(yàn)室鍍膜機(jī)采用的是電子束熱蒸發(fā)的方法，加熱膜料使之進(jìn)行沉積，電子槍采用e型電子槍，從電子槍射出的電子在磁偏磁場作用下轉(zhuǎn)動(dòng)270，e型電子槍有能克服二次電子影響的優(yōu)點(diǎn)。電子槍電源有6KV和10KV的兩檔電壓可選擇。鍍膜材料在蒸鍍時(shí)，大部分材料需要在高溫的條件下進(jìn)行，所以真空室內(nèi)配有電阻加熱系統(tǒng)，本真空室內(nèi)的電子加熱系統(tǒng)是由三根電阻絲組成的，根據(jù)具體需要，可安裝箔狀、絲狀等不同樣式的加熱電阻絲。另外，真空室內(nèi)還配有阻蒸系統(tǒng)，用來蒸鍍金屬膜料，其最大電流為30A20。4.2 膜厚監(jiān)控原理 對于光學(xué)薄膜，要達(dá)到理論設(shè)計(jì)的曲線，就必須要求理論厚度和設(shè)計(jì)厚度要一致。所以厚度監(jiān)控是薄膜制備工藝過程中非常重要，現(xiàn)階段，薄膜厚度的監(jiān)控主要分為石英晶體振蕩法和光電極值法兩種方法21。光電極值法的原理是，光能量在快到達(dá)極值點(diǎn)時(shí)，光的信號相比較下很弱，信號不夠靈敏，反應(yīng)成數(shù)字信號時(shí)，數(shù)值走的比較慢。當(dāng)快接近不動(dòng)的一瞬間到達(dá)峰值，這要求我們那時(shí)關(guān)閉擋板。但實(shí)際操作起來有一定難度，對工藝部是很熟悉的人，很難判斷光控極值點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)刻，關(guān)閉擋板早會少鍍，關(guān)閉晚時(shí)會多鍍。都會影響膜層厚度的精準(zhǔn)性。但光控控制的是整個(gè)四分之一波長的厚度，即，所以光電極值法監(jiān)控膜層的厚度是比較精確的。但這也限制了光電極值法只能監(jiān)控規(guī)整膜層的，即四分之一波長整數(shù)倍的光學(xué)厚度。對于非四分之一波長整數(shù)倍厚度的監(jiān)控，一般采用石英晶體振蕩法來控制其膜層厚度，晶控法在實(shí)際操作上比較簡單，通過晶控片來監(jiān)控膜層的厚度，靈敏度較高，而且可以通過鍍膜前輸入執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。但石英晶體振蕩法監(jiān)控的只是膜層的物理厚度，即中的d，折射率n也是隨波長的變化而變化的,但對膜層的厚度影響不大22。 本實(shí)驗(yàn)鍍膜機(jī)的真空室內(nèi)配有以上兩種膜厚監(jiān)控儀器，分別是光電極值制控儀和IC/5石英晶體控制儀。下面詳細(xì)介紹下這兩種監(jiān)控膜厚的方法。 光電極值法可分為反射式和透射式來監(jiān)控膜厚，它是光源發(fā)出的光束射到光控片上，通過反射或投射被光電接受器接收，通過光柵，信號放大器等信號處理，反映到數(shù)字顯示器上。通過它的數(shù)值來了解極值趨勢。其中透射式裝置如下圖4-2所示：圖中L為光源，RS為反射信號，TS為透射信號，M為調(diào)制器，D為檢測器，W為窗口，B為分束器，S為光控片，F(xiàn)為濾光片。 圖4-2 透射式極值法控制裝置圖 對于上述極值控制法就是光控法，光控法為當(dāng)膜層的光學(xué)薄膜的厚度等于l/4厚度的整數(shù)倍時(shí)，透射率會出現(xiàn)極大值或者極小值：當(dāng) 時(shí)， (k=0，1，2，3) (4-1) 光控走極大值，透射率極?。?(k=0，1，2，3) (4-2)透射率極大是當(dāng)時(shí)， (k=0，1，2，3) (4-3) 光控先走極小值，透射率極大。石英晶體震蕩監(jiān)控法的原理：利用石英晶體的質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)和壓電效應(yīng)。根據(jù)石英晶體本身的固有震蕩頻率，由于受到沉積鍍膜厚度的影響而發(fā)生的變化來監(jiān)控。石英晶體表面會鍍有薄層，由于金或銀由良好的金屬性和延展性能，薄層的材質(zhì)一般是金或者銀等稀有金屬。當(dāng)鍍膜材料沉積到石英晶體表面時(shí)，石英晶體的固有震蕩頻率發(fā)生變化，隨著膜料在石英晶體上沉積，晶控片本身的固有震蕩頻率于膜厚的重量表現(xiàn)為線形關(guān)系，當(dāng)石英晶體上膜料的質(zhì)量增加時(shí)，固有震蕩頻率會隨著下降，這樣利于觀察，不會像光控法那樣控制信號起伏不平。 由于晶控片片的位置和基片的位置不同，必然會導(dǎo)致膜層的理論厚度和實(shí)際厚度不一致，這就是導(dǎo)致tooling值產(chǎn)生的原因。因此，為了盡量達(dá)到實(shí)際于理論厚度的一致性，我們還需調(diào)解各種鍍膜材料的tooling值。有些材料的tooling值會高于100%，有些材料的tooling值會低于100%，這都是為了盡量使監(jiān)控厚度和理論厚度一致的緣故。 由第三章可知，本膜系為非周期膜系膜系，并且膜層數(shù)并不太多，所以在本次膜層監(jiān)控時(shí)采用晶控方式監(jiān)控膜層的幾何厚度。4.3 蒸鍍過程及制備工藝 鍍膜的工藝如圖4-3所示抽真空清潔真空室裝件清潔基底加膜料烘烤離子轟擊預(yù)熔測試蒸發(fā)圖4-3 真空鍍膜流程圖 (1)準(zhǔn)備工作首先基底表面的潔凈度是影響薄膜的附著力的重要因素，研磨粉末、油污同其他物質(zhì)將會混入膜層產(chǎn)生應(yīng)力，甚至導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)缺陷，嚴(yán)重影響薄膜的附著力和激光損傷閾值。課題要求的基底是K9玻璃，在薄膜制備前，所要制備薄膜的基底K9玻璃的清潔是非常必要的