宽带增透膜工艺的优化与性能分析

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1、第２８卷第１期青岛大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．１２０１５年２月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＱＩＮＧＤＡＯＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｆｅｂ．２０１５文章编号：１００６－１０３７（２０１５）０１－００４０－０５ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－１０３７．２０１５．０２．１１宽带增透膜工艺的优化与性能分析张蒙蒙，孔伟金，张敏，王增智，李娜，季淑英（青岛大学物理科学学院，青岛２６６０７１）摘要：为满足望远镜等光学系统中光学元件可见光范围宽光谱增透的要求，根据Ｔｆｃａｌｅ软件优化设计膜系，使用

2、离子辅助沉积，晶振膜厚控制仪，电子束热蒸发镀膜方法，通过对镀膜工艺参数的不断改进和调整，制备了４００～７００ｎｍ的宽带增透膜。结果表明：所制作的可见光增透膜平均反射率达到０．３６％，优于望远镜等光学系统的增透要求。关键词：光学薄膜；宽带增透膜；离子辅助；真空蒸发镀膜中图分类号：Ｏ４８４．５文献标志码：Ａ光学薄膜是论述光于分层介质中传播行为的一门学科，其理论基础是薄膜光学。光学薄膜最基本的功［１］能是反射、减反射和光谱调控。主要的光学薄膜器件包括反射膜、增透膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等［２］等。增透膜用来降低光学元件表面的反射率，提高工

3、作波段内光线的透过率。日常生活中，很多光学元件［３］都都通过镀制减反射膜来提高光线的透过率，如显微镜、照相机、摄像机以及望远镜等。由于很多光学系统结构复杂，光学元器件复杂，光能量的损失也较大，所以就需要宽带增透膜来改善光学元器件的成像质［４］量。２００７年，西安光学精密机械研究所采用超薄设计理念设计的膜系可以在４００～１８００ｎｍ的超宽带内实［５］现将反射率控制在２％以下。２０１１年，南京理工大学谭宇成功镀制了４３０～９００ｎｍ及１５４０ｎｍ的宽带双波［６］段增透膜，其膜层平均反射率小于１％。但是在市场上，许多产品如半五棱镜的宽带增透膜对

4、镀膜面的要求一般为４００～７００ｎｍ可见光范围内，反射率低于０．５％。目前镀膜工艺如热蒸发工艺受蒸发速率、真空度、［７，８］腔室温度、基底吸收损耗、离子轰击和沉积材料等因素影响，光学性质和机械性质等特性变化易受影［９，１０］响。本文根据望远等光学系统中光学元件可见光范围增透的使用要求，选用Ｔａ２Ｏ５，ＳｉＯ２材料，通过对镀膜工艺参数的不断改进优化，制备了４００～７００ｎｍ的宽带增透膜，获得了满意的性能。１增透膜设计理论当光线从折射率为ｎ０的光学介质入射到折射率为ｎ１介质，两介质分界面上就会产生光的反射，如果介［２，１１］质无吸收，分界面为

5、一光学表面，光线垂直入射，反射率Ｒ为２ｎ０－ｎ１Ｒ＝（）ｎ０＋ｎ１若不考虑吸收，透射率为Ｔ＝１－Ｒ。对于单层介质膜，光在膜层内多次反射，而且每次反射都有部分波透过相应界面，对各部分求和即可得到反射波的和振幅。经求和，和振幅反射系数为－２ｉδｒ１＋ｒ２ｅ１ｒ＝－２ｉδ（１）１＋ｒ１ｒ２ｅ１收稿日期：２０１４－１２－１９基金项目：国家自然科学基金（批准号：１１２７４１８８）资助。通讯作者：孔伟金，男，博士，教授，研究方向：光学与光学材料。第１期张蒙蒙等：宽带增透膜工艺的优化与性能分析４１和振幅透射系数为－ｉδ＋＋－ｉδ＋＋－＋－３ｉδ＋＋－２

6、＋－５ｉδｔ１ｔ２ｅ１ｔ＝ｔ１ｔ２ｅ１＋ｔ１ｒ２ｒ１ｔ２ｅ１＋ｔ１（ｒ２ｒ１）ｔ２ｅ１＋…＝－２ｉδ（２）１＋ｒ１ｒ２ｅ１假设膜系两侧介质导纳一样，那么透过率Ｔ为＋＋２２ｔ１ｔ２Ｔ＝ｔ＝－＋－２ｉδ２１－ｒ１ｒ２ｅ－－ｉφ＋＋ｉφｒ１＝ｔ１ｅ１，ｒ２＝ｔ２ｅ２则Ｔ１Ｔ２１Ｔ＝２（１－槡Ｒ１Ｒ２）４槡Ｒ１Ｒ２２１１＋２ｓｉｎ（（φ１＋φ２－２δ））（１－槡Ｒ１Ｒ２）２显然，即使膜系两侧介质有不同的导纳，该式也成立。令Ｔ１Ｔ２Ｒ＝槡Ｒ１Ｒ２，Ｔ０＝２（１－Ｒ）４Ｒ１Ｆ＝２，θ＝（φ１＋φ２－２δ）（１－Ｒ）２则Ｔ０Ｔ＝２１＋Ｆｓｉｎθ当Ｔ＝１

7、时，Ｒ＝０。式中Ｔ和Ｆ只取决于上下两子膜系的反射率，而ｓｉｎ２０θ只取决于两分膜系的反射相移和中间层的膜厚。仅当Ｔ和ｓｉｎ２０≈１θ时，整个膜系在该波长处透过率接近１。膜系设计中，为了减少膜层厚度带来的误差积累，总层数不能太多。而且，尽量使膜系中各层厚度保持均匀，过厚的膜层容易产生较大应力，影响牢固度，同时过薄的膜层又不容易监控，引起膜层镀制厚度误差很大，影响整个光谱曲线。采用有效界面法，并使用ＴＦＣ膜系设计软件优化辅助设计。经过优化，其膜系为：Ｓｕｂ︳０．２４４９Ｈ０．３２９３Ｌ２．１５５１Ｈ０．５５３３Ｌ０．２０９１Ｈ０．９７４３Ｌ０

8、．５５８７Ｈ０．１５０７Ｌ１．１４３０Ｈ０．９９３３Ｌ︳Ａｉｒ光谱曲线如图１所示。图１增透膜理论曲线２增透膜工艺镀制实验本实验薄膜的制备是在成都现代南光光学仪器厂生产的国产８００型电子枪真空镀