薄膜原理与技术大作业汇总

薄膜原理与技术课程作业

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杨帅

授课教师：蒋玉蓉

薄膜原理与技术课程作业

一、简述宽带减反射膜在光学仪器中的作用，并设计如下膜系：

入射介质

n＝1；出射介质g n＝1.52；入射角0θ＝?0；参考波长0λ＝

580nm；设计要求：400～440nm光谱段反射率小于2%；440～640nm 光谱段反射率小于0.5％；640～700nm光谱段反射率小于2%。

减反膜的作用：减少介质间界面反射。界面反射会引起光学系统的光能量损失；加剧光学系统的杂散光干扰，加大系统噪声；在高功率激光系统中，界面反射可能引起反激光，损伤光学元件，所以为减少光能损耗，提高成像质量，照相机、电视机、显微镜等等中的光学镜头都镀有减反膜。为尽量减弱反激光，高功率激光系统中的透射光学元件表面也镀减反膜。

膜系结构：

优化结果：

二、设计带通滤光片：

入射介质0n ＝1.52；出射介质g n ＝1.52；入射角0θ＝?0；中心波长0λ＝550nm ；；中心波长透过率%98550>nm T ，通带半宽度小于5nm 。 膜系结构：

优化结果：

三、设计一个中性分光膜：

入射介质0n ＝1.0；出射介质g n ＝1.52；入射角0θ＝?45；440～640nm 光谱段%3%50±=R 。

膜系结构：

优化结果：

四、简述干涉截止滤光片通带波纹产生的原因及消除方法并设计如下要求分色镜：

入射介质0n ＝1，出射介质g n ＝1.52，入射角0θ＝?0，截至波长nm nm e 5580±=λ，在%,85%,90,550~420min >>T T nm 在%90,700~600>R nm 。

产生波纹的原因：

1.等效光学导纳失配（波纹的幅度）（R1-R2≠0）。

2.等效位相厚度随波长变化。

波纹消除方法：

选取适当的膜系，使得在透射带内的等效折射率等于基质的折射率即使R1=R2。

1.改变基本周期的膜层厚度，使等效折射率更接近于预期值。同样要求基片折射率要低，反射损耗小。这种方法对于可见光可以，红外区损耗较大。

2.在多层膜的每一侧加镀匹配层（λ/4层），使它与基质以及入射介质匹配。插入层相当于多层膜界面的减反膜。

膜系结构：

优化结果：

五、简述光电极值法监控原理及其监控精度提高的措施。

监控原理：由多光束干涉原理可知，膜系反射率呈周期性变化，当膜层的光学厚度为监控波长的四分之一整数倍时反射率出现极值。利用膜层沉积过程中反射率（或透射率）随膜厚变化的这种规律，通过光电膜厚监控仪测沉淀过程中反射率（或透射率）出现的极值点，

来监控四分之一波长的整数倍的膜系。

精度提高的措施：硬件设备的改进，如采用双光路光强信号测量透反射率值代替光路测量值来监控膜厚，可克服由于光波动及探测器波动、漂移带来的的影响：引入过正控制技术，即利用两极值点间的监控精度高于极值点的监控精度的特点，将停镀点移到极值点之后，根据镀膜检测过程中各层膜极值点的偏移量来修正理论计算的过正量，提高监控精度。

六、简述薄膜微观结构的特征及其表征方法，介绍一种薄膜微观结构观测原理。

特征：

呈现柱状加空穴结构；柱状几乎垂直与基板表面生长，而且上下端尺寸几乎相同；层与层之间有明显的界限，上层柱体与下层柱体并不完全连续。薄膜微观结构中还有很晶体缺陷。

X-射线光电子能谱（XPS）原理：

其原理是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量，不同元素种类、不同元素价态、不同电子层(1s, 2s, 2p等)所产生的能量即XPS不同。以光电子的动能为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。

被激发的电子能量可用下式表示：

KE = hv - BE - F spec

= 谱学功函数或电子反冲能谱学功函数极小，可略去，得到

F

spec

KE = hv - BE

七、介绍光学薄膜在通讯行业或显示器产业中的一种应用。

光学薄膜技术一直是光学领域中不可忽略重要基础技术，而且品质要求也越来越高，加上近年来在资讯显示及光通讯科技快速发展之下，不论是在显示设备中分、合色元件，又或是在光通讯主、被动元件开发制程上，薄膜制造技术都是不可忽略重要技术。在显示器技术、光通讯技术、生医光电技术上，薄膜技术有其决定性的影响。

光学薄膜与镀膜技术的应用从精密光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜的应用都比较广泛。比方说，平时戴的眼镜、数位相机、各式家电用品，或者是钞票上的防伪技术，皆能被称之为光学薄膜技术应用的延伸。倘若没有光学薄膜技术作为发展基础，近代光电、通讯或是雷射技术发展速度，将无法有所进展，这也显示出光学薄膜技术研究发展重要性。

一般来说，要使用多层薄膜时，必须根据设计者需求，借用高低折射率薄膜堆叠技术，做为各类型光学薄膜设计之用，才能达到事先预期后评估的光学特性。比方说：减反射镜、高反射镜、分光镜、截止滤光镜、带通滤光镜、带止滤光镜等；而在电脑分析软、硬体发展健全的今日，不仅使光学薄膜在设计上变得更为便捷，且光学薄膜技术研究发展也将更为快速。

就目前设计端而言，若以合理特性范围来考量，光学薄膜制作门槛已经降低不少，技术困难点也很少出现，通常只要在合理要求范围之内，设计者不难发出适用的光学多层膜结构。不过，光学薄膜最主要关键问题，在于薄膜镀膜工艺技术的改善。这关系到要如何精准地掌控每一层薄膜厚度与折射率，才能获得预期光学性质和机械特性，甚至在制造量产化及成本降低都有其助益。另外，包括：薄膜材料开发（包括：材料测试、化学纯度、材料创新、材料型式）、先进镀膜技术开发（包括：真空镀膜机、监控技术）及薄膜的量测分析（膜层设计、厚度误差分析技巧）等，都是光学薄膜工程上所要面对到的首要课题。

不过，在光学薄膜技术应用上，由于技术本身被归纳为广泛应用性质，不容易以某一或单一产品作为载具并加以区分；因此，光学薄膜产品技术，最终应用则是在许多光学元件上，若以光学元件各个相关应用市场来探究，更可看出主要附加价值与相关性。

人们对于显示器画面尺寸及影像品质及辐射量多少的要求日渐严苛，显示器尺寸也从14吋、20吋、29吋、32吋，变到了更大尺寸，显示屏也从CRT屏幕发展到LCD屏幕或投影屏幕。因为超过40吋CRT显示器动輒超过100公斤、厚度也超过35吋；因此，在一般CRT显示器生产过程中，40吋以上就是一个技术瓶颈。目前要打破尺寸瓶颈技术，就是利用投影技术来达成，借用光学技术放大显示器尺寸，使其机身厚度变薄，体积变得更为轻盈。

对于投影机产业而言，必须快速对应到灯源进步程度，以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻…等要求。

揭开投影机显示技术中重要光学关键零组件，就像是光学引擎、光阀、偏光转换器等开发技术，对投影显示技术中的影像品质有著关键性影响。举例来说，在光学引擎的偏振分光稜镜便是光学引擎中，不可或缺的光学元件，其可见光波要求在420~680nm范围（入射角范围约30°之内），才能大幅度地分开p偏振光及s 偏振光，并维持p偏振光穿透率Tp＞90％以上及消光比达到Tp/Ts＞500以上，这是因为消光比越高及Tp穿透率也就越高，影像对比度才会更好，色彩一致性越高，获得较高的光能利用率。

在光学引擎中要用到大量偏振、分光及滤光元件，这些都需要依赖光学薄膜、镀膜技术来实现，不过这些元件镀膜技术要求层级很高，导致生产困难度加大。一般来说，目前发展投影机技术，包括：LCD、DLP（MEMS）、LCOS数种发展技术。影像成形技术，则分为穿透式LCD及反射式DLP、LCOS，而在投影机系统中，便需要运用光学薄膜滤光片新的开发技术，从而达到最佳影像品质。

对于投影机产业而言，为了迎合灯源技术，以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻等要求，对于其中所使用的各式光学元件都必须有相对应解决方法。而为了达到需求，这对光学薄膜技术来说，已不能单纯使用传统的整数膜堆设计来完成，非整数膜堆设计必要时也要能被大量采用。不过，对非整数膜堆技术而言，除了先天上设计的困难性之外，在实际的制镀上也有相当的困难性。另一方面，对于环境测试要求更为严格，在滤光片材料选用则应更为审慎，基板选择上也要考虑到整体滤光片应力行为…等等，这都在先前设计之初就必须被纳入考量。

光学薄膜的技术与理论虽然起源已久，然而随著相关科技环境迅速提升与成长，如何使光学薄膜技术得以创新，将是从事光学薄膜技术者尚须追求的目标。