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 。
二、辨析题:先回答以下说法是否正确?然后说明理由或修改正确。(15分)
说明:以上各题判断正确1分,原因叙述正确或修改正确2分(对于正确的表述,
可以不说明原因)。叙述不完全的根据实际情况酌情给分。
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。膜层的有效位相厚度表示为: ,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、介质高反射膜无论入射角下多大,其s 偏振和p 偏振光所对应的带宽都是相
同的。
答:错误。介质高反射膜在垂直入射条件下,s 偏振和p 偏振光所对应的带宽都
是相同的;而在斜入射条件下,由于s 偏振和p 偏振光的修正导纳不同,从而导
致其带宽也不同,此时,s 偏振光所对应的带宽大于p 偏振光所对应的带宽。
3、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相同。
答:正确。透射率测量与测量方向无关,无论膜层是否存在吸收。
4、膜系G/M2HLHLHL/A 中,低折射率膜层的几何厚度均为40
λ。 答:错误。膜系中,低折射率膜层的光学厚度均为40
λ,而不是几何厚度。
5、PVD 真空镀膜机的真空系统,一般需要一台扩散泵就可以完成抽气过程。
答:错误。要达到PVD 镀膜的真空度,一般需要机械泵(低真空泵)和扩散泵
(高真空泵)组合抽气才能达到。
三、问答题 (每题7分,共21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
θλ
πδcos 2nd =θλ
πδcos 2nd =
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、在镀膜前与镀膜过程中,常常需要进行离子束轰击,在这两个过程中,离子
束辅助的作用是什么?
答:镀膜前的离子轰击:用离子束轰击将要镀膜的零件表面(取代低真空离子轰
击),既起到清洗被镀表面、活化表面的作用,又压缩了离子轰击的时间,更重
要的是使离子轰击的作用得到了最大程度的发挥。(2分)
镀中轰击:溅射突出岛,消除阴影效应,破坏柱状结构,形成均匀填充生长(2
分);膜层受到轰击获得能量,可以产生级联碰撞,增加原子/分子的迁移率,有
利于致密成膜(2分);晶格振动加剧,形成局部热峰,产生淬火效应。(1分)
3、极值法监控膜厚有哪些技巧,请简要说明。
答:主要有3种方法:过正控制,选用比由nd=λ/4确定的波长稍微短一点的波
长作为监控波长,允许T 或R 有一定的过正量,让停镀点避开极值点(3分);
高级次监控,增大T 或R 的变化总幅度,减小T 或R 的相对判断误差,提高膜
层厚度的控制精度(2分);预镀比较片,是通过提高监控片的等效导纳,增大T
或R 的变化总幅度,减小了T 或R 的相对判断误差(2分)。
四、计算题(每题10分,共40分)
注:计算结果保留到小数点后2位,透射率或反射率以百分数表示。
1、K9平板玻璃单面镀制单层光学厚度280nm 的MgF 2膜层后,它对波长1120nm 、
560nm 的反射率各是多少?光线0°入射,不考虑另一面的影响。(玻璃n g =1.52;
薄膜n f =1.38)
解:因为光学厚度280nm 是1120nm 波长的1/4(1分),因此对1120nm 的光波,
组合导纳 g
n n Y 2
(2分)
故 %26.1)38
.152.138.152.1()()11(222
222
2=+-=+-=+-=n n n n Y Y R g g (3分) 对于560nm 的波长,薄膜光学厚度是波长的1/2,因此相当于虚设层,(1分)
%26.4)52
.1152.11()11(22=+-=+-=g g n n R (3分) 说明:对1/4波长及虚设层判断正确各1分,3个公式正确各2分,计算结果正
确各1分。如果没有分步计算,或没有判断膜层特点,根据其运算及理解程度酌
情给分。如果运算完全正确,而没有判断膜层特点,不扣分。
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、已知441n 32n 521n L H G .,.,.===,窄带滤光膜系GHLHLHLHLH2LHLHLHLHA
的峰值透射率是多少?(不考虑基底背表面的影响)
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
.252.144.12222=?==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:如果没有进行分步运算,根据计算情况酌情给分。
4、图示为K9平板玻璃(n g =1.5)单面镀制单层膜的反射率曲线(膜基界面反射
率,不考虑另一面),计算薄膜的几何厚度和折射率。其中,反射率极大值的波
长位置为550nm 、917nm ,反射率极小值的波长位置为458nm 、688nm 、1375nm 。
解:根据单层膜光谱特性及极值点的条件,设917nm 的干涉级次为m ,则550nm
处的干涉级次为m+2,由 214
1)2(41λλ+=m m 30% 4% R 400nm 1500nm
得 5504
1)2(91741?+=?m m (2分) 解得m=3 (1分) 于是nm nm nd 5.6875504
15=??= (1分) 要计算薄膜折射率,首先要确定不镀膜基底的反射率,由单一界面反射率表达式,
%4)5
.115.11()11(22=+-=+-=g g b n n R (1分) 可知,计算薄膜折射率要用反射率极大值来计算,反射率极大值的波长位置
为550nm 和917nm ,这是R=30%=0.3,由
2)11(Y
Y R +-= 且 g f n n Y 2
= (2分) 得%30)5.15.1()()11(2222222=+-=+-=+-=f f f g f g n n n n n n Y Y R (1分) 于是,求得n=2.2656(其他解舍去) (1分)
由nd=687.5nm ,可解出d=303.45nm (1分)
说明:如果没有进行分步运算,则根据卷面实际情况酌情给分。
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