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光学薄膜复习要点第四章光学薄膜的制造工艺1.光学薄膜器件的质量要素光学性能:●膜层厚度d●膜层折射率n折射率误差的三个主要来源：------膜层的填充密度(聚集密度)------膜层的微观组织物理结构------膜层的化学成分机械性能:硬度:膜层材料的本身硬度和膜层内部的填充密度牢固度：是指膜层对于基底的附着力、黏结程度膜层与基底之间结合力的性质（范德华力、分子间作用力、经典吸引）成膜粒子的迁移能环境稳定性：希望薄膜器件的光学性能和机械性能在经历恶劣环境较长时间后仍然不变。
恶劣环境：盐水盐雾、高湿高温、高低温突变、全水浴半水浴、酸碱腐蚀提高方法:1.选用化学稳定性好的材料2.制作结构致密无缝可钻的膜层后果：1.结构致密:酸碱盐水对膜层的腐蚀为单一面腐蚀，速度慢，耐久性强2. 结构疏松：酸碱盐水对膜层的腐蚀是深入内部的体腐蚀，速度快，耐久性差。
填充密度:膜层的实际体积与膜层的几何体积之比。
后果：高的填充密度对应着优良的机械性能和光学性能的环境稳定性。
低：机械性能：膜层与基底之间吸附能小，膜层结构疏松牢固度差膜层表面粗糙，摩擦因数较大，抗摩擦损伤能力差非密封仪器内部，面腐蚀变为深入内部的体腐蚀光学性能：光线在粗糙表面散射损大空隙对环境气体的吸收导致膜层的有效光学厚度随环境、温度的变化而变化。
折射率不稳定。
提高膜层的填充密---基片温度、沉积速率、真空度、蒸汽入射角、离子轰击影响膜层质量的工艺要素：1.真空镀制光学薄膜的基本过程清洗零件---清洁真空室/装零件---抽真空和零件加温---膜厚仪调整---离子轰击---膜料预熔---镀膜---镀后处理---检测。
2.影响薄膜器件质量的工艺要素及其作用机理●真空度:影响折射率，散射，机械强度，不溶性后果:真空度低，使膜料蒸汽分子与剩余气体分子碰撞的几率增加，蒸汽分子的动能大大减小，与基片的吸附能间隙，从而导致沉积的膜层疏松，机械强度差，聚集密度低，化学成分不纯，膜层折射率，硬度变差。
一．选择题：1．真空蒸发镀膜按其工作原理，可以分为那几种方法（多选题）： ABD A ．溅射镀膜 B ．热蒸发镀膜 C ．电子束蒸发镀膜 D ．离子镀2．溅射和热蒸发的根本区别在于，热蒸发是借助于 C 发生蒸发的，而溅射是通过获得 A 蒸发的。
A ．动量转换B ．电能转换C ．焦耳热D ．热电子轰击3. 如图，面蒸发源位于球迷夹具的球心，基片1和2膜厚之比为： BA ．sin φB ．cos φ D ．1cos φC ．tan φ4. 只能监控薄膜厚度为四分之一波长或其整数倍的控制方法有： ADA ．极值控制法B ．石英晶体控制法C ．单波长监控法D ．波长调制法二．简答：1. 如图2简述机械泵的工作原理，如何提高其工作效率？答：当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。
当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。
可以通过提高机械泵的体积或提高转速来提高效率。
2. 如图3简述有油扩散泵的工作原理。
答：真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。
喷口外面的压强较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气体分子的能力。
油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去．并且，在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小．由于这个浓度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走．慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用．冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。
光学基础知识：1. 光（电磁波）是横波还是纵波？答案：横波2. 光程：折射率与光实际路程的乘积。
3. 菲涅耳折射定律：00011sin sin rN N θθθθ==4. 光的偏振态？线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光、部分偏振光。
5. 偏振度：自然光 → P=0 线偏光→ P ＝1 其它 0＜P ＜16. 从自然光中获得线偏振光的方法：一般有四种：A ：利用二向色性 B ：利用反射和折射 C ：利用晶体的双折射 D ：利用散射7. 二向色性：某些各向异性的晶体对不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数的性质。
8. 利用二向色性获得偏振光的器件称为偏振片9. 当入射光的入射角等于布儒斯等角时，反射光成为线偏振光（仅有s 分量）。
10. 菲涅尔公式：关于入射波、反射波、折射波电场的振幅之间的关系。
11. 消光比：最小透射光强与两偏振器透光轴互相平行时的最大透射光强之比称为消光比，它是衡量偏振器件质量的重要参数。
12. 电矢量垂直入射面的分量称为S 分量；电矢量平行入射面的分量称为P 分量。
13. 非相干光学系统是光强的线性系统；相干光学系统是复振幅的线性系统。
非相干光波的强度满足线性迭加关系14. 波的干涉：因波的迭加而引起强度重新分布的现象，叫做波的干涉。
产生干涉的必要条件（也叫相干条件）： （1）频率相同；（2）存在相互平行的振动分量； （3）位相差稳定。
15. 电磁波在真空中的速度与在介质中的速度之比称为绝对折射率n （简称折射率）16. 尽管两种介质的分界面上，电磁场量整个的是不连续的，但在界面上没有自由电荷和面电流时，B 和D 法向分量与E 和H 的切向分量是连续的。
()()2112122sin cos sin cos p t θθθθθθ=+-()21122sin cos sin s t θθθθ=+()()1212sin sin s r θθθθ-=-+()()1212p tg r tg θθθθ--=+112200()()r r c n v εμεμεμ===12121212()0()0()0()0n B B n D D n E E n H H ⎧⋅-=⎪⋅-=⎪⎨⨯-=⎪⎪⨯-=⎩nntg B 121-=θ薄膜光学：1. 【填空】整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉。
6.1薄膜光学：1. 整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉。
研究光的本性及其传播规律的学科就是光学。
研究光在薄膜中的传播规律是薄膜光学。
2. 列举常用的光学薄膜滤光片、反射镜 镀膜镜片 牛顿环3. 利用薄膜可以实现的功能提高或降低反射率、吸收率与透射率方面， 在使光束分开或合并方面， 或者在分色方面，在使光束偏振或检偏方面，以及在使某光谱带通或阻滞方面，在调整位相方面等等，光学薄膜均起着至关重要的作用。
减少反射，提高透过率；提高反射率； 提高信噪比； 分光或分束；保护探测器不被激光破坏，重要票据的防伪等等;ur r uu4.电磁场间的关系：比 N 1 k E 1ur H光学导纳.N "F ■-tr ，这是N 的另一种表达式 纳： k E称为光学导纳:单位时间内，通过垂直于传播方向的单位面积的能矢量i 1 sin 1 cos 12称为膜系的特征矩阵坡印廷矢量（能流密度）的定义5. 光在两种材料界面上的反射:p 光: s 光: N cosN o cos 1 N i cos 0偏振光为横磁波，s 偏振光为横电波）N 0cos ! N t cos 0 2（p-偏振） 掌握单层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3 PPT 中P 15-21cos1isinN o cos 0 N o cos 0N t cos ! N t cos ! 2（s-偏振）\ X2丫 ％单层膜的反射系数和反射率为:—R丫掌握多层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3 PPT 中P 26-298.【计算】偶数四分之一光学膜层的特征矩阵:2 2r 3 r 1 s2—2—r 2 r2 2 13 —2" 2奇数四分之一光学膜层的特征矩阵:2 r 1 s "2— r2 2 13 2 2~ 2 42 r 22~r 3 r2 r ___ "2~1 s计算多膜层（膜层厚度为四分之一波长的整数倍）的反射率 。
【计算题：薄膜光学3PPT 中.11层TiO^/SiO^交替的（H Lp H 结构， 基底为帔铸=叫=1.5心2一栄'•工站：“工'■二站口23： ■卫r13屮 □ •1」护•1-531.茫• 1.51'-其中nH= 2.35, niL =1*45P35】四分之一波长的光学厚度 （QWOT 或二分之一波长的光学厚度 （HWOT ）9. 单层减反膜的设计方法：【薄膜光学3PPT 中P37】10. 无论膜层是否有吸收，膜系的透射率与光的传播方向无关。
光学膜片知识点总结一、光学膜片的基本原理光学膜片是利用薄膜的干涉效应来实现对光的调控的光学元件。
薄膜的光学性质与其厚度、折射率及透射率等参数密切相关，通过对这些参数进行设计和调控，可以实现对光的波长、偏振、相位等的调控。
光学膜片的工作原理主要基于薄膜的干涉效应和多层膜的反射和透射规律。
1. 干涉效应：当光线通过薄膜时，由于薄膜的厚度和折射率的不同，光线在薄膜内部和表面之间会发生反射和透射，从而产生干涉现象。
这种干涉效应可以用来实现对光的波长和相位的调控。
2. 反射和透射规律：多层膜的光学性质与薄膜的材料、厚度、层序、折射率等参数相关，通过合理设计多层膜的结构，可以实现对光线的反射和透射的控制，从而实现对光的偏振和波长的调控。
基于以上基本原理，光学膜片可以实现对光的色散、偏振、透射率等的调控，具有广泛的应用前景。
二、光学膜片的主要特性1. 调控范围广：光学膜片可以实现对光的波长、偏振、相位等的调控，调控范围广，具有较大的应用潜力。
2. 光学性能优良：光学膜片具有优良的光学性能，如高透射率、低反射率、高色散率等，能够满足各种光学系统的需要。
3. 结构简单紧凑：光学膜片的结构通常比较简单，可以设计成紧凑的结构，便于集成和应用。
4. 制备工艺成熟：目前光学膜片的制备工艺已经比较成熟，可以利用各种方法和工艺制备出具有良好性能的光学膜片。
5. 适应性强：光学膜片可以根据具体的应用需求进行设计和制备，具有较强的适应性，适用于不同的光学系统。
在以上方面，光学膜片具有许多优良特性，是一种非常重要的光学元件。
三、光学膜片的制备工艺光学膜片的制备工艺是实现其优良性能的关键。
光学膜片的制备工艺通常包括薄膜沉积、膜层设计、光刻、膜层厚度和成分控制、表面处理等工艺步骤。
1. 薄膜沉积：薄膜沉积是制备光学膜片的基础工艺，主要包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和溅射沉积等技术，通过这些技术能够在衬底上制备出所需的薄膜材料。
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 tB E tD ρB ∂∇⨯=+∂∂∇⨯=∂∇∙=∇∙= 6、 物质方程：D E B H j E εμσ=⎧⎪=⎨⎪=⎩7、 光学导纳：00r 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。
1.1薄膜概述作业题：什么是薄膜1.薄膜的定义（1）：由单个的原子、离子、原子团无规则地入射到基板表面，经表面附着、迁徙、凝结、成核、核生长等过程而形成的一薄层固态物质。
定义（2）：采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的一薄层固态物质。
·薄膜的尺度：通常：薄膜< 1μm 厚膜>10μm·微电子电路的工艺有哪些方法实现？答：光刻、镀膜、电子束。
1.2 薄膜结构和缺陷作业题：蒸发薄膜微观结构随基片温度的变化如何改变？低温时，扩散速率小，成核数目有限，形成不致带有纵向气孔的葡萄结构;随着温度升高，扩散速率增大，形成紧密堆积纤维状晶粒然后转为完全之谜的柱状晶体结构;温度再升高，晶粒尺寸随凝结温度升高二增大，结构变为等轴晶貌。
其他：·薄膜主要缺陷类型及特点？薄膜的缺陷分为:点缺陷(晶格排列出现只涉及到单个晶格格点，典型构型是空位和填隙原子，点缺陷不能用电子显微镜直接观测到，点缺陷种类确定后，它的形成能是一个定值)、位错(在薄膜中最常遇到，是晶格结构中一种“线性”不完整结构，位错大部分从薄膜表面伸向基体表面，并在位错周围产生畸变)、晶格间界(薄膜由于含有许多小晶粒，故晶粒间界面积比较大)和层错缺陷(由原子错排产生，在小岛间的边界处出现，当聚合并的小岛再长大时反映层错缺陷的衍射衬度就会消失)。
·薄膜晶粒织构（组织结构）模型：（能区分）·薄膜结构是指哪些结构？其特点是什么？（1）薄膜结构：组织结构（包含无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构）、晶体结构、表面结构。
（2）特点：组织结构：薄膜的结晶形态晶体结构：多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也不同。
表面结构： a、呈柱状颗粒和空位组合结构；b、柱状体几乎垂直于基片表面生长，而且上下端尺寸基本相同；c、平行于基片表面的层与层之间有明显的界面；1.3 薄膜的形成作业题：1.薄膜生长的三个过程一、吸附、表面扩散与凝结过程二、核形成与生长过程三、连续薄膜的形成（岛形成与生长过程。
二、证明：1.光学厚度为入M2的膜层，在其中心波长处为虚设层。
2.证明：在边界处E与H的切向分量连续。
3.试证明所谓的薄膜系统的不变性：即当薄膜系统的所有折射率都乘以一个相同的常数，或用它们的倒数替代时，膜系的反射率和透过率没有任何变化。
三、设计问题：1.分析并设计一个应用于太阳能集热器的膜系，注意阳光的色温为5800K,黑体辐射为750Ko（查找资料获得阳光辐射曲线和照体辐射曲线，利用TFCalc设计膜系）。
2.计算一个简单周期规整膜系A|（LH）6 7 8|S的截止波长位置、带宽、截止深度及其在截止波长处的反射率（H:T6 n=2.3； L:SiO2, n=1.45； A:空气，S:K9）。
3.设计一款宽带高反射膜，H:T I O2, n=2.3： L:S I O2, n=1.45,需要考虑那些主要问题？4.设计一个覆盖可见光波段的宽带全介质高反射膜，叙述其设计思想与设计步骤。
5.设计一个可见光区的减反射膜，要求如下：波长区间400〜700nm,平均反射率＜0.4%,最人反射率＜0.6%。
10•请设计棱镜分色系统所需要的所有膜系6 设计一个可见光区的高反射膜，要求如下：波长区间400〜700nm,平均反射率＞99%,最小反射率＞98%。
7 在空气中自然光入射到金属材料铝和银时，用TFCale软件分析两种材料反射光偏振效应最大值出现的角度与数值的步骤。
（入=500nm, Al： 0.64-/5.50, Ag： 0.050-/2.87）8 请设计CCD使用的IR-CUT膜系9.请设计冷光镜11.设计投影机用X棱镜中的两个膜系12.设计泰曼干涉仪的金属（A1）分光镜（光源为He-Ne激光），要求到达接收平面的干涉图对比度最好。
13.试在玻璃基底（n=1.52）上设计一诱导透射滤光片，中心波长为500nin,要求峰值透过率大于70%,在400mii〜1500nm的波长范围内背景透过率小于0.1%,整个多层膜与合适的吸收玻璃胶合。
薄膜光学：1. 整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉。
（托马斯杨干涉实验）2. 列举常用的光学薄膜镀膜镜片，牛顿环，滤光片、反射镜，ITO膜，幕墙玻璃，红外膜，DWD M光纤薄膜器件, 电致变色膜。
3. 利用薄膜可以实现的功能减少反射，提高透射率；提高反射率；提高信噪比；保护探测器不被激光破坏；重要票据的防伪等等。
总之能列出多少光的用途就能列出多少光学薄膜的用途。
提高光学效率，减少杂光。
如高效减反射膜，高反射膜。
实现光束的调整和再分配。
如分束膜，分色膜，偏振分光膜。
通过波长的选择性提高系统信噪比。
如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。
实现某些特定功能。
如ITO透明导电膜，保护膜等。
4. 一束入射角为“的光入射到厚度为di、折射率为n1的薄膜上产生的相位差为：2=4二md i cos^ / I ；双光束强度为：R = R 十R2土2jR|R2COS26 = r；+ r； ±2IT2 cos26详细计算过程：光线玲和m的干涉强度决定于它和的光春琵作O卫垂直于光线m于是，兔和m的光程差/e 迪f 且£+ 仍一从图上很容翦找出下列几何关墓’AB=BO~d±/^&±fAD= yt<7*aju 沁 tg 施”曲弘此外，根据折対定禅有Ho* Bill Tii •frin 爲. 把上間三式代入，得到光程差』~饨曲COS吐*相应的相位差如果先不考虑光在界茴£2上反射时的相位跌变，则当 光程差为(m —0r l f 2,卄 J时,蓿产生相长干涉;而当^<^€08^1= (2^4-1) Xo/2 (k~(), 12 2』…) 时F 将产生相消干涉.干涉强度的计算，可先迭加反射光Ti 和g 的振动T*得到合振动为E=T COS (3 _ p) ”式中r 咼含撮幅冲是合振动相他 二若和咲“、23有如下关系上沪二+疋+ 瓯r a COS 2Sj 龟^=r £ sin 28/ (允十咒COE 塑)』其中 23 =4亦工血cos 爲/入慎按照光强定义，反射光合提动的尿度丘=码而丘计此 ・则双光束干涉强度的计算公式是=it x 4- U 3 ± 2 V Rj^Ra cos 28,(1-5}式中士号由心和灼的符号确定.当怙和內同号时取加 号；而当吆和呛异号时取减号.光束由光疏媒质到光密媒 质反射时’反射振辐为负值,表示有皿的相位脈变.相反，当光 束由光密媒质到光聽媒质反射时，反射振幅为正值，表示役有 相位駅变.因此，上式中土号正是考虑了界面上反射时的相 你殴变情况』而为则仅獪两反射光束经历不同的略径而引入 的枸旳炭. 5.单层膜的多光束干涉计算： (薄膜光学2PPT 中P26-29)参光東于―« 的计WXM 上和厦光 束宪全ffiRi 也長先 把提动送加”再计算 9UL 建别仅在于* 场干移的光康由灣JK NUD ■冬至于计 算方祛則以呆用K 撮 ■«为方便.单层JK 的多光東干涉 f } A分别为光由折射率为股的介臓射向折射车为 %的介质时的摄辄反对屋数和扳幣选廿棗卢茸F分踌麦水瓷由新耐車为匚的介质射尙折射字为股的介疣时的按翔良射姦磁和扼幅透肘蔬歎*造股和恤介施赴右哦枚1氏土史托克定禅可为■这些■存在如下笑峯・…玖(t-6)r**d. (1-7)这愕，如果入时光克前撮锚为J井亂不考滋介烦对光疲的爺敢，风各取反射光飾複褐虬纸如…嶽氏为；勒■临”(L-sy岭疮atfO的撮罄虬氐 < …分别汰1 9>至于光東之间的I9tt^世是廨魅待的.束还崔理連射光建中「相和胸飞束的栩位聲尚由式d幻皓出.®*t.S射克東的复撮帕苗武为5駅*v-叫的齐甬吧心迭加后,反期充的合成劇辅为r-= (fi+Irff[1+*ir>^** 卜伯口円 **+ …]}*如果權箱绘*大.则可认为反射犹朿数时皆于无彌+式u- UI)中无疥遥韓誓比锻鑒有l+r>^ **Krlr t)^ «+*»-1/(1-(1-11)戕入(i i⑵武「并科用类篠式口«)m(i-T),卑到r-(<H rrf m)/(l +W,M kfl-13)辰时]t均也哑化为屯卩-；"T?>*in2A]..;£n(L + rtJ +rjCl + rt；€<*2i<. 门七;—iH〒ri+2"门厲宦监”{】十说対r ^nnto(-2?i).T dr6.电磁场间的关系：k E1光学导纳：N ，这是N的另一种表达式r E称为光学导纳反时死JM度•即反射华有7.光在两种材料界面上的反射:1 0 1CE 7HCOSi)EHYn. R%T ] smdsin ▼n- E. 傀-Y0， 1Y=CB5 cos8.掌握单层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3 PPT 中P 15-21[cos ® isin 5/〕「l 1[ RC 称为膜系的特征矩阵单层膜的反射系数和反射率为:9.掌握多层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3 PPT 中P 26-29L ，春肝得到:1Y/sintf.'sin S cosd, 称为该取层膜系的特征矩阵. COS<Jn 'iq 2 stnY=C/B 则反射率为;^+Y 丿^+Y 丿飪没在前面讨论於单.层膜•:再 加上—层膜*如圈这讨与基底栩洼询界面为G 川紧蛙基底为議层为特征矩■ cosJ, /sin V '- A ： M 任 sing 込k x £ . cosd\ H/t J I sinJ ;is in 5.eosd./sinCOS£)cos5、入MKJ«n« MA 界Mb M ■JFWoCOS^I irj, siriti CDSJ■辩及一错鼻堆广利爭卑追B_C Jtj f = X r cos &r对于厂E 波〔$ -波）7?,=对于T、【波【p -波）c o sN 6sin & ?- X f sin & r薄膜的特征矩阵的打列式等于110. 【计算】偶数四分之一光学膜层的特征矩阵：口 2 1)2 2r _4 r _2 r2 2r _3 r A s计算多膜层（膜层厚度为四分之一波长的整数倍）的反射率。
