多层介质膜滤光片的镀制
摘要：
本实验以蒸发真空镀膜机对滤光片镀膜，采用干涉原理对膜厚进行监控。使用单色仪把光源透过滤光片并有反射镜反射回来到单色仪上的光，经由单色仪原理被分成不同的光束，再由光电倍增管将光信号放大并转化为电信号。通过理论模拟和实际实验结果进行比较，分析实验误差产生的原因。
关键词：干涉滤光片、高真空镀膜、光学极值法测膜厚、真空检验
引言：
当光线进入不同传递物质时（如由空气进入玻璃），大约有5% 会被反射掉，在光学瞄准镜中有许多透镜和折射镜，整个加起来可以让入射光线损失达30%至40%。现代光学透镜通常都镀有单层或多层氟化镁的增透膜，单层增透膜可使反射减少至 1.5%，多层增透膜则可让反射降低至 0.25%，所以整个瞄准镜如果加以适当镀膜，光线透穿率可达 95%。镀了单层增透膜的镜片通常是蓝紫色或是红色，镀多层增透膜的镜片则呈淡绿色或暗紫色。
通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。这种方法最早由M.法拉第于1857年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。
蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。待系统抽至高真空后，加热使其中的物质蒸发。蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。薄膜厚度可由数百埃至数微米。膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。对于大面积镀膜，常采用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的平均自由程，以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。蒸气分子平均动能约为0.1～0.2电子伏。
本实验通过蒸发真空镀膜设备对滤光片镀膜。
原理：
1、真空技术
“真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。在真空状态下，单位体积中的气体分子数大大减少，分子平均自由程增大，气体分子之间、气体分子与其他粒子之间的相互碰撞也随之减少。这些特点被广泛应用于科学研究和生产的许多领域中，例如：电子器件、大规模集成电路、加速器、表面物理、热核反应、空间环境模拟、真空冶炼和真空包装等。
真空泵是把被抽容器中的气体排放出从而降低容器内气压的机具。根据排气压强，真空泵大致可分为三类。
第一类是往大气中排气的泵，这种泵一般称为粗抽泵或前级泵，它可以从大气压下开始工作，可以单独使用或与其他需要在出口处维持一低气压的泵连用。旋转机泵、活塞式机械泵等都属于这一类。第二类是只向低于大气压的环境中排气的泵。这类泵是在气体相当稀薄时才能开始工作，并气体排除到已被前级泵抽成低真空的地方。这类泵称为高真空泵，如扩散泵、分子泵等。第三类是可束缚住系统中的气体和蒸汽的泵，如吸附泵和低温泵等。
而在本实验中，我们可以通过机械泵和油扩散泵的配合使用达到高真空条件。但扩散泵不能再大气下运行，因此在高真空泵能够工作之前，必须先用机械泵通过低真空阀门分别将钟罩内和扩散泵中的大部分气体抽到大气中。扩散泵需要预热，待真空度合适后，将低真空阀放在抽扩散泵一侧，然后慢慢打开高真空阀门。扩散泵和机械泵的组合可使钟罩内的压强降到大约7×10-3Pa
2、反射膜
光线在单一分界面上的反射光线垂直入射到透明介质界面时，反射系数r和反射率R分
别为
i tt
i t n n r n n -=
+ （2-1）
22
(
)
i t i t n n R r n n -==+ （2-2）
其中
i
n 、
t
n 分别为两种介质的折射率。知道
i
n 和
t
n 便很容易地计算光垂直入射在该界面上
时的反射特性。
在一般情况下，光线以一定的角度入射到分界面上，这时，要对两种偏振分别计算反射率和透射率。假设入射光为平面电磁波E ，并在波前平面内的偏振分量p 波和与该平面垂直的分量s 波，反射波和透射波也做同样的分解，用上标i 、r 和t 分别代表入射波、反射波和投射波。于是，p 波和s 波的反射率和透射率分别为图2-1 光线在单一界面上的反射
tan()tan()
r p
i t p i p
i t E r E ϕϕϕϕ-=
=
+
2cos sin cos()sin()
t p
i t
p i p i t i t E t E ϕϕϕϕϕϕ==
-+
sin()sin()r s i t s i s i t E r E ϕϕϕϕ-==
+
2cos sin sin()t s i t
s i s i t E t E ϕϕϕϕ==
+ (2-3)
定义介质的光学导纳
////||
||H K E η=
⨯ (2-4)
其中K 为与界面垂直方向的单位矢，H 和E 分别为磁场强度矢量和电场强度矢量，脚标“//”
指平行于界面的方向。η的大小既与介质的折射率n 有关，也与入射角i
ϕ和
t
ϕ有关，由折
射定律
sin sin i i t t
n n ϕϕ=和绝缘介质面上电磁场的边值关系
()0,()0
t i t i k E E k H H ⨯-=⨯-= (2-5)
以及E H 和的振幅比
////|H |
||
E =可以推出如下关系
,p cos cos i t i t
p p i t
n n ηηϕϕ=
=（波） (2-7a)
s t t cos ,cos s i t s i i n n ηϕηϕ==（波）
(2-7b)
于是可得振幅反射率及能量反射率
i i
r t
t ηηηη-=+ ( 2-8)
i 2
i ()t t
R ηηηη-=+ (2-9)
（2-8）、（2-9）两式中的η无论对于s p 波还是波都适用。（2-8）、(2-9）两式的形式与（2-1）、（2-2）两式完全相同，这就是说定义了介质的光学导纳η之后，我们就可以用同一形式的公式来处理问题而不必区分垂直还是斜入射。
由于不论对p 还是s ，在忽略吸收条件下都有
R+T=1(2-10)
因此，知道R 后，便可求得T 不必再直接计算。 3、单层膜的反射率
考虑在基片上单层膜平行平面薄膜的情况。光线入射时，会在界面I 和界面
上产生
多光束干涉，.对这种情况下计算器反射率可以发现，可把它看做是单一界面的情况，即可以把
012
n n n --的单层膜系统看做
0n Y
-的单一界面来处理，并且仍然可以用（2-9）式来
计算反射率R 。Y 称为单层膜系统的有效导纳。为了计算方便，我们采用矩阵法。单层膜系个各光学参数间的关系可用矩阵表示为：
111211
1sin cos 1sin cos i B C i δδηηηδ
δ⎛⎫
⎛⎫⎛⎫ ⎪= ⎪
⎪
⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪⎝⎭ (3-1)
等式右边2x2矩阵为膜层
1
n 的特征矩阵，其中
1111
2cos n d π
δϕλ
=
(3-2)
称为
1
n 膜层的相位因子，i 为虚数单位，2x1矩阵称为基底为
2
n 的特征矩阵。等式右边的矩
