1、光學(gungxu)多道與氫氘光譜摘要(zhiyo) 本實驗應用真空鍍膜機和雙光束紫外和可見光分光光度計的實驗裝置，采用熱蒸發的方法在玻璃基片上制作多層介質的干涉濾光片，以及(yj)采用極值法進行膜厚監控，鍍制了一塊多層介質膜法布里珀羅型干涉濾光片；測量了其參數如濾光片的峰值波長峰值透過率和半高寬以及濾光片的透射特性曲線。實驗鍍制的濾光片的峰值波長為690.22nm，峰值透過率為87.8%，相對半寬度為6.3%，濾光片的透射特性曲線如附頁所示。關鍵詞 干涉濾光片 透射率 有效導納 真空鍍膜機 分光光度計一、引言自然界中有許許多多美麗的觀賞效果都是與透明膜層的反射光波的折射有關。從發現薄膜的干涉

2、色彩現象起，特別是1930年真空蒸發設備出現以后，人們對薄膜科學技術進行了大量的研究，現在可用各種各樣的方式將具有不同折射率的多次介質薄膜沉積在玻璃基片或金屬基片上，以達到控制光的目的，如減光膜、反射鏡和光學濾光片等。光學薄膜在日常生活、供應和科學技術等許多領域用著重要的應用。 在光學薄膜技術中，多層多周期的光學薄膜最為突出，而再帶干涉濾光片則是這一技術中最主要的應用之一，它是將寬帶光譜變為窄帶光譜的光學元件。一種典型的干涉濾光片是在玻璃基片上鍍制“銀介質銀”三層膜，前后兩次銀膜構成兩個相互平行的高反射率板。銀層反射率的主要作用是決定了法布里珀羅型干涉腔的精細常數。因銀層具有很強的吸收，用銀作

3、反射層的“金屬介質”干涉濾光片的透射率很難高于40%。而用多層透明介質膜構成的高反射率膜板代替銀層構成的干涉濾光片能彌補這一缺點，可使峰值透過率高達80%以上，這就是全介質型干涉濾光片。光學濾光片在與光學應用技術有關的各個學科技術領域中起著重要的作用。隨著真空鍍膜技術的發展，法布里珀羅型的干涉濾光片得到了真正的巨大發展，使得我們可能在任何一個光譜區內獲得窄帶的、具有良好透射比的優異光學質量的濾光片。它在光學、光譜線、光通信、激光以及天文物理學等許多領域得到了廣泛的應用。 本實驗采用熱蒸發的方法在玻璃基片上制作多層介質的干涉濾光片，及采用極值法進行膜厚監控，并對濾光片的主要參數進行測量。通過實驗

4、，掌握干涉濾光片的原理，并熟悉真空系統(xtng)的操作和濾光片的鍍制過程。 二、原理(yunl)2.1真空(zhnkng)鍍膜對真空的要求 真空室內的剩余氣體越少，固體物質蒸發的分子與氣體碰撞的幾率就越小。真空室內氣體分子的平均自由程應該大于蒸發物與被鍍基片的距離，只有這樣固體分子才能無阻擋的直線到達被鍍基片的表面。 在室溫下，空氣分子的平均自由程大約為 111m。有理論指出，在達到平均自由程的 1%時，有99%的分子可以不經過碰撞到達基片。蒸發時一般選擇的平均自由程為蒸發物與被鍍基片距離的 23 倍。在實驗室中，蒸發物與被鍍基片的距離在 20cm 左右，相應的氣體壓強為 1 QUOTE 1

5、 QUOTE Pa，但在真空前真空度往往要高一些。 2.2反射膜 2.2.1光在單一分界面上的反射光線垂直入射到透明介質表面時，反射系數 r 和反射率R 分別為 QUOTE 其中 QUOTE 和 QUOTE 分別為兩種介質的折射率。對于一般情況而言，光線以一定的角度入射到分界面上，這時就要對兩種偏振分量計算反射率和透過率。 定義光學導納 QUOTE 其中(qzhng)，k為與界面垂直方向上的單位失，H和E分別為磁場強度矢量和典藏強度矢量，角標“”指平行于界面(jimin)的方向， QUOTE 的大小(dxio)既與介質的折射率n有關，也與入射角和折射角有關。 通過菲涅耳公式，折射定律以及絕緣介

6、質界面上電磁場的邊值關系的推導可知：（1）（2）兩式對于 p 波和s 波都適用，故不再區分光線是垂直入射還是斜入射。 由于不論是 p 分量還是s 分量，在忽略吸收的條件下都有2.2.2單層膜的反射率 考慮在基片上鍍單層平行平面的情況，對這種情況計算其反射率發現，可把它看做單一界面的情況，可引入單層膜系統的有效導納Y，單層膜系各光學參數間的關系可用矩陣表示為等式右方 QUOTE 舉著為膜層 QUOTE 的特征矩陣，其中稱為 QUOTE 膜層的相位因子，單層膜的反射率為2.2.3 多層膜的反射率對于多層介質膜系，也可以把膜層 QUOTE ， QUOTE ， QUOTE 和基底 QUOTE 等效成有

7、效導納為Y的單一界面，此時 QUOTE 仍成立，而 QUOTE 應為其中(qzhng) QUOTE 為第i層膜的特征矩陣，即整個膜系的所有(suyu)光學參數及其對反射特性的影響取決于各膜層的特征矩陣的乘積。在相位(xingwi)因子 QUOTE 中， QUOTE 稱為第i層膜的光學厚度，當它是 QUOTE 的整數倍時，膜層為 QUOTE 膜層。若每層膜的光學厚度都是 QUOTE 的整數倍，則整個膜系稱為 QUOTE 字母的排列“GHLH”表示膜系的情況，其中，H、L分別表示光學厚度為 QUOTE 的高、低折射率膜層，G為基片，對 QUOTE 膜系， QUOTE .2.3窄帶全介質干涉濾光片2

8、.3.1膜系結構窄帶全介質干涉濾光片的典型膜系為G QUOTE ) QUOTE ).其中，j為HL的重復周期。這種法布里珀羅型膜系對控制波長 QUOTE 有極大透過率值，而對于其他波長則均低于此值。對于控制波長 QUOTE ，所以得到干涉極大，由于可知，對于波長 QUOTE 的光波，間隔層光學厚度為其半波長 QUOTE 的 QUOTE 倍，因此也是干涉極大。2.3.2干涉濾光片的帶寬一般定義通帶半寬度若間隔層對控制波長干涉幾次m增大，即對 QUOTE ，有 QUOTE ，則可見，對給定的峰值(fn zh)波長 QUOTE ，R越大， QUOTE 越小；干涉級次m越大， QUOTE 。實際鍍制時

9、并不能過多增加干涉級次來獲得窄帶寬，因為m越大，不希望有的次峰就更難消除。當間隔層厚度超過第四級次是，就開始(kish)顯得粗糙，使得更高級次完全失去其實用價值。2.4膜厚的監控(jin kn) 控制每一層介質膜的厚度是制備多層介質膜的關鍵。本實驗采用光學極值法對膜的厚度進行控制。當膜層的光學厚度為 QUOTE 的整數倍時，薄膜的透過率或反射率出現極值，即膜的透射率與反射率隨膜的厚度的增加而呈周期性變化。實驗中通過出現極值的特點來達到對膜厚的監控，即電信號從每個極小值到極大所對應的膜厚變化為 QUOTE ，反之，電信號從每個極大值到極小所對應的膜厚變化也為 QUOTE 。這種方法僅適用于 QU

10、OTE /4 膜系。三、實驗3.1實驗裝置本實驗的對干涉濾光片鍍膜的裝置為國產DM-450型真空鍍膜機，如圖1所示，鍍膜時以H層、L層交替加熱進行蒸發；測量干涉濾光片的透射特性曲線的裝置為TU-1221雙光束紫外和可見光分光光度計上進行，直接測量T- QUOTE 曲線，并從曲線上求出介質干涉濾光片的三個主要參數 QUOTE 。光度計的光路系統圖如圖2所示。圖1 真空鍍膜機 圖2 紫外和可見光分光(fn un)光度計3.2濾光片的鍍制 先用吸塵器對鍍膜機進行清潔處理；用干凈的布片和有機溶劑對基片進行清潔；按照鍍膜機操作規程對真空室進行抽真空，當真空度達到(d do)要求后，按照（HL）32H（L

11、H）膜系的順序(shnx)采用 QUOTE /4極值法控制膜厚進行鍍膜。3.3光學薄膜的測量按照真空鍍膜機的操作取出干涉濾光片之后，利用TU-1221用雙光束紫外和可見光分光光度計測量濾光片的透射特性曲線以及濾光片的峰值波長 QUOTE 峰值透過率 QUOTE 和半高寬 QUOTE 。四、數據處理與實驗結果分析4.1濾光片的鍍制濾光片的鍍制過程中，控制每一層介質膜的厚度是制備多層介質膜的關鍵。實驗過程中加熱電流和透射率變化如表1所示。膜層加熱電流（A）T(R)% (初始值92.0)H14668.0L13289.1H14442.7L13058.8H14515.7L13025H1454.7H143

12、20.8L13513.7H15029.7表1 鍍膜過程(guchng)中的加熱電流和透射率變化4.2光學薄膜的測量(cling)干涉(gnsh)濾光片的透射特性曲線如附頁打印圖所示， 峰值波長為690.22nm，峰值透過率為87.8%，相對半寬度為6.3%。誤差分析：實驗結果與與理論結果相差較大，原因有實驗要求鍍的膜為（HL）32H（LH）3，而我們鍍的是（HL）32H（LH），減少鍍膜層數會對折射率、峰值波長等性質造成影響。在實驗過程中由于溫度過高靶材發生了炸裂，導致了鍍膜不均勻，從而產生誤差。五、實驗結論 實驗鍍制的濾光片的峰值波長為690.22nm，峰值透過率為87.8%，相對半寬度為6.3%，濾光片的透射特性曲線如附頁所示。六、參考文獻熊俊.近代物理實驗.北京.北京師范大學出版社