《薄膜光学与技术》2012期末考试试题A-答案

12012-2013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1000nm。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ncosθ、n/cosθ。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n1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为ns，那么，该单层膜与基底的组合导纳为：snnY21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514.3nm。2二、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。答：错误。膜系中，低折射率膜层的光学厚度均为40，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cos2ndcos2nd3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MgF2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ng=1.52；薄膜nf=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gnnY2（2分）4故%26.1)38.152.138.152.1()()11(2222222nnnnYYRgg（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ggnnR（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MgF2，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；MgF2折射率为1.38；玻璃ng=1.46）解：组合导纳为7582.26646.138.115.2)(101210122522GLHGHLHnnnnnnnY（2分）峰值反射率%51.98)11(2YYR（2分）波数宽度14.0)arcsin(2LHLHnnnng（2分）波长宽度)(14014.05002/220nmgg（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441n32n521nLHG.,.,.，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）5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GHLnnnY（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(22YYR（3分）所以，膜系的透射率最终为%58.931RT（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（ng=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2141)2(41mm30%4%R400nm1500nm6得55041)2(91741mm（2分）解得m=3（1分）于是nmnmnd5.687550415（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ggbnnR（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(YYR且gfnnY2（2分）得%30)5.15.1()()11(2222222fffgfgnnnnnnYYR（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。