薄膜光学知识点及答案2015年(1)

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1、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：0 =00rN sin0 = N sin 00 0 1 14. 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 f P=0 线偏光f P=1 其它0VPV16. 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

2、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。-tg（0 -0 ） r = i v ptg（0 +0 ）1 2= 2sin 0 cos 0p sin （0 +0 ）cos（01 -0 ）12 12sin（0 - 0 ）r = i 2 .s sin（0 +0 ）1 2=2sin 0 cos 0 sin（0+0 ）1211. 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

3、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）c11n = （）2 =（ 卩）2V 8r r0016. 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。n - （B B ） = 01 2n - （D D ） = 0n x （E E ） = 01 2n

4、 x （H H ） = 01 2薄膜光学：1. 【填空】整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉。2. 【填空】光学薄膜：镀膜眼镜、幕墙玻璃、滤光片、ITO膜、车灯、冷光镜、舞台灯光 滤光片、光通信领域中的DWDM、光纤薄膜器件、红外膜、投影显示列举五种镀有光学薄膜的物品：镀膜眼镜、幕墙玻璃、滤光片、ITO膜、车灯、冷光镜、舞 台灯光滤光片、光通信领域中的DWDM、光纤薄膜器件、红外膜、投影显示。3. 【填空】利用薄膜可以实现：减少反射，提高诱过率：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A4. 一束入射角为0的光入射到厚度为dl、折射率为n1的薄膜上产生的相位差为：26

5、 二4兀nd cosA /九1 110 ；双光束强度为：R = R + R 土 2 JR R cos26= r2 + r2 土 2rr cos261 2 1 2 1 2 1 2B旳详细计算过程：光线班和巾的干涉强度决定于它们的光程差.作0。 垂直于光线0 于是J仇和m的光程差d =站（且丘+BCf） 从圏上很容易找出下列几何关系：ABBOdi/cosei,AD=仏 a-sintg afn %此外，根据折射定律有时 ain 爲=阳 sin %把上面三式代入，得到光程差21严 细血cos珀*相应的相位差23=4am1d1 cos如果先不考虑光在界面1, 2上反射时的相位跃变，则当 光程差为甌庇08

6、血=1“ （w = 0, 1, 2, *时，将产生相长干涉，而当沏虹必啦砂=（流+1）爲/212 %）时，将产生相消干涉.干涉强度的计算，可先迭加反射光心和牝的振动：耳1 =犷1仇8-型=蚀 cos（3 26）,得到合振动为E =cos （p） t式中是合振幅冲是合振动相位*二者和让、伽、23有如下 关系：r3 =ri+ri + 勿口 cos2S, 龟甲=r2 sin 23 / （允+叫 cos 23） / 其中23 cos 兔/Ao*按照光强定义，反射光合振动的强度丑=泸，而丘就， 则双光束干涉强度的计算公式是用=爲斗 Kg 士2 J1?禺 cos 23j(1-5式中土号由丄和能的符号确定.

7、当心和昨同号时取加 号；而当仇和也异号时取减号.光滾由光疏媒质到光密媒 质反射时，反射振幅为负值，表示有诞的相位跃变宇相反当光 束由光密媒质到光疏媒质反射时，反射振幅为正值，表示段有 相位跃变.因此,上式中士号正是考虑了界面上反射时的相 位跃变情况，而23则仅指两反射光束经历不同的路径而引入 的相鱼聲一5. 单层膜的多光束干涉计算：薄膜光学2PPT中P26-296. 电磁场间的关系：H二N (kxE )1 1 1光学导纳：N二旦，这是N的另一种表达式 k x E称为光学导纳7. 光在两种材料界面上的反射：n -nr = o i,n =n +n01p -光：Ncos0s -光：N * cos 0

8、fn -noi5 +n01+n1、* 丿8. 掌握单层膜的特征矩阵公式：cos 5iin sin 5iii sin 5icos5i称为膜系的特征矩阵单层膜的反射系数和反射率为(Y八n y5 + Y丿0( Y八n - y ar - o , R =n +Y0n y5 + Y丿09. 掌握多层膜的特征矩阵公式：10. 【计算】偶数四分之一光学膜层的特征矩阵n 2n 2nY =r-3 T 旷- - -n 2n 2r -2 rn 2 n 2 n 2奇数四分之一光学膜层的特征矩阵：Y =r-4 r-2 -n 2 n 2 nr 一3 r-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：

9、薄膜光学3PPT中 P35】11. 【选择、填空】单层减反膜的设计方法：【薄膜光学3PPT中P37】12. 无论膜层是否有吸收，膜系的透射率与光的传播方向无关。13. 厚基片反射率和透射率的计算【薄膜光学3PPT中P52-54】14. 【选择、填空】有些镀膜元件表面反射的光色彩与入射光颜色不同，主要原因在于元件 表面对于光的反射在不同的波段不同。15. 单层入/4减反膜的缺点：反射率不够低，且不能够在整个可见光波段实现较低的反射。 双层入0/4-入0 / 4减反膜的优缺点：当满足=QY-化nyn n0时可使中心波长的反射率降为零；减反射曲线呈V字型，只能在较窄的光谱范围内有效地减反射。入0/4

10、-入0/2型双层增透膜的优缺点：在中心波长A 0两侧，可望有两个反射率极小值, 反射率曲线呈W型；在中心波长入0处的减反射效果不明显。16. A 0/4-A 0/2-A 0/4 型增透膜的优点：不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。17. 入0/4-A 0/2-A 0/4型增透膜:G/M2HL/A的设计。当其中有一膜层材料实际不存在时，应 可用奇数层高低交替的材料来替代xL/yH/xL或xH/yL/xH,该替代多层光学厚度之和必 须等于原来膜层的光学厚度。【薄膜光学5PPT中P25-42】18. 哪种膜层结构具有最佳的减反射特性？以下各项答案中的Glass，L, M和H折射率分别 代表玻璃基底、

11、低折射率材料、中折射率材料和高折射率材料。( D )A. Glass/L/H/Air；B. Glass/H/L/Air；C. Glass/M/H/LAir；D. Glass/H/2M/L/Air。19. 【简答】红外宽带减反膜多采用遥减法设计：(1) 膜层的厚度均为入0/4；(2) 各膜层折射率均按照如下规律排列：nsnknk-T_n0(3) 可证明，只要恰当的匹配膜层的折射率，k层膜就可以在k个波长位置实现零反射， 此时膜层折射率应满足：ni/n0=n2/ni=-=nk/nk-1=ns/nk(4) k个零反射点的波长分别为：k +1 k +1k +1九,九,九2(k -1) 0 2(k -

12、2) 04020.【计算】单层膜的反射率计算：R = (n0 -n12/ns)2/(n0 + n12/ns)2【一般不会超过50%】21. 【简答】高反射率膜堆应具有的特点：（1）高低折射率层交替，介质膜系两边的最外层为高折射率层；（2）介质层每层的厚度均为入/4。即为 G/H（L/H）S/A 形式。22. 【简答】如何提高反射膜堆的反射率？答：nH/nL越大，或层数（2S+1）越多，反射率 越高。23. 【简答、填空】典型的入0/4高反射介质膜堆特点：（ 1 ）存在一个高反射带；（2）膜层数越多，反射率稳步提高；（3）高反射带的（波数）宽度2g是有限的，随着层数的增加，宽度2g并不改变；（4

13、）在高反射带的两边，反射率陡然降为小的振荡着的数值，随着层数的增加，将增大反 射带内的反射率以及带外的振荡数目。24. 【简答】如何展宽高反射带？（1）膜系中膜层的厚度按算术（等差）级数或几何（等比）级数递增或递减；（2）将两个 或者多个中心波长不同的入0/4多层膜堆联合叠加使用。25. 【简答、选择】区分介质高反射膜与金属高反射膜，各自的优缺点？1、介质高反射膜：优点：吸收几乎为零；反射率接近100 缺点：价格昂贵、结构复杂用途：激光系统2、金属高反射膜： 优点：廉价、结构简单还具有以下特点：（1）高反射波段宽，几乎可以覆盖全部光频范围； （P29 反射率曲线）（2）不同金属膜层与基底附着能

14、力差别较大，如Al、Cr、Ni与玻璃附着牢固，Au、Ag与 玻璃附着能力很差；（ 3）化学稳定性差，易被环境气体腐蚀；（ 4）膜层软，易划伤。26. 【简答】在金属高反射膜中引入介质膜为何能够改善金属高反射膜的机械性能？ 答：一般采用金属介质高反射膜：（1）改善金属与基底的附着力，如G/Al2O3-Ag, G/Cr-Au；（2）高硬度透明膜对金属层起到保护作用；27. 【填空】分光膜可以分为分束膜和分色膜； 分色膜是按颜色（波长）不同讲行分光；分束膜是把一束光按比例分成光谱成分相同的两束光，在一定的波长区域内，如可见区内, 对各波长具有相同的透射率、反射率比例，因而反射光和透射光不具有颜色，并

15、呈中性。28. 【填空】中性分束镜可分成介质中性分光镜、偏振中性分束棱镜和金属中性分光镜。29. 【简答】介质中性分光镜特点：（1）因为无吸收，分光效率高；（2）偏振效应明显； （ 3）分光特性色散明显。介质中性分光镜结构：周期性多层介质膜系（LH）s。30. 【简答】如何改善分束镜分光曲线的平坦程度或者说色中性？(1) 可通过2H、2L、甚至2M提高分光曲线的平坦程度(色中性)；(2) 将膜系中的H层换成中等折射率的M膜层；(3) 整体调整H、L膜层材料，改变nH与片比值或通过改变膜厚来改变nH与片的比值。HLHL31. 【简答】偏振中性分束棱镜工作原理：利用斜入射时的偏振效应实现中性分束。

16、即，选 用膜层材料的折射率匹配满足布儒斯特角条件，使反射光的P分量为零，仅有S分量； 同时透射光尽量全部为P分量。偏振中性分束棱镜工作前提条件：仅适用于自然光或圆偏振光的中性分束。32. 【填空】下列哪种金属分光镜在较宽的光谱范围内中性较好，且机械性能与化学性能都 非常好？(A)A 镍铬合金( 80Ni-20Cr) B Ag C Al D Cr33. 【填空、选择】截止滤光片：要求某一波长范围的光束高效透射而偏离这一波长的光束 骤然变化为高反射(或称抑制)。长波通滤光片：抑制短波区、透射长波区的滤光片； 短波通滤光片：抑制长波区、透射短波区的滤光片选择题：下面哪种描述准确的给出了截止滤光片的定

17、义？ BA 抑制短波区、透射长波区的滤光片；B 要求某一波长范围的光束高效透射而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射；C 抑制长波区、透射短波区的滤光片；D 抑制两端波段、透射中间波段的滤光片。34. 截止滤光片分为吸收型、薄膜干涉型和吸收与干涉组合型。【填空】35. 【填空、选择】吸收型截止滤光片：应用最广泛 优点：- 材料来源广泛，如颜色玻璃、晶体、烧结多孔明胶、无机和有机液体以及吸 收薄膜；- 使用简单，对入射角不敏感-造价便宜或适中缺点：截止波长不能随便移动36. 选择题：下面哪种滤光片不属于吸收型滤光片？ BA 有色玻璃B (LH)3 介质膜C烧结多孔明胶D吸收薄膜37. 【选择】衡量

18、干涉截止滤光片的重要指标：1曲线开始上升（或下降）时的波长以及此曲线上升（或下降）的许可斜率2高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内许可的最小透射率3具有低透射率的反射带（抑制带）的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率选择题：哪个不是衡量干涉截止滤光片的指标？ DA 曲线开始上升（ 或下降）时的许可斜率B 高透/ 反射带的平均透/反射率C 高透/反射带在透射带内的最小透/反射率D 吸收系数38. 【简答】干涉截止滤光片压缩通带波纹的方法？1）选取适当的组合膜，如HLLH型的膜系在最外端稍加变化则可以用（L/2HL/2）n或 （H/2LH/2）n来替代，通过对H或L折射率材料的选择调

19、整周期性结构的等效折射率；使其 通带内的等效折射率与基片相接近。（前提：基片表面反射损失不太大）2）改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变到更接近预期值，要使这种方法有成效， 则要求光洁基片保持低的反射率。3）更常用的方法是在多层膜的两侧（靠近基底侧和靠近入射介质侧）加镀匹配层，使其同基 底以及入射介质匹配。39. 【填空】L/2HL/2适合短波通，H/2LH/2适合长波通40. 截止滤光片的应用：1、彩色分光膜；2、反热镜和冷光镜；3、红外截止滤光片（CCD 系统）。41. 【填空】反热镜：短波通滤光片，即抑制红外光，透射可见光 冷光镜：长波通滤光片，即透射近红外光，反射可见光42. 【

20、填空】常用的物理气相沉积（PVD）技术有：热蒸发；溅射；离子镀；离子辅助镀技 术。43. 【填空、简答】真空镀膜系统由哪几部分构成？物理气相沉积的过程中为何需 要高真空系统？答：真空镀膜机由真空系统、热蒸发系统、膜厚控制系统三部分构成。常温常压下，空气中存在大量气体分子，蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件；此外， 空气中活性气体分子与膜层、膜料、蒸发器反应，空气分子会进入膜层成为杂质，因此，镀 膜时要在高真空条件下进行。44. 什么样的真空条件下可以镀膜？列举23 种可以将真空腔抽到高真空的设备。 气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离时可以镀膜。可以将真空腔抽到高真 空的设备：

21、机械泵结合油扩散泵；机械泵结合低温冷凝泵；机械泵结合分子泵均可以实现高 真空。45. 热电偶真空计、热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计工作原理及各自适用的真空监测 范围？46. 热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计工作原理？其主要区别？ 热阴极电离真空计： 工作原理：具有足够能量的电子在运动中与气体分子碰撞，产生电离，形成正离子与电 子。电子在运动中与分子的碰撞次数正比于分子的密度，一定温度下也正比于气体压强， 故产生的正离子数也正比于气体压强。因此，电离是与压强有关的现象，可作为真空测 定原理的依据。冷阴极电离真空计：工作原理：放电管在压强（10-110-2Pa）较低时自持放电就熄灭，想要将下

22、限扩展到高 真空范围，可用磁场控制电子运动的方法，增加电子的路程，利用这种方法制成的真空 计，就是冷阴极电离真空计，也称磁控放电真空计。区别：冷阴极电离真空计中增加了一磁场，利用磁场控制电子运动的方法，增加电子的 路程。47. 热蒸发、溅射及离子镀、离子辅助镀的工作原理。4.1 PVD 制造工艺中影响膜层折射率的主要因素？（膜层的填充密度；微观组织物理结构； 化学成分）4.2 低真空度对膜层质量的影响？ 真空度低，碰撞几率增大，无法镀膜或可镀膜但吸附性小，机械强度差，膜层疏松；化学成 分不纯，折射率差，硬度差。4.3 对基片进行升温的优点有哪些？可能的缺点？（ 1 ）排除基片表面气体分子，增加

23、基片与沉积分子的结合力；（ 2）促使物理吸附向化学吸附转化，致使膜层紧密，附着力增强，机械强度提高；（ 3）减少蒸气分子再结晶温度与基片温度的差异，提高膜层聚集度，消除内应力。 缺点是膜料发生分解。4.4 镀膜时的蒸气入射角在什么范围为宜？（30 度以内）4.5 列举提高薄膜机械强度的工艺方法？（真空度；沉积速率；基片温度；离子轰击；基片 清洁）4.6 控制薄膜折射率的工艺途径有哪些？（高真空度；快的沉积速率；适当的基片温度；小 的膜料蒸气分子入射角）4.7 列举几种测试厚度的方法。（目视法；极值法；光电定值法；石英晶振法；宽光谱膜厚 监控）4.8光控法和晶控法各自的优缺点？光控法： 直接控制光学膜层的目标参数 T 或 R； 不同膜层的厚度误差有相互补偿作用； 对膜层厚度的控制精度较低。晶控法：控制精度高（O.lnm），易实现自动控制； 可直接监控成膜速率，便于工艺稳定重复； 可控制任意膜层厚度； 温度对石英晶体的频率影响较大，需要恒温措施。4.9 获得均匀膜层的方法？或者获得均匀膜层时对蒸发源的要求？或者改善膜层厚度均匀 性的措施有哪些？对于蒸发源与零件位置的要求： 点状蒸发源置于被镀件所在球面的球心； 面状蒸发源位于被镀件所在的同一球面上。改善膜层厚度均匀性的措施： 采用旋转夹具； 增设膜层厚度调节板。