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激光薄膜光学常数和膜厚均匀性的研究

廖振兴  
【摘要】:相对于光学薄膜的设计而言,光学薄膜的制备工艺显得更为基础和重要。制备工艺决定设计的实现,而新的设计又会对制备工艺提出更高的要求。就激光薄膜的制备工艺而言,主要包括膜厚监控、膜厚均匀性控制、薄膜光学常数确定、离子辅助镀工艺以及后续的薄膜测试等方面。 为了制备大面积、高质量的激光薄膜,提高镀膜的成品率,薄膜光学常数的准确测定和优良的膜厚均匀性就显得尤为重要。本文以此为出发点,对薄膜光学常数和膜厚均匀性进行了系统的理论分析和深入的实验研究。 对薄膜光学常数数值模拟的常用研究方法进行了介绍和比较,在塞耳迈尔色散关系研究的基础上,提出了改进后的最优化方法。该方法考虑到消光系数对透射光谱的影响和引入了物理约束条件,具有更高的测量精度和拟和效率,而且特别适用于弱吸收薄膜的测量。本文以Ta_2O_5弱吸收薄膜为例,对最优化方法从原理到应用分别进行详细的介绍,精度分析证明该方法折射率误差为0.004,消光系数误差小于1e-4,膜厚误差为0.32%。 理论分析了点、面蒸发源的余弦发射特性,提出其修正模型,推导了各种常规夹具的膜厚均匀性计算公式,并结合作者镀膜中的实际情况,进行了各种夹具膜厚均匀性的模拟计算和实验,为膜厚均匀性的改进提供了充分的依据。文中重点讨论了平板型和球面型行星夹具的膜厚均匀性,给出了它们的膜厚分布计算公式。为了完善膜厚均匀性模型,我们就低背景气压和离子辅助镀对膜厚均匀性的影响进行了分析,总结出虚拟源和cosnφ分布两种有用的修正方法。利用最优化方法对几种常用激光薄膜材料(MgF_2、ZnS、Ta_2O_5和SiO_2)进行分析,得到它们实用的光学常数,为本实验室建立了自己的膜系设计数据库。通过对DYC-900 型大口径镀膜机膜厚均匀性改进方案的提出和实验,使其膜厚均匀性在锥面径向0~150mm 的范围内提升到98%,能够满足光学薄膜批量生产的要求。特别,为ES-26CB 型镀膜机设计、制作了一套平行平板型行星夹具,实验证明它的膜厚均匀性达到98.5%,目前该行星夹具使用正常,为本实验室制备高质量、大面积薄膜提供了保证。


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