
第十七期-增透膜初始膜堆及设计
- 分类:工艺讲堂
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- 发布时间:2021-03-24
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【概要描述】增透膜的带宽,是影响薄膜设计的重要因素。虽然第十期中曾经讲过这个概念,考虑到部分读者没有阅读过以往文章,这里重新叙述一遍。表征增透膜的参数主要由以下几个:目标范围内的平均剩余反射率Rave,目标范围内的大剩余反射率Rmax,及目标范围的带宽B。其中,目标范围的带宽由如下方法界
第十七期-增透膜初始膜堆及设计
【概要描述】增透膜的带宽,是影响薄膜设计的重要因素。虽然第十期中曾经讲过这个概念,考虑到部分读者没有阅读过以往文章,这里重新叙述一遍。表征增透膜的参数主要由以下几个:目标范围内的平均剩余反射率Rave,目标范围内的大剩余反射率Rmax,及目标范围的带宽B。其中,目标范围的带宽由如下方法界
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在第十期中,对增透膜所能达到的剩余反射率估算方法进行了介绍。其核心思想是,增透带宽与剩余反射率之间有一定的对应关系;增透带宽越大,薄膜所能达到的剩余反射率也越大。
在第十四期中,对增透膜设计中所用的一些基本概念进行了讲述,如等效层,等效界面,等效折射率,和导纳匹配原理等。并通过单层膜案例,对导纳图进行了讲解。
本期重点讲述多层增透膜的各种初始膜堆及设计。考虑到部分读者不太喜欢理论,本期不会讲述这些膜堆的由来,以及不同膜堆之间的理论演变。
一、增透膜带宽
增透膜的带宽,是影响薄膜设计的重要因素。虽然第十期中曾经讲过这个概念,考虑到部分读者没有阅读过以往文章,这里重新叙述一遍。表征增透膜的参数主要由以下几个:目标范围内的平均剩余反射率Rave,目标范围内的最大剩余反射率Rmax,及目标范围的带宽B。其中,目标范围的带宽由如下方法界定:。
λ2和λ1分别对应增透波段长的波长和短的波长。
增透膜设计的难易程度与增透带宽有很大关系。对于带宽小于2的增透膜,尤其是在可见光波段,已经有了成熟的解决方案。结合基板及薄膜材料,可以很便捷的给出初始薄膜结构,再利用数值优化方法,就可以得到理想的薄膜设计。这样的设计方案,由于膜层结构本身的特殊性,使得很容易制备。当带宽大于2时,优化得到的多层膜中,难免会出现厚度远小于膜层平均厚度甚至几个纳米厚度的超薄膜层。使得薄膜制备难度大大增加;关于误差厚度分析,可以参考公众号第九期内容。
二、不同带宽的增透膜初始膜堆
在后续叙述中所用的薄膜材料定义如下:
材料代号 |
膜料名称 |
折射率@550nm |
H-1 |
TiO2 |
2.35 |
L-1 |
SiO2 |
1.46 |
M |
Al2O3 |
1.68 |
F |
MgF2 |
1.387 |
2.1 2层膜系初始结构:0.26H1.32L,带宽B=753nm/433nm=1.74
2.2 3层膜系初始结构:M2HL,B=753nm/433nm=1.74
2.3 4层膜系结构:0.242H 0.327L 2.15H L ,B=750nm/412nm=1.82
2.4 6层膜系初始结构:0.18H 0.41L 0.73H 0.16L 0.72H 0.97L,B=760nm/395nm=1.92
2.5 7层 膜系初始结构:1.85L 0.23H 0.32L 1.14H 0.07L 0.55H 0.93L,B=800nm/393nm=2.04
2.6 本节小结
从上面给出的五种基础的AR膜系设计可以看出,随着层数增加,带宽也会逐步增加。
和第十期公式预测的一样,同样的初始结构,在最外层使用 MgF2后,带宽和剩余反射率都有改善。
三、宽带增透膜设计的普适性方法
考虑到B>2的膜系较难设计,小编给出了一种普适性的设计方法供大家参考。首先认识下(HL)^N。
中心波长反射带的左边可以认为是短波通,右边可以看做是长波通膜系,通带区域可以用作增透膜设计的初始膜堆。在λ/2、λ/3、λ/4、λ/5等倍频波长处会出现反射带,因此使用短波通结构的带宽无法做的很大。对于长波通膜系结构来说,它的通带很宽,这样可以设计超宽带增透膜。在设计增透膜的时候,通过上图可以看出,随着N的增加,通带波纹变多且靠近反射带两边的位置各有一个较大的次峰,这会为增透膜的优化带来困难,因此需要选择合适的N值。下面具体举例说明。
3.1 短波通膜系结构 2(0.5L H 0.5L)^N N=4(B=800nm/393nm=2.04)
3.2 长波通膜系结构 0.55(0.5L H 0.5L)^N N=5(B=914nm/401nm=2.28)
3.3 小结
短波通膜系优化完后的增透膜具有的优点是膜系中几乎无薄层。但缺点也很明显,就是带宽B无法做的很大,这是由于在λ/2、λ/3、λ/4、λ/5等倍频波长处会出现反射带,所以这种结构的带宽无法做的很大。因此在设计光谱的时候,需要选取好膜堆前面的系数,以此来适配光谱带宽的要求。
长波通膜系化完后的增透膜具有的优点是有更宽的带宽 ,可以用来设计带宽B>2的超宽带增透膜,但其缺点也是很明显,就是设计的膜系中有许多极薄层,这样会衍生出其他一些问题和难题,比如镀膜的稳定性、电子束蒸发的控制精度有较高的要求。
同样的,无论初始结构如何,在最外层对于添加MgF2,光谱的带宽和剩余反射率都有改善。
四、超低剩余反射率增透膜设计的普适性方法
对于确定的带宽,通常要求超低的剩余反射率。小编会举例给出这种情况的处理方法。其基本方法是(AR)^N。其中AR决定了带宽,N决定了所能达到的剩余反射率,一般来讲,N越大,剩余反射率越小;当N达到一定值后,剩余反射率也会趋向于一个确定值。这个值的估算在第十期中有讲述。下面举例说明。
4.1 膜系结构(0.242H 0.327L 2.15H L )^N
由上图我们可以看出,随着N的增大 ,剩余反射率变小,同时波纹在增多,当N=1时,剩余反射率没有N=5和N=11时的好,但N=5和N=11的剩余反射率在数据上没有太大的差异,可以认为N=5是这种结构的剩余反射率的极限。在实际镀膜时,需考虑到镀膜效率和稳定性的问题,需减少膜层的总厚度以及极薄层的数量,实际的N值将小于5
4.2 膜系结构(2.035L 0.253H 0.352L 1.254H 0.077L 0.605H 1.023L)^N
由上图我们可以看出,随着N的增大 ,剩余反射率变小,但波纹也在增多,在实际生产和调试的时候,在保证带宽和反射率的情况下,尽量减少增透膜的波数量以及膜层当中的极薄层,可选择N=3这种结构。
五、总结
介绍了几种常见的增透膜初始膜堆。读者可以利用这些初始膜堆,可以很快捷的设计出所需要的增透膜。
介绍了长波通和短波通结构设计增透膜的方法,以及各自的优缺点。
给出了超低剩余反射率增透膜的设计方法。
无论初始结构如何,在膜系最外层加一层MgF2,都可以改善光谱的带宽和剩余反射率。这个结论可以推而广之,最外层薄膜的折射率越接近出射介质,对光谱的改善效果越明显。
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