干涉滤光片

干涉滤光片的设计与制造

实验报告

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一、玻璃(折射率为1.52)表面制备ITO薄膜(折射率为1.9)，当薄膜光学厚度为



000

/4(取500nm)时，理论计算ITO薄膜在处的透过率，并判断该薄膜是增

透膜还是增反膜。

1、薄膜在处透过率的计算



0

讨论光线正入射,各介质吸收系数k=0的情况,

n

1

n

2

r

1

r

2

图1 薄膜透过率计算光路图

1、2光线在介质n上表面的光程差2nh2

1



00

42





22





00

0

2

由于光线正入射且不考虑介质吸收率，故在薄膜n上表面的反射系数r,玻璃基板n上表面

112

的反射系数r计算公式如下：

2

r,r

12

nn11.99nn1.91.5219

0112

nn11.929nn1.91.52171

0112

依据单层膜反射率计算公式：

22

r2rrcosr

1122



R

22

12rrcosrr

1212



将r,r，代入得R0.1660

12



T1-R0.8340

2、薄膜功能判断

1)对比不镀膜的情况

若未向玻璃基板上镀ITO薄膜，则玻璃基板表面的反射系数为

r

nn11.5213

0

2

nn11.5263

0

2

，

R|r|()0.0426

22

13

,

63

小于镀膜时的反射率由于光线正入射，故玻璃表面反射率为

0.1660，故该模型中ITO薄膜为增反膜。

2）从薄膜表面光线的干涉情况考虑：

由于n>n,故光线1在薄膜与玻璃的界面反射时产生半波损失，所以1、2光线在薄膜

1

,

上表面的实际相位差为



'2

，这表明，1、2光线在薄膜表面经干涉加强，即薄

膜表面反射光加强，这是增反膜的原理。

二、简述窄带滤光片的作用及工作原理并设计如下滤光片(给出膜系结构及设计

曲线)：

入射介质＝1；出射介质＝1.52；入射角＝；中心波长＝450nm，中心波

n

000

n

g



0



长透过率大于85%，透射光谱的半宽度小于50nm。使用n＝2.0（SiN）， n＝1.48（SiO）

H34L2

。



答：

1、窄带滤光片的作用：

让光源中某一窄带光谱的光波以尽可能高的透射率通过，而使其他光谱范围

的光波衰减，以获得单色性良好的准单色光。

2、工作原理：

窄带滤光片是由两块内表面镀有高反射膜（介质或金属膜）的相互平行的高

平面度玻璃板或石英板组成，在内表面之间形成多次反射以产生多光束之间的干

涉。

其原理可由多光束干涉极大值条件来解释，即：

图2 多光束干涉

niNN



M

4d





22

sin2(0,1,2,)

当相干光束数目很大时，对于确定的n、d、i值，光源中只有严格满足上述

条件的波长成分才能基本无衰减地透过，微小偏离上述条件的波长成分将由于近

似相消干涉而衰减，于是实现了窄带滤波。

当入射角i=0°时，透射波长可表示为：。这说明干涉滤光片透

射光波的光谱也是一种“沟槽光谱”。

3、滤光片设计：

方案1 (HL)HLL(HL)H (12层)

22



N



2dn

N

图3 方案1设计曲线

所得数据如下：中心波长450nm处的透过率为95.74%,大于85%；该透过

率的一半为47.87%，对应的波长分别约为436.2nm和 464.7nm，故透射光谱的

半宽度约为28.5nm,小于50nm。该设计合题意。

分析半宽度时也可用此方法：如图，425nm处对应透过率为24.48%,475nm

处对应的透过率为27.76%,两处透过率均小于47.87% ,故透射光谱的半宽度一定

小于475-425=50nm。

方案2 (HL)H(HL)H （10层）

22

图4 方案2设计曲线

所得数据如下：中心波长450nm处的透过率为95.74%,大于85%；该透过率

的一半为47.87%，对应的波长分别约为429.0nm和 473.1nm，故透射光谱的半

宽度约为44.1nm,小于50nm。该设计合题意。

同样，分析半宽度时也可用此方法：如图，425nm处对应透过40.37%,475nm

处对应的透过率为44.78%,两处透过率均小于47.87% ,故透射光谱的半宽度一定

小于475-425=50nm。

三、简述窄带滤光片的制备过程，给出实际滤光片的测试结果(中心波长、峰值

透过率，光谱半宽度)，利用干涉理论分析实际结果和理论设计值的差别及产生

差别的原因。

答：本次实验采用方案1，即 (HL)HLL(HL)H，制备干涉滤光片的方法为等离

22

子体增强化学气相沉积法，英文缩写为PECVD，实验设备如图：

图5 实验设备的结构及外观图

（一）制备过程

1、清洗镀膜机（图5），安装监控片，将待蒸发的薄膜材料放入蒸发容器中；

2、清洗玻璃基片，由于设计要求不高，镜片只用酒精进行擦拭；

3、根据膜系设计的结果将设计参数置入镀膜机的控制系统；然后在控制系统

的监控下镀膜机镀膜机全自动镀制干涉滤光片。设备具体操作如下：

1）开机

a) 开机前准备：打开总电闸、电脑、空压机、冷却水、液氮阀门（罐上

阀门和气路版阀门）。

b) 开机：弹起设备紧急制动，按下绿色电源按钮，打开PC端控制软件；

启动泵。

2）沉积工艺过程

a)工艺前准备：确认工艺需要的气体源，打开相应阀门（反应气体和高纯

氮）；本次实验需要N/SiHN、NH、NO等气体。

24、232

b)加热器预热：chamber抽真空至ba pressure（默认6mTorr）后在软

件chamber界面温度区输入预加温度，依次按run，stop（至300℃约二

十分钟）。

c) Recipe设置：在recipe界面点击automatic编辑确定工艺步骤及详

细参数（气体流量，气压，温度，高低频功率及时间，工艺沉积时间）；

首先，根据单层膜H与L的几何厚度、沉积速度，以及系统给出的时

间，计算出在H层与L层几何厚度下，需要PECVD反应的沉积时间。

Si3N4 100nm——60s SiO2 300nm——80s

56.250nm——33.75s 76.014nm——20.27s

(近似取整) 56nm——34s 76nm——21s

得出反应时间之后，还要确定反应的温度，高低电压以及其持续时间

等。将所有数据输入到控制PECVD设备的软件中，编辑好每一层单层膜制

备的数据。

需要注意的是，由于中间为LL两层相同单层膜，可以直接将时间调

整为两倍。

图6为H单层膜编辑页面（数据非最终设定值）：

图6 H层参数编辑页面

图7为L单层膜编辑页面（数据非最终设定值）：

图7 L层参数编辑页面

d) Condition：确定并设定工艺参数后以此工艺在condition wafer上进

行10-20分钟的预沉积，此时应当打开尾气处理系统（喷淋和燃烧）；

e) 沉积操作：放入沉积衬底，依次按设定好的recipe点击run自动进行；

f) 工艺完成后及时取出样品保存。

图8 制备完成的样品

3）关机

a)确定取出样品后关闭传送舱盖，抽至真空状态。

b)关闭所有气路，高纯氮瓶口阀门和气路板阀门，特气柜应当关闭气动

阀）。关闭尾气处理系统；

c)按下设备红色按钮并按下制动阀门，关闭电脑，总电源，冷却水，空压

机。

4、滤光片参数性能检测

1) 从镀膜机室取出干涉滤光片，在图6所示的分光光度计中测试滤光片的光学特性，扫描

区间是380nm~800nm,；

2) 将测得的滤光片透过率曲线和设计的曲线进行比较和分析。

（二）测试结果

将干涉滤光片放在分光光度计内进行性能检测，扫描区间是380nm~800nm。

扫描结果如下图。

图9 UV-28025型分光光度计

滤光片实际测量所得性能参数如下：

中心波长：457nm

峰值透过率：77.6%

光谱半宽度：28nm（472nm——444nm）

而用软件分析理论所得透过率曲线图如下：

理论性能参数为：

中心波长：450nm

峰值透过率：95.68%

光谱半宽度：28.5nm(436.2nm——464.7nm)

（三）对比理论与实际的差异

由曲线图走势来看，实际曲线与理论分析十分接近，形状基本相符，但具体

性能参数上有一些差别，表现为：

1、实际中心波长比理论中心波长大7nm；

2、实际峰值透过率远比理论峰值透过率低18.08%；

3、光谱半宽度与理论值基本相符。

（四）分析差异产生的原因

1、中心波长向右漂移7nm

由干涉滤光片的基本原理出发：

由分析得知，波长满足如下关系的光会经干涉得极大值：

dnsini2N



M

4





0

22



N



2dn

N

由，得中心波长

i0

N取1即为所求中心波长，可看出，若dn即介质光学厚度增大,则会导致中

心波长增大。此次所制备的滤光片中部为SiO（L层），H层为SiN。由分析

234

知，H层或L层光学厚度nd的增大均会导致中心波长的增大。故以下从两方面

分析可能原因：

（1）d增大：

① 由于某些因素导致实际沉积时间过长。如，实际沉积时间大于理论值——

本次实验H层与L层所设置的沉积时间均为近似取整后的结果，单层H层设为

34s，单层L层设为21s。而较为精确计算所得为H层沉积33.75s ，L层沉积20.27s。

这表明H、L层的实际沉积时间均略大于理论精确所得时间，故沉积厚度大于理

论值。或者在实际操作中由于设备不够精确的原因，导致沉积的时间大于设置时

间，从而使薄膜厚度大于理想值。

② 沉积速率在某个时间段过快。经查阅相关资料，可能情况之一为：SiO2膜

淀积开始时自偏压较大，淀积速率较快，随着淀积的进行，自偏压逐渐降低，淀

积速率变慢。一定时间后，自偏压不再变化，SiO2的淀积速率趋于稳定。故在

稳定之前，由于自偏压过大导致淀积速率大于预设值，从而导致最终淀积厚度大

于预设值。

（2）n增大：

由于反应过程不完全或反应条件出现偏差、干扰等各种可能因素，导致所制

备SiO、SiN膜中混有杂质，这样的话，介质层所对应的折射率就有可能大于

234

理论值，影响了光学膜的光学厚度。

（3）工作条件相关参数的影响

PECVD设备制造滤光片时相关工作参数的偏移，如气体流量、气压、温度、

高低频功率及时间等均会对薄膜的沉积速率以及折射率等特性产生一定的影响，

从而导致薄膜的光学厚度dn增大。

经查阅资料，得到关于窄带滤光片制作过程工作参数、工作条件对生成膜特

性的影响的实验数据报告。如图为一定条件下，用控制变量法研究温度、射频功

率、反应气压以及气体流量比等工艺参数对SiO薄膜光学性能的影响。

2

n

n

n

n

由图可知，上述自变量的改变均会对薄膜沉积速率、折射率产生一定影响。

其中，沉积速率的变化直接影响薄膜的厚度。故可知，实际工作中，诸如上述的

条件参数若相对于理论设置值有所偏差，则会影响最终制成的薄膜的光学厚度

dn，这可能是本次实验所制备薄膜dn增大的原因。

2、实际峰值透过率远比理值低

答：中心透过率的定义是中心波长透过的最大光强度与入射光强度的比值，

即。造成透过率低于理论值的可能原因如下：

T

M

I

TM

I

0

由于在干涉过程中各层介质的吸收和散射损失（实际吸收率k不为零），使

得中心透过波长最大光强度降低，导致中心透过率降低。而且我们所做的薄膜窄

带滤光片是根据法——珀干涉仪制成的干涉膜系，但是实践证明，法——珀干涉

片必须用在较低的干涉级次，因为我们设计的膜系达到了12层，增加了各层介

质的吸收和散射，压低了峰值透过率。

3、中心透射光谱半宽度基本相符

本次设计理论计算所得中心透射光谱半宽度约为28.5nm，而实际制备所得

滤光片光谱半宽度为28nm。由于实验设备精度的原因实际所得数据未精确到

0.1nm,但可认为实验数据与理论计算偏差较小，基本相符。若有所偏差，则较大

可能是实际半宽度略小于28.5nm,以下分析可能原因。



N



1





2

N





2dn









，可以看出光谱半宽度随反由中心透射光谱半宽度

射率的增大而减小，故在不考虑中心波长的偏移的情况下，薄膜反射率增大是



半宽度减小的原因之一。而反射率与介质折射率有关，由单层膜反射率



nn

01













，若固定，由半波宽度减小可以推出所镀膜折射率偏大。折射率

n

0



nn

01

2

偏大原因前述已进行过讨论，如生成薄膜中混有杂质等，在此不再赘述。

其次，光学厚度dn增大也会导致半宽度减小，而dn增大的原因在前文中已

有所讨论，不再赘述。

4、测试误差

（1）仪器本身性能带来的误差

本次对所制备滤光片性能参数的测试应用仪器为 UV-28025型分光光度计。

故该仪器本身性能带来的误差因素，如杂散光的影响、仪器噪声对测透射率的影

响、波长和吸光度准确度等等，都会对最终结果造成影响。

（2）测量条件的选择

测试波长的选择、吸光度范围的选择、狭缝宽度的选择、温度的选定等等y

都会对最终测量结果的准确性造成影响，这些属于人为因素造成的测试误差。

除以上两种误差来源外，该测试过程还可能存在其他误差，这是实验过程中

不可避免的。但是我们可以通过分析、思考，以改进测试方式，从而提高测量结

果的精确程度。例如多次测试取平均值、根据实验分析选取最佳测试条件等。

四、本次实验收获和建议

收获

实验是将理论付诸于实践的过程。在实践中，既能加深对理论知识的理解，

又能体会到实际与理论的差异性。本次实验我对这一点的体验更加深刻。

时隔两个月，再次翻看物理光学的相关知识，已有些生疏。而要进行干涉滤

光片的设计与制作，必然要先搞清楚它的基本原理。所以我不得不仔细复习有关

多光束干涉的相关知识，并学习一些新的有关薄膜制备的理论知识，了解相关设

备的结构组成及工作原理。因此，对实验的前期准备及后期数据的处理、分析促

使了我“温故而知新”。

实际与理论总是存在着差异。实验所得数据与理论计算所得数值存在的偏差

是永远不可避免的。而探寻并分析差异产生的原因便要从实验原理出发，考虑系

统误差、偶然误差、反应条件等一系列可能影响实验结果的因素。这一过程正加

深了我们对滤光片的工作原理、PECVD设备的工作原理的理解与认知。得到了

差异的原因，就要想办法，或是改进实验原理，或是减小误差，以尽量减小这些

差异，从而提高所得滤光片性能参数的精准度。所以说，每一次实验都是一次锻

炼我们分析问题、解决问题的能力的好机会，并且为我们今后进行科学研究、产

品设计提供宝贵的经验。

由于是小组一起实验，我们在实验前对滤光片的设计方案进行了探讨，并最

终确定了一致的方案。在实验结果的分析中，我们也多次进行探讨与交流。一个

人的思维往往会受到局限，所以，集思广益便成了解决问题的良策。这一次的小

组合作解决了我不少的疑惑，也锻炼了我的沟通协作能力。因此，交流与合作的

能力也是我的收获之一。

随着科技的发展，仪器设备的自动化已经达到了很高的水平。这次滤光片的

制备机器是牛津仪器公司生产的。只要我们做好前期的准备，在系统里输入准确

的工作参数，仪器便能自动进行镀膜的操作，且制备时间很短。这无疑使我大开

眼界。当然，我也希望自己能通过努力学习、探索，在不久的将来能设计出更加

智能的仪器设备，以促进科学技术的发展。

建议

天有不测风云，实验前一天晚上的雷电击坏了本次试验的相关设备，所以我

们小组很遗憾没有真正做成实验，只得拿别人的实验数据来做分析。所以我希望

学校在以后能及时解决设备故障的问题，以保证我们实验的顺利进行。毕竟，我

们对干涉滤光片的制备过程还是十分感兴趣的。

还有，前两个小组的实验过程主要是在学长的协作下完成的。如果条件允许，

我希望我们能在培训后，自己去完成制备的整个过程。当然，这需要我们对实验

的原理了解的十分透彻，对实验操作流程掌握得非常熟练。否则，将会造成对机

器的损坏。但只要有机会，我们就会多参加训练，努力提升自己的实验技能的。