1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）1.1題目背景及研究意義光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，它是大部分光學(xué)元件中的最基本的元件，為了減低光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件表面反射對(duì)光學(xué)系統(tǒng)光能量的損失，同時(shí)減少雜散光對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響，一般都需要在光學(xué)元件的表面鍍制減反射薄膜。減反射膜又稱增透膜、AR膜、AR片、減反射膜、AR濾光片，它的主要功能是減少或消除透鏡、棱鏡、平面鏡等光學(xué)表面的反射光，從而增加這些元件的透光量，減少或消除系統(tǒng)的雜散光。它是以光的波動(dòng)性和干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。二個(gè)振幅相同，波長相同的光波疊加，那么光波的振幅增強(qiáng)；如果二個(gè)光波原由相同，波程相差，如果這二個(gè)光波疊加，那么互相抵消了。減反射膜就是利用了這個(gè)原理，在鏡片的表面鍍上減反射膜，使得膜層前后表面產(chǎn)生的反射光互相干擾，從而抵消了反射光，達(dá)到減反射的效果。最簡單的減反射膜是單層膜，它是鍍在光學(xué)零件光學(xué)表面上的一層折射率較低的薄膜。如果膜層的光學(xué)厚度是某一波長的四分之一，相鄰兩束光的光程差恰好為π,即振動(dòng)方向相反，疊加的結(jié)果使光學(xué)表面對(duì)該波長的反射光減少。適當(dāng)選擇膜層折射率，這時(shí)光學(xué)表面的反射光可以完全消除。一般情況下，采用單層增透膜很難達(dá)到理想的增透效果，為了在單波長實(shí)現(xiàn)零反射,或在較寬的光譜區(qū)達(dá)到好的增透效果，往往采用雙層、三層甚至更多層數(shù)的減反射膜。而減反射膜的應(yīng)用廣、產(chǎn)量大使它至今仍是光學(xué)薄膜技術(shù)中重要的研究課題，研究的重點(diǎn)則是尋找新材料，設(shè)計(jì)新膜系，改進(jìn)淀積工藝,使之用最少的層數(shù)，最簡單、最穩(wěn)定的工藝，獲得盡可能高的成品率，達(dá)到最理想的效果。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)使用波段的要求，減反射薄膜分為單波長減反射、寬帶減反射以及超寬帶減反射薄膜。目前對(duì)于單波段以及寬波段減反射薄膜的研究較為充分，而對(duì)于超寬帶減反射薄膜的研究較少，特別是400—900nm以上的超寬帶減反射薄膜的研究則更少。為此，提出“超寬帶減反射膜的研究”這一課題。二十世紀(jì)三十年代發(fā)現(xiàn)的減反射膜促進(jìn)了薄膜光學(xué)的早期發(fā)展。對(duì)于光學(xué)技術(shù)的推動(dòng)來說，在所有的光學(xué)薄膜中，減反射膜也起著最重要的作用。直至今天，就其生產(chǎn)的總量來說，它仍然超過所有其他的薄膜。因此，研究減反射膜的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)，對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐有著重要的意義。隨著科技的發(fā)展，以及超寬帶減反射膜設(shè)計(jì)的不斷研究，希望得到低的反射率，大的光譜寬帶，同時(shí)希望在更大的入射角范圍得到。而對(duì)于超寬帶減反射膜，可以通過改變一下參數(shù)來達(dá)到所需要求，基底材料、膜層材料、膜層厚度、膜層層數(shù)、設(shè)計(jì)方案等，通過不斷的嘗試，優(yōu)化，進(jìn)而獲得性能更好的超寬帶減反射膜。1.2.國內(nèi)外的相關(guān)研究1.2.1國內(nèi)減反射膜的研究。1980年1月，齊鈺[1]提供一種以Al2O3-ZrO2-MgF2三層減反膜為基礎(chǔ),應(yīng)用非均勻的中間層,實(shí)現(xiàn)消色差寬帶減反射,將玻璃表在可見區(qū)小于0.5%反射帶寬增加400μm。1983年4月，上海光機(jī)所的毛書正[2]采用四分之一波長整數(shù)倍膜系。膜系層數(shù)盡量少(三層到六層),就能使折射率從l.48至l.755的各種光學(xué)鏡頭的一個(gè)表面反射損失從3.75%一7.53%降低到0.35%以下。減反射光譜帶寬可達(dá)到整個(gè)可見光語區(qū)或從近紫外到近紅外光譜區(qū)。1985年2月，鄒自立[3]將減反射膜運(yùn)用到光纖通信中，用系統(tǒng)而間接的方法導(dǎo)出了在近紅外區(qū)(700-1700nm)鍍制寬帶減反射膜的一般條件。并在計(jì)算過程中指明了怎樣、何處、以何種方法求得帶寬最寬、損耗最低的反射率條件。1991年9月，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所齊鈺、鄭琪提出實(shí)現(xiàn)寬帶減反射膜系設(shè)計(jì)的新方法[4]。該方法成功地設(shè)計(jì)出在可見光譜區(qū)的平均剩余反射率小于0.2%、減反射帶寬390nm的四層等厚膜系。2004年，徐曉峰、張鳳山、范濱利用非均勻膜系理論設(shè)計(jì)寬角度多層減反射薄膜的方法[5]，選取Ta2O5和SiO2兩種材料作為折射率材料,選取BK7作為基底材料模擬設(shè)計(jì)了光譜區(qū)在600-700nm波段、入射角為0°-80°之間的寬角度多層減反射薄膜，膜系為48層，結(jié)果顯示：0°-80°入射角,600-700nm優(yōu)化波段，s光和p光透過率都超過了95%。達(dá)到了較理想的結(jié)果。同年10月，潘永強(qiáng)、朱昌在采用離子束輔助沉積硒化鋅基底8-12μm高性能增透膜的膜系，給出了用該方法制備的8-12μm波段寬帶減反射膜的實(shí)測光譜曲線[6],其峰值透過率高達(dá)99%以上,在設(shè)計(jì)波段范圍內(nèi)平均透過率大于98%，膜層附著性能好，光機(jī)性能穩(wěn)定。2007年，徐曉峰、杜西亮利用非均勻膜系理論設(shè)計(jì)寬角度多層減反射薄膜的方法,選取MgF2、HfO2和TiO23種材料作為折射率材料,選取BK7作為基底材料,模擬設(shè)計(jì)了光譜區(qū)在400-700nm波段、入射角為0°-70°的多層減反射薄膜,其P光和S光透過率達(dá)90%以上[7]。2009年2月，閆蘭琴、張樹玉等采用離子輔助沉積技術(shù)沉積ZnSe基底7-14μm波段寬帶增透膜，給出了用該方法制備的7-14μm波段寬帶減反射膜的實(shí)測光譜曲線,其峰值透過率高達(dá)98%以上,在設(shè)計(jì)波段范圍內(nèi)平均透過率大于97%,膜層附著性能好,光機(jī)性能穩(wěn)定。[8]同年7月，鄭臻榮、顧培夫設(shè)計(jì)了400-900nm波段上的超寬帶減反射膜[9],在410-850nm范圍內(nèi)的平均殘余反射率設(shè)計(jì)值約為0.2%，在設(shè)計(jì)的全波段上約為0.24%。實(shí)驗(yàn)制備了K9玻璃上TIO2/MgF2兩種材料組成的8層結(jié)構(gòu)的超寬帶減反射膜,實(shí)測結(jié)果表明,在帶寬520nm范圍內(nèi)的平均殘余反射率約為0.44%,說明用二種材料設(shè)計(jì)超寬帶減反射膜是成功的,對(duì)垂直入射的減反射膜,多種材料的膜系并不比兩種材料更具優(yōu)越性。1.2.2國外的相關(guān)研究1970年，J.W.BertholdIII[10]進(jìn)行了關(guān)于LiNiO3晶體作為基底鍍膜的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在以LiNiO3晶體作為基底鍍膜，三層膜所得到的反射膜帶寬比單層得到的要大。1983年，C.L.NagendraandG.K.M.Thutupalli提出新的設(shè)計(jì)方法[11]，運(yùn)用一個(gè)閉合的非線性近視技術(shù)精確控制各層膜的厚度。并成功地設(shè)計(jì)出了具有較寬寬帶減反射膜。1984年，PietervanderWerfandJanHaisma在近紅外處700-1700nm處獲得了寬帶減反射膜，這種膜可以被用在光纖通信系統(tǒng)中[12]。同年，HalukSankurandW.H.Southwell[13]運(yùn)用ZnSn作為基底，得到0.6-12.6μm帶寬的減反射膜，總的膜厚度為3μm，反射率小于3%，如果沒有ZnSe的話反射率則為17%。1987年，HowardHerzig,B.K.FlintandC.M.Fleetwood,Jr[14]提出LaF3+和LiYF4當(dāng)需要真空紫外線反射需要達(dá)到155nm時(shí)，可以替代MgF2，LaF3在121.6nm時(shí)非常有用。1997年，KonstantinV.Popov，J.A.Dobrowolski，AlexanderV.Tikhonravov和BrianT.Sullivan在理論上對(duì)入射角在0-50°變化，0.4-0.8μm的光進(jìn)行了設(shè)計(jì)[15]。1998年1月，F(xiàn)redericLemarquis,GerardMarchandandClaudeAmra將ZnSe作為基底[16]，設(shè)計(jì)出3.5-16μm的寬帶減反射膜，考慮了散射、吸收。2003年8月，ScottR.KennedyandMichaelJ.Brett[17]將入射角設(shè)置為30，獲得了帶寬為460nm，透射率為99.9%的膜層。2本課題研究的主要內(nèi)容擬采用的研究方案、研究方法或措施。2.1課題研究內(nèi)容查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解減反射薄膜的原理以及超寬帶減反射薄膜的發(fā)展。依據(jù)Willey最低平均反射率的經(jīng)驗(yàn)公式[18]對(duì)減反射薄膜的設(shè)計(jì)進(jìn)行理論分析。該課題的主要研究內(nèi)容如下：（1）學(xué)習(xí)TFC薄膜設(shè)計(jì)軟件的操作，這是一款光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)和分析的通用工具，也是完成本課題所必須掌握的；（2）掌握超寬帶減反射薄膜設(shè)計(jì)中Willey最低平均反射率的經(jīng)驗(yàn)公式中各符號(hào)的物理意義；（3）利用Willey最低平均反射率的經(jīng)驗(yàn)公式分析帶寬、最外層折射率、膜層高低折射率差值以及膜層厚度等因素對(duì)超寬帶減反射薄膜設(shè)計(jì)中最小反射率的影響關(guān)系；（4）利用TFC膜系設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)400—1100nm的超寬帶減反射薄膜，要求反射率≤0.8%，最大剩余反射率≤1.3%；（5）以400—1100nm超寬帶減反射薄膜的設(shè)計(jì)為例，分析最外層膜的折射率、膜層中高低折射率的差值以及膜層厚度對(duì)該減反射薄膜設(shè)計(jì)最終最低反射率的影響關(guān)系。2.2研究方案掌握Willey最低平均反射率的經(jīng)驗(yàn)公式掌握Willey最低平均反射率的經(jīng)驗(yàn)公式熟練TFC薄膜設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用掌握Willey公式中各符號(hào)的物理意義掌握Willey公式中各符號(hào)的物理意義了解帶寬、最外層折射率、膜層高低折射率差值以及膜層厚度與最小反射率的關(guān)系考慮膜料的透明范圍考慮膜料的透明范圍考慮膜料的折射率考慮膜料的折射率膜料的選擇考慮膜料的物理性狀考慮膜料的物理性狀膜系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化膜系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化膜系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖1本課題技術(shù)路線流程圖（1）Willey最低平均反射率經(jīng)驗(yàn)公式為：其中表示減反射帶寬，是減反射波長區(qū)的最大值，是最小值；是除最外層以外的高低折射率的差值，定義為。是最外層薄膜的折射率；是減反射膜總的光學(xué)厚度，以低反射帶中值波長為單位。即表示總的光學(xué)厚度為個(gè)平均值波長。（2）了解剩余反射率平均值與的函數(shù)關(guān)系：低反射帶寬度對(duì)可實(shí)現(xiàn)的反射率平均值有較大影響。帶寬越大，反射率平均值也越高。最外層膜的折射率對(duì)平均反射率有重要影響，盡可能采用有最低折射率的MgF2作為最外層膜的材料。除最外層膜以外，所采用的薄膜高低折射率的差值對(duì)平均反射率也有較大的影響。差值越大，反射率越低。此外，減反射膜總的厚度以及分成的膜層數(shù)對(duì)平均反射率的影響也是顯而易見的。（3）掌握TFCalc軟件的應(yīng)用。（4）根據(jù)課題的要求膜料的選擇最好符合以下條件：透明范圍400—1100，低折射率，低應(yīng)力等。因此盡可能采用有最低折射率的MgF2做為最外層膜的材料，但是除最外層膜以外，所采用的高低折射率的差值對(duì)平均反射率也有較大的影響。因此除了最外層的MgF2，其他則可以采用SiO2，這樣就會(huì)獲得盡可能低的應(yīng)力以及良好的機(jī)械強(qiáng)度。（5）膜系設(shè)計(jì)：超寬帶減反射膜的設(shè)計(jì)沒有簡單可行的方法，只能依靠數(shù)值優(yōu)化技術(shù)對(duì)初始設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化。以及利用全自動(dòng)合成技術(shù)，才能生成滿足設(shè)計(jì)要求的膜系結(jié)構(gòu)。通常使用固定的薄膜材料，即折射率值固定，僅把薄膜的厚度作為設(shè)計(jì)參數(shù)。3本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作3.1本課題研究的重點(diǎn)（1）對(duì)Willey最低平均反射率的經(jīng)驗(yàn)公式的理解，掌握其中各物理符號(hào)所代表的意義以及它們和的關(guān)系。（2）膜層材料的選擇，需在課題條件要求下，選用兩種或多種膜料來進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)。（3）熟練應(yīng)用TFC薄膜設(shè)計(jì)軟件，通過它對(duì)薄膜進(jìn)行優(yōu)化和分析。3.2本課題研究的難點(diǎn)（1）目前制造用于可見光區(qū)帶寬B＝1.7的常規(guī)減反射膜已趨成熟，而B≥2的減反射膜的研究較少，相對(duì)比較困難，尤其是本課題所要設(shè)計(jì)的B＝2.75的超寬帶減反射膜。（2）設(shè)計(jì)出來的減反射膜需要在課題給定的參數(shù)要求范圍內(nèi)。（3）在設(shè)計(jì)過程中如何優(yōu)化膜系結(jié)構(gòu)，所需材料是否會(huì)導(dǎo)致成本過高。3.3前期已開展的工作研究并分析課題，通過電子圖書館查找與課題相關(guān)的資料，對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題做好了解，并對(duì)前期畢業(yè)設(shè)計(jì)做簡單的規(guī)劃與相關(guān)資料的整理。熟悉薄膜相關(guān)基本知識(shí)，熟練掌握TFCalx軟件的操作與相關(guān)薄膜相關(guān)材料的研究與了解，以便日后的后期畢業(yè)設(shè)計(jì)能更好的完成。4.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃2014.11.26-2014.12.6：根據(jù)任務(wù)書了解課題所研究的內(nèi)容；2014.12.7-2014.12.18：查閱文獻(xiàn)資料，完成開題報(bào)告，并確定出所要翻譯的外文文獻(xiàn)；2015.01.01-20