07305928关志远光电生产实习报告.docx

《07305928关志远光电生产实习报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《07305928关志远光电生产实习报告.docx（38页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、 本科生实习报告书院系专业 光信息科学与技术专业 年级班级 07级光信一班 姓 名 关志远 学 号 07305928 实习单位 激光加工室 实习时间 2010.7.5 至 2010.7.9 指导教师 曾长发等 实习报告一 实习目的与任务：1. 了解He-Ne激光器的工作原理；2. 学习及掌握激光器各部件的制作工艺与技术；3. 学习及掌握激光器的组装以及调试方法。二. 实习内容:1He-Ne激光管制作实习内容流程图：2He-Ne激光器的基本结构：He-Ne气体激光器主要由He，Ne气体放电毛细管和光学谐振腔两部分组成，根据不同的使用要求,激光器的结构可分为下列几种形式：a 内腔式：放电毛细管与谐

2、振腔反射镜联通在一起；b 半内腔式：放电毛细管与谐振腔的反射镜，一头是分开的（中间有窗片隔开），另一头则连通在一起；c 外腔式：放电毛细管与谐振腔反射镜完全分开，中间有布儒斯特窗片隔开。激光管的管壳及放电毛细管通常是采用膨胀系数较小的硬质硅酸盐玻璃制成。有时也采用膨胀系数极小的石英类玻璃材料，放电毛细管是一细长而笔直的厚壁玻璃毛细管，它是约束辉光放电的主要区域，即提供光振荡的激活介质的激发区。激光管的外套管壳主要是为了储气，如此可延长激光管的寿命，同时可容纳长而大的阴极，当然它还可以为毛细管起一个支撑作用。放电管的阳极一般用钨杆，阴极则用钨杆再接一个较大尺寸的金属圆筒，一般是用阴极溅射较小的金

3、属材料，如钼，钽，铝及铝合金等金属箔片制成。阴极的结构一般做成与毛细管同轴的形式，也有单独做一个阴极泡接在放电管侧面，这样可以减轻阴极溅射物对窗片或反射镜的污染，有利于提高输出功率及延长寿命。在外腔式和半内腔式激光管中，放电管两端或一端用光学平行平晶窗片来封接，如图：封接的窗片表面的法线与毛细管夹角必须满足如下要求，即图中的tan=n，式中n为窗片材料的折射率，满足这一要求的角称为布儒斯特角，窗片必须按此角封接上去，这是因为，按照光的电磁理论，当光沿着毛细管轴方向传播通过布儒斯特窗片时，对于电矢量和入射面平行的偏振光将无损失地通过它，因此窗片界面对此偏振光不产生反射，这样一来，密封窗片一方面减

4、少了电矢量与入射面平行的偏振光的反射损失，另一方面使电矢量和入射面垂直的偏振光的振荡受到抑制（因它有大的反射损失），结果激光束将以完全偏振的形式输出。在He-Ne激光管的外套管壳内充有一定比例的氦气和氖气。激光管两端的反射镜通常采用一个平面反射镜，一个是凹面反射镜组成光学谐振腔。反射镜一般是用光学玻璃（一般用K9光学玻璃）磨出光学平面，然后再其表面用真空镀膜技术镀上高反射率的多层介质膜，其中一个称为全反射镜，其反射率为99.5%以上（当然最好是100%但工艺上做不到），另一个称为输出镜（激光束从此镜输出），其反射率视激光管长短，增益损耗情况而定，一般也在97%99%之间。作为完整的激光器还应包

5、括供气体放电的电源供应器。3. He-Ne激光器生产工艺：我们知道，气体激光器是电真空器件，器件里面充有低气压的激活介质（工作气体），所充气体的成分应该是稳定的最佳值。如果气体的各成分的比例改变了，或渗漏和放出有非工作气体，那激光器件会造成光谱分散能量不集中，而造成其性能下降甚至不产生激光。严重影响器件的寿命，激光器件中真空情况的改变，是多种多样的原因造成的。譬如抽气不彻底，工作时由于温度升高导致材料放气，电子或离子轰击电极或其他材料造成的放气，管子慢性漏气等等，都是常见的原因。要制造长寿命，高可靠，各种电参量都很稳定的激光器件，就必须从原材料的选择，零部件的加工及处理，电极的装配，直到最后的

6、排气及充气，封口，都必须从真空技术的角度来严格要求。气体激光器件的排与充气式最重要的一道真空加工工序。这时要在不断抽气下进行玻壳烘烤除气，电极高频加热除气或电子轰击除气。排气过程一般来说，以真空系统的真空度越高，抽气速率越大越好，以无油系统比有油系统好。气体激光器有一定的充气及特性测试等步骤。从以上讨论，充分说明气体激光器的制造渗透着真空技术问题。在真空技术问题未能顺利解决时，往往影响气体激光器件的正常生产。He-Ne激光器生产工艺是保证制造出来的激光器合乎激光器的设计要求（如模式，输出功率，功率稳定性，光斑尺寸，发散角，偏振度等）及激光器的寿命。因此，在制造激光器的过程中必须严格按照每一项工

7、艺程序要求进行。4. 全外腔，半内腔气体激光器的调试：一般来说，输出功率较小的气体激光器都做成全内腔式的激光器，这样使用起来很方便。然而，输出功率较大的气体激光器（如大于30mw的He-Ne激光器，大于500mw的Ar+激光器和白激光器等），就不能做成全内腔式的激光器。因为，输出功率较大的气体激光器做得较长（一般大于800mm），因此激光器壳体受温度或机械振动的影响变形较大，从而破坏了谐振腔的最佳振荡条件，导致激光输出减弱甚至不能输出激光。若采用全外腔形式的激光器就可以通过对谐振腔的调试来恢复最佳振荡条件，使激光器有正常的激光输出。全外腔和半内腔气体激光器的调试原理很简单，就是要使激光器的放电

8、毛细管与谐振腔镜面的垂直度要1以下，谐振腔两镜面的平行度10以下。一般有如下两种调试方法：（1） 用一激光束作为基准线，首先使这激光束正中穿过一个靶的小孔和待调试的激光器的放电毛细管中心，然后放上谐振腔的其中一片（一般为平面输出镜）反射镜对准激光束，调节放有反射镜的三维调节架上的测微螺旋钮，使基准激光束穿过放电毛细管和靶点小孔原路返回（这时表示反射镜面已与激光器的放电毛细管垂直）。继而再放上谐振腔的另一片（一般为凹面全反镜）反射镜对准激光束，同样调节调节架上的测微螺旋钮，使基准激光束穿过靶的小孔原路返回（这时表示此反射镜面也已与放电毛细管垂直），最后接通待调试激光器的电源，点亮激光器。若上述的

9、调节精度够的话，则有激光输出，再微调一下两端调节架上的测微螺旋钮，使激光输出最大。若没有激光输出，可以小心的微调一下其中一端调节架上的测微螺旋钮，若还没有激光输出，则需按上述方法重新调试。（2） 用以灯泡发出的光作为基准，首先在待调试激光器的一端放一点亮的灯泡，在另一端通过放电毛细管看点亮的灯泡的灯丝，若看不到，则移动灯泡直至看到为止。然后再看到灯丝的一端放上中间有小孔的靶，通过小孔并移动靶的上下左右位置看到点亮的灯泡的灯丝。继而在靶与待调试激光器一端的中间放上谐振腔的反射镜，调节放有反射镜的三维调节架上的测微螺旋钮，通过靶的小孔看谐振腔反射镜内靶的像与靶的小孔重合。再后把点亮的灯泡放在待调试

10、激光器另一端，重复以上的操作，最后接通待调试激光器的电源，点亮激光器。若上述的调节精度够的话，则有激光输出，再微调一下两端调节架上的测微螺旋钮，使激光输出最大。若没有激光输出，可以小心的微调一下其中一端调节架上的测微螺旋钮，若还没有激光输出，则需按上述方法重新调试。5. 玻璃烧制的方法及其在氦氖激光器制造中的应用：玻璃的形成剂包括二氧化硅、硼酐、二氧化锗、五氧化二砷、五氧化二鍗、五氧化二钒、三氧化二磷、五氧化二磷等等，它们本身在一定范围内形成被璃。玻璃吹制工作台是工作室中的主要设备，它的布置应当注意考虑，使操作时便利，要使工作者手执长玻管的时候，至少在两个方向上有自由活动的余地。 接着谈一下玻

11、璃吹制的基本技术，任何复杂的玻璃仪器都是以基本的吹制技术为某础的。因此，在学习基本吹制技术时应该十分具有耐心，严格要求能正确地完成每一步的操作。只有这样，才可能迅速而稳固地掌握各种复杂的技术。玻璃吹制的基本技术大致包括下列各内容 (1)玻管的测量与选择； (2)玻管的割切； (3)玻璃的加热与退火； (4)拉尾管； (5)对接； (6)侧接； (7)圆底封闭及吹泡； (8)末端开口及张喇叭； (9)喇叭口的封接；。 (10)弯管； (11)螺旋； (12)橡皮管接嘴； (13)环形封闭； (14)闭合管路； (15)用手喷灯封接系统。在玻管的测量与选择过程中，波管通常是由玻璃制造厂用机器或手工

12、方法拉制而成。虽然各厂在产品出厂前都要经过检验，但是这种检验都不甚严格。因而，在选用玻管预备加工时，还应进行一些必要的检验与量度，以免因所用玻管不合要求，造成工时、材料等的浪费。破管的缺陷无法完全避免，尺寸也不可能完全准确，但是在选择时，仍应该尽量采用其缺陷与尺寸误差不致影响成品性能的玻管来进行加工。玻管的主要缺陷通常即可用肉眼加以检验，尺寸则用各种量具来量测。玻管的缺陷主要就是指玻璃的物理和化学性质在某些部分的不均匀性。大多是由于熔制玻璃时没有很好地遵守工艺规程，或玻璃熔炉材料不良等原因所造成的。这些缺陷大致可分成三类：(1)气态内结(如气泡、小米粒等) 这是最常见的玻璃缺陷，对玻璃吹制工作

13、也是最为不利。它主要是因在熔制玻浆时，原料中间的空气、表面吸附的空气或化学反应时生成的气体等留在玻璃内部而形成的。内结的大小可自数百分之一毫米至数毫米，形状亦殊不一致有圆形、椭圆形等。气泡中所含气体种类也很多，最常见的有氧气、一氧化碳、二氧化碳或水汽等。在进行玻璃吹制时，气泡中的气体受热膨胀，常冲破软化的玻璃，形成一个凹洞甚至使玻璃穿透。如用有气态内结的玻管进行相互封接，则在封接处常可发现一些下陷的细孔，这些细孔不仅将减弱封接的强度，而且可能造成漏气。(2)液态内结 若在熔制时，加热搅拌不匀，则在玻璃中可能出现波浪式的带状、线状或层状纹。这种纹通常又称为玻璃的液态内结。一般地说，液态内结会使玻

14、璃的强度减低。然而，完全不具有纹的玻管几乎是没有的。如过纹过大，由于加热时容易裂开，因而加工处理较为困难。(3)固态内结(如砂石、粉料石及沫子等)固态内结是具有不同形状与颜色的一些固体夹杂物所形成的其大小可由勉强被察见直至几厘米。这种内结不仅会影响玻璃的外观（如均匀的透明度与光泽等)，而且会降低玻璃的强度。由于固体内结物质与玻璃的膨胀系数不同，在加热或冷却时，两者之间常形成内应力，而使玻璃发生爆裂。造成这种缺陷的原因大致有下列三方面： a砂石由外来的固态物质落入玻料而形成。通常是在熔炼时，从坩锅壁及熔炉上掉进玻璃中的一些耐火材料。 b粉料石玻璃的配料或熔制的处理过程不佳时，粉料中某些部分仍保持

15、原来状态，于是便形成所谓粉料石。粉料石大多为最难以熔化的石英。 c沫子一一熔制玻璃时，常有某些外来的微粒落到玻浆表面，使制出的玻璃表面失去光泽。不过，这种缺陷对玻璃性能的影响往往是并不很大的。割断玻管最常用的有锉刀法、砂轮法、热丝法与火焰法等四种方法： A锉刀割切法对于不同性质的玻璃，割管的方法有时亦稍有不同；软波璃极易断开，硬玻璃则不然一般说来，锉刀法对外径小于25毫米的玻管最为有效。(1) 外径小于13毫米的玻管一可用三角锉在管壁上刻一痕迹，只需将锉刀锋压在玻管上拉割一两次，不必企图将其锯穿。如果在锉痕上，用水浸一下，玻管可较易断开。锉痕沾湿后，以双手拇指抵住锉痕背面，于是用弯折与拉力便可

16、使其断开。(2) 外径在1325毫米的玻管在刻好割痕并沾湿后，需用另一种握法将它断开，双手握住玻管，手臂抵住玻管，然后以弯折与拉力的合力将它折断B砂轮割切法砂轮割管的速度很快，直径较大的如一次割一个，则每小时约可割3000个；较小的玻管(如电子管的排气管等)一次可割68个，每个时可割60007000个，因而多被广泛采用于大量成批的生产加工。C热丝割切法这种方法的优点是：割面光滑，可割口径大而管壁较薄的玻管。缺点是：较为麻烦与费时较多。热丝割管器实际上只是一只降压变压器，在副圈接有一根电阻丝，用大电流通过电阻丝，使丝发红。D火焰割切法 用锉刀、割轮等割截的玻管，如用来封接，常会在封接处出现一小段

17、不很透明的部分，若用火焰法割出则可避免此缺点。用火焰切割的操作方法为先将玻管烧熔、拉开，然后再制好末端。玻璃没有一定的熔点，在加热时，先逐渐软化，最后就变成液体，因此可以看作是种过冷却的液体。如果加热程度不适当，吹制工作便不可能顺利完成初学者往往未等玻璃充分熔融，就进行加工，结果便不能完善(例如封接牢固，或不美观等)；或则熔化过度，使操作时难以控制，因而加工以后，常发生变形或壁厚不均匀等现象。玻璃经过受热加工后，如果退火不好，就可能立刻自行炸裂，或在以后运用时发生炸匙要消除玻璃在熔化和封接时所产生内应力，必须把玻璃重新加热到退火温度，然后才使它缓缓冷却。拉尾管时，手执玻管的正确方法是：左手弯腕

18、支持玻管的主要重量，右手支住玻管右端。在正式操作前，应先作执持和转动玻管的充分练习，并将坐位、距离及操作之空间等预作安排与调整，使工作得以比较长久而正确、舒适地进行。将两根玻管对面封接起来，称为“对接”(或“衔接封合”)。对接的要求是：封接牢固，壁厚均匀及接合处几乎不能察觉。如果接合处壁厚较薄，则不坚固。玻璃吹制工艺技术多半是与连接有关的工作，因而玻璃吹制工作者必须通过不断的练习，掌握熟练对接技术。侧接是将一根玻管接住另一玻管侧面的意思，例如成T形、Y形等。 较常见的侧接是将一根玻管的开端垂直对接于另一玻管侧面的孔穴上，即“T”形封接。 进行侧接时，常对准一小点加热，而且喷灯与玻管距离很近，所

19、以极容易形成应力。在侧接时，作侧臂之玻管应绕本身中心轴线转动约200至300度，然后迅速对准位置接至另玻管之侧面孔穴上。这种以一只手均匀研转玻管的技术，需要经过相当时间的练习才能正确掌握。在吹制玻璃器具时，也常常需要同时进行圆底封闭和吹泡工作。在圆底封闭过程中，我们可按照以下步骤进行操作：（1） 拉出尾管。（2） 加热肩部，略拉尾管。（3） 切去尾管。（4） 吹小泡。（5） 粗略加热，吹成圆底。而在玻璃末端吹泡则是圆底封闭的继续处理过程。如需要吹得一个正常壁厚的玻泡，必须在玻管上熔化足量的玻璃，以得出一段厚壁玻璃。右手执尾管，将玻璃末端放在火焰中旋转加热；手执玻管的角度应当略略与水平倾料，使熔

20、化的玻璃能流向尾管方向(如欲得厚壁玻泡，则应将熔融段朝下，使玻璃集聚在玻泡上)。如果想将玻管中段吹成玻泡，要预先集聚玻泡所需要的玻璃，得有相当熟练、精巧的旋转玻管技艺。一般人最好用一根有旋环的吹管，以免玻管中段熔触后发生变形。吹管接于执在左面的管口上，另一端管口则用塞子封闭起来，至于玻泡所需聚集的玻璃份量，则视所需要的尺寸及壁厚而定。制造玻璃仪器时，修光玻管末端的开口及其形状，不仅可使仪器美观、且能增加其强度，并使搬动及使用方便。玻管口可翻成喇叭状，喇叭的宽度受玻管直径的限制。小玻管管口不可能直接翻制成厚壁的大喇叭口，应该先将玻管末端吹出一个厚壁的玻泡，然后再翻制喇叭口。可以利用喇叭口将一根玻

21、管封在另一支直径较大的玻管内，操作的程序为：（1） 在较大玻管的一端拉一尾管；用喷灯将玻管另端切割光整。（2） 将较细的那只玻管一端封闭制成圆底，另一端管口制成直径与大管相等的喇叭口。（3） 将做好喇叭口的玻管用镊子夹住插入较大的玻管内，使两者边缘相互完全熔合，然后取去镊子。 而弯管也是玻璃吹制工作中最基本的操作之一。般弯管的方法如下： （1）用左手执玻管的一揣，管口用塞子预先加以封闲。将玻管放在温度不甚高的粗灯焰中旋转加热，直至约二倍于管径的一段长度都开始熔化，并因玻璃流动而略赂收缩为止。（2）将玻管移离火焰，先使玻管竖直，然后缓缓将下端折向水平方向，同时从玻管开口处吹入空气。在完成弯折，而

22、玻管侧面将要向外鼓出之前，立即停止吹气。（3）如仔细观察弯折处，可注意到弯折内侧必有部分管壁较厚的地方；可将稍稍夹细的火焰直吹整个内侧，并用反复吹、烧的办法，将其加工成均匀壁厚。最后，进行退火。对于螺旋，初学者往往以为螺旋玻管一定很难制作，其实却不然，只有较粗大的玻管在烧制螺旋时比较困难些。操作时，必须用宽大的火头将较长段的玻管烧软，小心地将玻管弯折成形或绕在特备的心轴上，玻管不可有扭曲等现象。许多化学仪器、真空系统等仪器中，玻管常需用橡皮管套接；如果接嘴做得不好，常在运用中途发生漏水、漏气，甚至橡皮管在气体或液体压力下突然脱落等现象。在制造冷凝器、蒸汽捕集器、等仪器时，都需要用到“环形封接”

23、的技术。所谓环形封接，就是将一支玻管套入另一支较粗的玻管中相互封接起来的意思，因为封接处成一环形而得名。最常用的环形封接法有两种：内玻管不加支持的环形封接法和内玻管有支持物的环形封接法。在吹制闭合管路时，需要把两个或两个以上的封接在一次操作中完成。软玻璃的膨胀系数大，这样做极易爆裂，硬玻璃则不必担心这个问题。真空系统以及其他装在支座上的大型或复杂设备，常需分成若干段或几个部分制造，然后再将它们逐个封接到整个系统上去。（1）拉尾管（2）对接A 直径相同的玻管对接B 毛细管封接（3）侧接（4）圆底封闭（5）吹泡6. 氦氖激光管的制作：（1）用实心小玻璃棒烧粘成三角文撑架并要求具有锥度。套入简形电极

24、内，将烧好的玻璃底料的钨棒插入小支管，三角支架一端与外口相粘，见图827(1)。这样固定筒形电极，便于钨棒焊接。（2）将毛细管稳固于外套内，进行封按贴膜管，并接上徘气管，见图827(2)。 （3）按缩结插入封接的方法制备，如图827(3)所示的零件，爆除余料。然后按上法接入筒形电极，见图827(4)。 （4）调头封接，将管身余料拉除并烧成平底，熔接毛细管开孔烧光，再与零件(4)用火苗逐段封接，见图827(56)。完成后注意退火。成品规格见图828。7. 磨管与镜面抛光：（1） 同心度测定：磨管的工艺分为粗磨和细磨两部分，而在磨管前必须对激光玻璃管进行同心度检定。（2） 粗磨：用火割法切割的贴片

25、管口，对于贴片来说是非常不平的，因此必须先放在粗磨机上磨削。粗磨是由粗磨机来完成的，分为两个阶段。第一阶段，磨管时，在磨盘上放上少许水和金刚砂，用手握住玻璃壳的中央部位，使玻璃壳的轴线尽量垂直磨盘，降它放在磨盘上磨削，并不断的将混有水的金刚砂加到磨盘上，把端面不平部分磨去（所用玻璃管已经经过第一阶段的处理）；第二阶段，把玻璃壳放在一调节架上，用一氦氖气体激光器射出一束激光，通过开有小孔的光阑反射到玻璃壳上，仔细调整调节架，使激光束对称地通过玻璃壳中的毛细管，从而在白纸上得到几个同心的光环，调整以后，用一平行平面反射镜贴在一个贴片管端面上，使反射膜对着激光束观察从反射镜上反射回到光阑板上的激光束

26、光斑的位置，若贴片管端面与毛细管轴线相垂直，则激光将按原路反射到光阑板的小孔上，从而可以通过光斑偏离小孔的情况来判断贴片管端面上哪一部分比较凸出，于是就可将这一部分磨去。方法是，在一平玻璃板上，加上水和金刚砂作磨料，用手握住玻璃壳，将贴片管端面放在上面作不重叠的圆周运动，在确定要多磨去的部分压力可稍大些，以加速对它的磨削。直至磨削到反射回来的光斑与小孔垂直为止。（3） 细磨：细磨的方法与粗磨第二阶段完全相似。只是要求更精密一些，细磨要在一个经过精细研磨过的金属平板上进行磨削，所用的磨料是水和1000金刚砂，检查的工具是用两台平行光管。具体方法是，首先先调整两只平行光管共轴，然后将研磨的激光器玻

27、璃壳放在两平行光管之间，通过毛细管观察十字线之象，仔细地调节激光器玻璃壳的位置，使毛细管与平行管共轴。然后用两块平行平面反射镜，贴在两贴片管之端面上，从平行光管的目镜中观察反射镜上反射回来的十字线象，若反射回来的十字线象在原十字线的上方，则说明端面下放凸出需要磨去，经过反复研磨以后，最终观察到两十字线基本重合，则此端面已经磨好，再磨另一个端面。8. 氦氖激光器的充气与排气： HeNe气体激光器抽气、充气的真空系统如图所示：配气操作说明：1把激光管接上排气台前，开启冷却水龙头。关闭1阀，开机械泵，稍等一会之后开始加热分子筛，然后依次开启2阀、3阀10阀和13阀，进行低真空预抽，用放电电源对管子进

28、行捡漏，发现漏气管子应即补或除去。2在低真空条件下打开扩散泵加热电炉进行高真空抽气，等20分钟油沸腾后开3阀，5分钟后开10阀，再开13阀及8阀。等待一段时候后管内气压基本能达到 乇以下。3在激光管外套上烘烤加热罩，接上加热罩电源，加热罩内的温度在60分钟内升温到300C，保温4小时，整个过程真空度要达到 乇以上。自然降温（降温前一个小时停止进行分子筛加热）。4放电清洗：激光管降温后在激光管两极接上高压直流放电电源（注意正负极要接对），充入2 3乇He气，开启放电电源开关，放电电流调至60到80mA。用放电颜色检查管子清洗情况，当放电颜色呈一致时，即为干净（尤其注意阳极钨杆处）。放电时间一般为

29、3至5分钟。5高频除气：阴极高频除气，使用高频炉加热阴极至暗红色，注意铝熔点为658 C，在高频除气过程中系统真空度会降低1至2个数量级。当真空度达到 乇以下时可以进行充气。高频炉使用步骤为：开水 外电源 通灯丝 灯丝电压12V预热一分钟 高压调压转到0 查负载防止短路 右下方开关通 按转动按钮 高压调节适合保持栅流150mA，阳流近0.3A。6配气：抽成高真空后，关闭扩散泵真空活塞。He气与Ne气的比例为7：1，总气压就要看放电细管的直径而进行选择，一般为2至3.5乇。7充气： 充气时开关4和5不能同时开，要开5关5、开4关4，开关6和7也不能同时开，要开7关7、开6关6，反复做直到气压达到

30、预定的激光管气压为止。8老练：按最佳工作电流点2到3个小时。9封管：把激光管从充排气台封接下来。9. 光学真空镀膜机原理：冷却系统由加压泵、风冷水循环系统等组成。它主要是对扩散泵及蒸发系统和真空室进行冷却。当机器需要进行高真空工作时必须先开启冷却系统，以保证扩散泵的油蒸汽得到足够的冷却从而获得高真空。.真空系统：真空系统是由机械泵、扩散泵、储气桶以及真空室（钟罩）等组成。它是用来获得必要的真空度，使膜料的分子或原子蒸镀到被镀零件表面的距离小于其平均自由程，保证膜料的分子或原子在蒸镀到被镀零件的表面之前免受残余气体或散乱蒸发分子的碰撞而改变运动方向，保持较大的动能，并有效的抑制蒸发材料与残余气体

31、的反应，从而得到牢固、纯洁的薄膜。真空度和平均自由程的关系可由（）、（）式给出： N1/N0=1-ed/L （1） L2/(3p) （2）其中：N0是初始被蒸发物质分子总数，N1是在到达基片的途中与残余气体分子发生碰撞的分子数，L是平均自由程，d是蒸发源到基片的距离，P是残余气压。要达到较高的真空度通常是采用多级泵串连的方式来实现的。初级泵由机械泵来组成，用于抽低真空。二级泵由扩散泵组成，用于抽中高真空。（其它还有分子泵或冷凝泵等组成，用于抽高真空。）DMDE450光学多层镀膜机的真空系统原理图如图一所示：图一 DMDE450光学多层镀膜机的真空系统原理图1、电离规管 2、高真空蝶阀GI200

32、C型 3、挡油器DY200B 4、凸腔式油扩散泵KT200 5、机械泵2XZ8型 6、低真空磁力阀DC30型 7、储气桶 8、低真空三通阀DS30型 9、磁力充气阀CQF8型 10、热偶规管 11、钟罩 12、针型阀8F8S型由图一可知，DMDE450光学多层镀膜机的真空系统主要是由初级机械泵和二级扩散泵组成。电离规管及热偶规管用于测量真空室的高低真空度及扩散泵的前级真空度。并通过真空计来读取真空度。磁力充气阀用于对真空室充气，其与高真空蝶阀互锁。当三通阀抽出时，机械泵对钟罩抽气，高阀关闭（处于图中的水平位置），扩散泵处于预热状态（一般预热45分钟），气体经由图一9、10处的管道到机械泵被排出

33、。当三通阀推进时，机械泵对系统抽气。高阀打开（处于图中的竖直位置），气体从扩散泵抽到储气桶，经过三通阀到机械泵，再排出室外。.蒸发系统： 蒸发系统是将膜料蒸发，以原子或分子的形式淀积在被镀器件的表面，形成薄膜。按照工作原理可以将蒸发系统分为三种：热蒸发、溅射和离子镀。为了能够得到更好的高质量的薄膜器件，在蒸发时常用到离子源来辅助膜料的淀积使膜层结构更致密。结合我们实验室的仪器条件，主要介绍热蒸发和离子源。热蒸发是一种发展较早、应用最广的蒸发方法，当材料被加热的时候，其原子就会从表面逸出，这种现象叫热蒸发。热蒸发的方式主要有电阻加热，电子束加热，高频感应加热和激光加热，我们常用的是电阻加热和电子

34、束加热。 电阻加热是一种最简单、最常用的方法，它是利用高熔点的材料（如钼，钨等）做加热器。它相当于一个电阻，通电后产生焦耳热，达到蒸发膜料的温度10002000摄氏度。 电子束蒸发是将高速运动的电子流在磁场中聚集成细束轰击到被镀材料的表面，电子束的动能转换成热能，使材料迅速升温而蒸发，达到的温度高达30006000摄氏度。产生电子束的仪器叫电子枪，分为直式（皮尔斯枪）、环形枪（电偏转）、e形枪（磁偏转）、L形枪（电偏转）。以e形枪（见图二）为例介绍电子枪的结构：阴极在接通直流电压后,K发热产生电子，电子在有孔阳极LA的加速电压下加速，经过小孔进入磁场，高速运动的电子束在磁场中受到洛伦兹力的作用

35、而改变运动方向（见图三），通过调整磁场的大小可以控制电子束打在阳极A上的落点位置，阳极A在真空室中是由装有膜料的坩埚组成。图二 电子枪工作原理图UH heating voltage （加热电压） A anode（阳极） UB accelerating voltage （加速电压） K cathode (阴极)V vacuum chamber （真空室） IE emission current （发射电流） N-Pole （N极） S-Pole（S极） 图三 电子束偏转原理图离子源主要用于膜料蒸发时的辅助淀积作用，它利用大分子气体的离子轰击器件的表面，在未镀膜之前可以起到清洁器件表面的作用；在镀

36、膜时可以辅助膜料的淀积，使膜层的结构更紧密、更牢固、更均匀。以等离子体离子源为例介绍离子源的工作原理。由通气管导入大分子气体（通常用氩气和氧气），气体分子经过高压电离后注入真空室，轰击在被镀器件的表面，使器件的薄膜附着更紧密，均匀，牢固。 DMDE450光学多层镀膜机的蒸发系统如图四所示：图四 蒸发系统1、 密封绝缘座 2、高压电极杆 3、屏蔽管 4、轰击棒 5、加温烘烤灯 6、烘烤电极及插头 7、蒸发挡板 8、EQD3型电子枪 9、测温电极在准备镀膜前，为避免蒸镀时膜料飞溅对真空室和器件造成不必要的污染，需对膜料进行必要的预熔放气，此时蒸发挡板应置于被预熔材料的上方，以遮挡材料预熔时杂质的飞

37、溅和部分膜料的蒸发污染监控片和被镀器件，影响正常的监控和器件的精度。 正式蒸镀前，需开启膜厚监控仪，稳定在始镀读数，开启工件旋转，使工件匀速旋转，蒸镀时使电子枪束流和电压匹配，然后继续升高灯丝电流，达到所蒸镀膜料的升华值，移开挡板，保持一定的蒸发速率，使膜料均匀蒸发，并通过膜厚仪进行监控，一层镀膜完毕，关挡板，关束流电压（灯丝电流）。如需蒸镀其它材料，转动坩埚旋转到另一种材料，继续按相关的操作程序进行操作，根据需镀膜层的要求，反复蒸镀，直至镀膜全部结束，关挡板，关束流电压（灯丝电流），停旋转，关膜厚仪，关高真空测量，关高阀等。.膜厚监控系统： 膜厚监控系统主要分为光学极值监控系统和石英晶振监控

38、系统。石英晶振监控法主要是利用了石英晶体的两个效应，即压电效应和质量负荷效应。石英是离子型晶体，由于结晶点阵的有规则分布，当发生机械变形时，例如拉伸或压缩时能产生电极化现象，称为压电现象。石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸，切割类型，而且还取决于晶体的厚度，当晶体上镀了某种膜层后，使得晶片的厚度增加，则晶体的固有频率会相应的衰减，石英晶体的这个效应就是质量负荷效应。f=N/d （3）f是固有频率，N是频率常数（对于一个AT切割的石英晶体，N1670kHzmm），d为晶体的厚度。对（3）式微分有：f=-(Nd/d2) （4）（4）式表明若厚度为d的石英晶体厚度增加d，则振动频率相应地

39、变化f，负号表示频率随着厚度的增加而减少。 将晶体的厚度增加量转换为膜层厚度： mAFdFAQd （5） A是晶体受镀面积，F为膜层密度，Q为石英密度，dF是膜层厚度。 d（F/Q）dF （6）所以 f=-(NF/Qd2)dF （7） 将（3）代入（7）中有：f=-（Ff2/NQ）dF （8） 从（8）式中我们可以看出：当膜料和石英晶体确定后（Ff2/NQ）是一个常数，这就建立了fdF之间的线性关系。石英晶振监控系统就是通过测量频率或与频率有关的参量的变化而监控淀积薄膜的厚度。光学极值监控系统由可见波段和近红外波段监控，而近红外膜厚监控信号弱、噪声大和信噪比低等特点，利用相关测量、锁相放大的原

40、理对信号进行处理，成功地实现了在强噪声中提取微弱近红外膜厚监控信号。 光学极值监控法是直接测量薄膜的透射率或反射率的极值。 薄膜的透射率或者反射率是随薄膜厚度的变化而变化，膜层的振幅透射系数为: (9)透射率为： (10) 其中,由（）式可知透光强度为薄膜厚度的函数，当等于1/4波长整数倍的时候，透射率出现极值，同理反射光强度也按类似的形式变化。图五 传统膜厚监控系统原理图DMDE450光学多层镀膜机的光学膜厚监控系统如图六所示。图六 DMDE450光学多层镀膜机的光学膜厚监控系统由图五、图六和（9）、（10）式可以看出：DMDE450光学多层镀膜机的光学膜厚监控系统主要由光源、斩波器、监控片

41、、单色仪、探测器和膜厚监控仪等组成。监控系统采用光电检测光（即实时测量监控薄膜的透射率或者反射率的方法）。由光源发出的光经过斩波器斩波调制，变成具有固定频率的光信号透过比较片（或通过反射比较片）监控，随着膜料的不断淀积，膜厚d不断地变化，相应的膜层透射率（反射率）不断变化，光束将变化的信号光引进单色仪，单色仪选择单色监控波长信号光从出射狭缝出射，单色的信号光最终被光电倍增管或光电池接收，将光信号转换成电信号送进光学膜厚监控仪，处理后的电信号通过光学膜厚仪的显示系统显示出来。通过对显示系统的监控，控制膜料蒸发的开始和结束，达到控制膜层厚度的目的。由于从光源到探测器的光路比较长，信号损耗比较大，强

42、烈的外界干扰将不可避免地进入监控系统的光路，干扰信号经过光电转换器后会形成一定幅度的背景噪声，甚至会将有用的信号淹没，本实验室的膜厚监控仪采用了锁相技术来提取、放大信号。10. 输出镜镀膜流程：以DMDE450光学多层镀膜机为例讲述镀膜机的结构和操作流程及维护，见图七。图七 DMDE450光学多层镀膜机的外观图 1 WDG光栅单色仪 6 MKY2光学膜厚控制仪 7 真空镀膜室 3 DK-5E高压电控柜 8 DK-24电控柜 4 主机机架 9 FZH-1型复合真空计 5 主机提升机构 10 MKY膜厚测量仪1、镀膜机操作流程：、开总电源，再开镀膜机电控柜电源。、将低阀置于拉出位置，开磁力充气阀对

43、真空室（钟罩）充气，当确定充气完毕后，提升钟罩。（注：如真空室未完全充气就提升钟罩，则易对提升镙杆造成损害，且对真空室整洁不利）、对真空室内工件架及其它器件进行适当的清洁整理后，根据需镀膜器件膜层的要求将用电子枪蒸发的膜料均匀装进坩埚内（电阻热蒸发则放进蒸发舟内）要求膜料要放好，不能防碍坩埚的正常运转。然后根据镀膜要求将监控比较片安放好在预定的适当的监测光路位置后，将已清洁装好待镀的基片（器件）安放在工件架上并加以适当固定，确定真空室清洁和工件架可以正常运转后，降下钟罩。钟罩盖好后，开机械泵对真空室进行低真空抽气，以保证真空室的干燥整洁。、开启膜厚监控仪光源，使光束经过监控比较片出射后对准光栅

44、单色仪入射窄逢（窄逢可根据要求开大和收窄）并按需镀要求调好所选控制波长，做好一切镀制和监控测量前的准备工作。、开机前一定要检查冷却水是否开启，水压是否正常，如水压不够，须开加压泵，以确保机器工作时达到正常的冷却效果，避免扩散泵过热造成反油现象，影响整机功能。（如抽气速率下降，真空度不够，膜层牢固度不良等）、开机械泵对真空室（钟罩）抽低真空，当确定冷却水流正常后，开电炉对扩散泵进行加热，并将低阀向内推，对系统进行抽气，在加热过程中，为确保真空室和系统真空度的相对均衡，要适当地推、拉低阀，使真空室和系统在抽气过程中真空度保持相对的均衡，以利于高阀的开启。、当电炉对扩散泵正常加热到40分钟后（加热时

45、间必需40分钟以上）将低阀推入至抽系统并打开高阀，这时钟罩真空度应在6.7帕(510-2托)以上，开始抽高真空，稍后可接通高真空测量观测真空度，待抽至所需高真空，在对灯丝进行预热的同时，对所需蒸镀材料进行必要的预熔除气后，即可进行正式的蒸镀工序。如基片需加热，可开烘烤调节逐步升温至所需温度，并开启工件旋转缓慢旋转，使工件均匀加热。（注：预熔材料时挡板须置于预熔膜料的上方，以免预熔时的膜料溅射到基片或监控片上，影响正常的监控）、正式蒸镀前，需提前开启膜厚监控仪，使其稳定在相对的始镀读数值范围，以利于稳定准确地监测膜层的厚度，并开启工件旋转扭，调定转速，使工件匀速旋转。蒸镀时按电子枪和高压电控柜使用说明的操作程序对膜料进行预热预熔，使束流和电压匹配，然后继