薄膜光學(xué)技術(shù)-2-6

1、1課堂論題十課堂論題十o 全介質(zhì)規(guī)則膜系在光學(xué)薄膜器件中的重要性全介質(zhì)規(guī)則膜系在光學(xué)薄膜器件中的重要性o o 1）反射鏡、激光諧振腔 ( LH )S o 2）中性分束鏡 G/ (HL) 8 /G、 G/2LHLHL/Ao 3）截止濾光片o 4）帶通濾光片 o G/(HL)m2H(LH)m/Ao G /（HL）m2H(LH)2mL2H（LH ）m /Go A/LHLH760LHLHLHLH760LHLHLHLH760LHLHL/Ao 中心波長(zhǎng)的意義；中心波長(zhǎng)的意義； 間隔層厚度的意義；間隔層個(gè)間隔層厚度的意義；間隔層個(gè)數(shù)的意義；數(shù)的意義；膜層數(shù)的意義。膜層數(shù)的意義。 LLH2222SSHHL、m

2、L32H32L32 3 2-6 偏振和偏振薄膜偏振和偏振薄膜（1）. AR coating GHLA min Rmin/% RS/% RP/% 00550nm 0.99 0.99 0.99 300 520nm 0.999 0.81 1.19 450480nm 1.1 0.39 1.81 600440nm 2.28 0.08 4.48 1. 薄膜的偏振效應(yīng)薄膜的偏振效應(yīng)4（2）(LH)9 stack max RmaxRs-maxRp-max s p 00550nm0.99940.99940.9994480-650480-650 300530nm0.99920.99970.9987440-6304

3、60-620 500510nm0.99840.99990.9969430-620450-590 600500nm0.99300.99990.9864390-600430-5505利用光的偏振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)利用光的偏振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)5050中性分光。中性分光。原理原理： 當(dāng)入射角滿足布儒斯持角條件時(shí)，即當(dāng)入射角滿足布儒斯持角條件時(shí)，即 tg= nH/ nL ， 當(dāng)膜層數(shù)增加到足夠多時(shí)，當(dāng)膜層數(shù)增加到足夠多時(shí)， 依此，當(dāng)自然光入射時(shí)，在依此，當(dāng)自然光入射時(shí)，在一定的波長(zhǎng)范圍一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，得內(nèi)，得到到50/50的透射和反射率比，的透射和反射率比， 既可以作為良好的中性分光鏡，既可以作為良好的中性分光鏡， 也

4、可以用作偏振度很高的薄膜偏振器件。也可以用作偏振度很高的薄膜偏振器件。pr0 2. 6.1 偏振分束膜偏振分束膜1. 立方棱鏡的偏振分光膜立方棱鏡的偏振分光膜布儒斯特角原理布儒斯特角原理 0, 0sprr1, 0sprr6偏振分光棱鏡的結(jié)構(gòu)就是在膠合面鍍制偏振分光棱鏡的結(jié)構(gòu)就是在膠合面鍍制HL多層膜。多層膜。7 根據(jù)布儒斯特角條件和折射定律確定膜層材料、根據(jù)布儒斯特角條件和折射定律確定膜層材料、光線入射角和棱鏡材料。光線入射角和棱鏡材料。HLHHLLGGH tgnn ,n sinn sin=n sinHLGG1 222HLn nn sinn +n實(shí)現(xiàn)偏振分光的條件： 棱鏡偏振分光鏡的設(shè)計(jì)：棱鏡

5、偏振分光鏡的設(shè)計(jì)：8立方棱鏡偏振分光鏡的設(shè)計(jì)方法有兩種：立方棱鏡偏振分光鏡的設(shè)計(jì)方法有兩種：1. 1. 選定棱鏡的折射率選定棱鏡的折射率nsns，根據(jù)上式計(jì)算棱鏡應(yīng)有的角，根據(jù)上式計(jì)算棱鏡應(yīng)有的角度度ss; ;2.2.選定棱鏡的角度選定棱鏡的角度( (ss=45=45) )，然后計(jì)算棱鏡應(yīng)有的，然后計(jì)算棱鏡應(yīng)有的折射率。折射率。在給定在給定nH和和nL的情況下，就可以確定出膜層內(nèi)的折射角的情況下，就可以確定出膜層內(nèi)的折射角H和和L，1. 例如例如:nH=2.35,nL=1.35, ns=1.52，根據(jù)上式計(jì)算棱鏡，根據(jù)上式計(jì)算棱鏡應(yīng)有的角度應(yīng)有的角度s=50.52.例如例如: :n nH H=

6、2.35,n=2.35,nL L=1.35 =1.35 ,s=45 ,則，ns=1.66。9中心波長(zhǎng)處的反射率為：中心波長(zhǎng)處的反射率為：211mLHs2HsmLHs2HsRm為膜層的層數(shù)，并假定為奇數(shù)。為膜層的層數(shù)，并假定為奇數(shù)。S-偏振光高反射區(qū)域的偏振光高反射區(qū)域的半寬度半寬度為：為：11gsLHsLHs1sin21011 在基于布儒斯特角入射的在基于布儒斯特角入射的棱鏡棱鏡偏振鏡中，各介質(zhì)偏振鏡中，各介質(zhì)的的P-偏振光的有效折射率都是相同的，其間不存在偏振光的有效折射率都是相同的，其間不存在界面，因而界面，因而P-偏振光有高的透射并不是干涉的結(jié)果偏振光有高的透射并不是干涉的結(jié)果(不產(chǎn)生干

7、涉不產(chǎn)生干涉) 平板平板偏振分光鏡是基于薄膜材料的偏振分光鏡是基于薄膜材料的P-偏振和偏振和S-偏偏振的有效折射率不相等這一條件設(shè)計(jì)的，振的有效折射率不相等這一條件設(shè)計(jì)的，P-偏振光偏振光的高透射率是通過干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高透射率是通過干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的因此它們的工作的因此它們的工作波段比較窄，優(yōu)點(diǎn)是選擇基片和薄膜材料有較大的靈波段比較窄，優(yōu)點(diǎn)是選擇基片和薄膜材料有較大的靈活性活性 這種干涉型偏振鏡的基本結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)波通濾光片這種干涉型偏振鏡的基本結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)波通濾光片 G（0.5HL0.5H）SA。 當(dāng)然，干涉型偏振分光鏡也可以采用用膠合棱鏡。當(dāng)然，干涉型偏振分光鏡也可以采用用膠合棱鏡。 2. 平板型偏振分

8、光膜平板型偏振分光膜1213o 原理：原理： 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于柵距時(shí)，入射光中的電矢量當(dāng)入射光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于柵距時(shí)，入射光中的電矢量 E垂直垂直于線柵的于線柵的偏振光透過線柵偏振光透過線柵，而電矢量，而電矢量 E平行于線柵平行于線柵的偏振光則被線柵反射。的偏振光則被線柵反射。 o 金屬柵偏振器的主要優(yōu)點(diǎn)是金屬柵偏振器的主要優(yōu)點(diǎn)是： 工作波段很寬；工作波段很寬； 全波段內(nèi)偏振性好；全波段內(nèi)偏振性好； 線柵用良導(dǎo)體制成，吸收可以忽略，抗光損傷閾值線柵用良導(dǎo)體制成，吸收可以忽略，抗光損傷閾值高。所以，金屬線柵偏振器是中，遠(yuǎn)紅外區(qū)較理想的偏高。所以，金屬線柵偏振器是中，遠(yuǎn)紅外區(qū)較理想的偏振器振器 。

9、3. 金屬柵偏振分光鏡金屬柵偏振分光鏡1415p 顯然：顯然： 對(duì)獨(dú)立的單層膜來說，對(duì)獨(dú)立的單層膜來說，n永遠(yuǎn)大于永遠(yuǎn)大于1，單層膜不可能消偏振；，單層膜不可能消偏振；對(duì)確定的對(duì)確定的n0和和n，n隨入射角隨入射角0的減小而降低，即入射角越小，偏振的減小而降低，即入射角越小，偏振分離越??；分離越小；對(duì)于確定對(duì)于確定0和和n，n隨入射介質(zhì)隨入射介質(zhì)n0增大而增大，偏振分離也越大；增大而增大，偏振分離也越大；o 因此，消偏振只能對(duì)膜層與周圍介質(zhì)組合、或多層膜系來實(shí)現(xiàn)；因此，消偏振只能對(duì)膜層與周圍介質(zhì)組合、或多層膜系來實(shí)現(xiàn)； 封閉在膠合棱鏡中膜層的偏振效應(yīng)更嚴(yán)重。封閉在膠合棱鏡中膜層的偏振效應(yīng)更嚴(yán)重

10、。 202202sin11cos1coscosnnnnnsp 2.7 消偏振膜系消偏振膜系 在許多光學(xué)系統(tǒng)中，偏振效應(yīng)將帶來偏振像差。在許多光學(xué)系統(tǒng)中，偏振效應(yīng)將帶來偏振像差。因此，消除偏振效應(yīng)在許多光學(xué)系統(tǒng)中是必須的。因此，消除偏振效應(yīng)在許多光學(xué)系統(tǒng)中是必須的。p 產(chǎn)生偏振效應(yīng)的原因是有效光學(xué)導(dǎo)納的分離。產(chǎn)生偏振效應(yīng)的原因是有效光學(xué)導(dǎo)納的分離。定義定義s和和p偏振分量有效導(dǎo)納的偏振分量有效導(dǎo)納的偏振分離量偏振分離量為：為：162.7.1 單波長(zhǎng)消偏振單波長(zhǎng)消偏振o 由于由于多層膜系的偏振效應(yīng)來源于光學(xué)導(dǎo)納的偏振分離，多層膜系的偏振效應(yīng)來源于光學(xué)導(dǎo)納的偏振分離， 多層膜系的光學(xué)導(dǎo)納是膜層厚度的

11、多層膜系的光學(xué)導(dǎo)納是膜層厚度的復(fù)函數(shù)復(fù)函數(shù)， 多層膜系的多層膜系的光學(xué)導(dǎo)納色散非常嚴(yán)重光學(xué)導(dǎo)納色散非常嚴(yán)重，所以多層膜系，所以多層膜系 的光學(xué)導(dǎo)納的偏振分離量很難用一個(gè)的光學(xué)導(dǎo)納的偏振分離量很難用一個(gè)顯函數(shù)顯函數(shù)表達(dá)。表達(dá)。 也就很難在寬波段實(shí)現(xiàn)消偏振設(shè)計(jì)。也就很難在寬波段實(shí)現(xiàn)消偏振設(shè)計(jì)。o 目前，大多數(shù)消偏振設(shè)計(jì)都是針對(duì)光學(xué)導(dǎo)納能夠明目前，大多數(shù)消偏振設(shè)計(jì)都是針對(duì)光學(xué)導(dǎo)納能夠明確用顯函數(shù)表達(dá)的特殊波長(zhǎng)進(jìn)行的。確用顯函數(shù)表達(dá)的特殊波長(zhǎng)進(jìn)行的。o 所謂消偏振就是使光學(xué)導(dǎo)納的偏振分離量所謂消偏振就是使光學(xué)導(dǎo)納的偏振分離量Y=1。o 應(yīng)當(dāng)注意的是：應(yīng)當(dāng)注意的是：一個(gè)完整的消偏振設(shè)計(jì)，既需要對(duì)一個(gè)完整

12、的消偏振設(shè)計(jì)，既需要對(duì)膜系進(jìn)行，也需要對(duì)入射介質(zhì)和基底介質(zhì)進(jìn)行。膜系進(jìn)行，也需要對(duì)入射介質(zhì)和基底介質(zhì)進(jìn)行。172.7.2 寬波段消偏振寬波段消偏振1.“金屬金屬-介質(zhì)介質(zhì)”組合膜系組合膜系例：例：G/H metal H/G 其中其中 metal AgRsRpG| 1.18H Ag(19.2nm) 0.82L 0.02M|AH:ZnS, L:MgF2, M:Al2O3 G:K918 如圖示，位于棱鏡膠合面的單層介質(zhì)膜，當(dāng)折射率滿如圖示，位于棱鏡膠合面的單層介質(zhì)膜，當(dāng)折射率滿足足 ，且光線以等于或大于全反射臨界角入射，且光線以等于或大于全反射臨界角入射時(shí)，通過調(diào)整膜層的厚度，由于膜層的作用，就會(huì)使全反射受時(shí)，通過調(diào)整膜層的厚度，由于膜層的作用，就會(huì)使全反射受到抑制，得到?jīng)]有偏振效應(yīng)的各種透反比的分光效果。到抑制，得到?jīng)]有偏振效