薄膜干涉原理

1、光學(xué)薄膜及其應(yīng)用  目錄 一、引言二、什么是光學(xué)薄膜？三、光學(xué)薄膜干涉原理四、光學(xué)薄膜的應(yīng)用五、薄膜的制備六、應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)薄膜分析第三版 光學(xué)薄膜干涉原理光是一種電磁波?？梢栽O(shè)想光源中的分子或原子被某種原因激勵(lì)而振動(dòng),這種振動(dòng)導(dǎo)致分子或原子中的電磁場(chǎng)發(fā)生電磁振動(dòng)?？梢宰C明,電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度兩者有單一的對(duì)應(yīng)關(guān)系,同時(shí)在大多光學(xué)現(xiàn)象中電場(chǎng)強(qiáng)度起主導(dǎo)作用,所以我們通常將電場(chǎng)振動(dòng)稱為光振動(dòng),這種振動(dòng)沿空間方向傳播出去就形成了電磁波。電磁波的波長(zhǎng)、頻率f、傳播速度v三者之間的關(guān)系為:v=f各種頻率的電磁波在真空中的速度都是一樣的,即3.0E+8m/s,常用C表示。但

2、是在不同介質(zhì)中,傳播速率是不一樣的。假設(shè)某種頻率的電磁波在某一介質(zhì)中的傳播速度為v,則C與v的比值稱為這種介質(zhì)對(duì)這種頻率電磁波的折射率。頻率不同的電磁波,它們的波長(zhǎng)也不同。波長(zhǎng)在400760nm這樣一段電磁波能引起人們的視覺,稱為可見光。普通光源如太陽(yáng)、白熾燈等內(nèi)部大量振動(dòng)中的分子或原子彼此獨(dú)立,各自有自己的振動(dòng)方向、振幅及發(fā)光的起始時(shí)間。每個(gè)原子每一次振動(dòng)所發(fā)出的光波只有短短的一列,持續(xù)時(shí)間約為1.0E-8秒。我們通常觀察到的光都是光源內(nèi)大量分子或原子振動(dòng)輻射出來(lái)的結(jié)果,而觀察不到其作為一種波動(dòng)在傳播過程中所能表現(xiàn)出來(lái)的特征干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)光的干涉是需要條件的,即只有頻率

3、相同、相位差恒定、振動(dòng)方向一致的兩列光波才是相干光波,這樣的兩列波輻射到同一點(diǎn)上,彼此疊加,產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉抵消(產(chǎn)生暗影)或者干涉加強(qiáng)(產(chǎn)生比兩束光能簡(jiǎn)單相加更強(qiáng)的光斑)圖像,才是我們觀察到的光的干涉現(xiàn)象。光學(xué)薄膜可以滿足光干涉的這些條件。如圖1所示,它表示一層鍍?cè)诨?n2)上的折射率為n1厚度為d1的薄膜,假定n1<n2,n0為入射介質(zhì)的折射率。入射光束I中某一頻率的波列W在薄膜的界面1上反射形成反射光波W1,透過界面的光波穿過薄1膜在界面2上反射后再次穿過薄膜,透過界面1在反射空間形成反射波W2。W1和W2是從同一波段中分離出來(lái)的,所以頻率相同,振動(dòng)方向相同,所不同的是W2比W1多

4、走了往返兩次薄膜厚度的路徑,從而造成了它們的相位差。入射光I中相同頻率的其他波列同樣也有著相同的相位差。對(duì)于入射光中其它頻率的光也有著類似的討論。所以在薄膜的界面1與界面2上形成的兩束反射光I1與I2是相干光,在它們相遇區(qū)域中會(huì)產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象。如果我們忽略光在薄膜內(nèi)的多次反射,只考慮這兩束光的干涉,那么W1和W2所經(jīng)過的路徑之差是薄膜厚度(d1)的兩位。當(dāng)薄膜的折射率n1與厚度d1的乘積(n1d1稱為光學(xué)厚度)是某一參考光波波長(zhǎng)的四分之一時(shí),兩束光的光程差是二分之一波長(zhǎng)(2n1d1=2×/4=/2),即相位差為(21=2×(2/)n1d1=)。我們將這時(shí)的兩束反射光波示意地畫在圖2中,可以觀察到此時(shí)的干涉是相消干涉。如果我們選擇薄膜的折射率等于基底折射率的平方根,即n1=n2（1/2）,那么兩束反射光的振幅相等,兩束光完全相消。由于反射光的強(qiáng)度是反射振幅的平方,所以合成的反射光強(qiáng)度為零,也就是完全消除了表面的反射光。對(duì)于不是參考波長(zhǎng)的其他波長(zhǎng),兩束反射光的光程差不再是二分之一波長(zhǎng),所以就不會(huì)觀察到這種完全相消的效果,會(huì)有不同程度的剩余反射。由于這種薄膜具有減少光學(xué)表面反射率的作用,所以我們常稱之為減反射膜。 將多種不同折射率、不同厚度的薄膜組合在一起,就形成一個(gè)比上面單層膜更為復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)的多層膜系,膜系的合理組合會(huì)使光在其上面反射、透射、偏振