物理光學(xué)薄膜光學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)教案

1、物理光學(xué)物理光學(xué)(w l un xu)薄膜光學(xué)基薄膜光學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)第一頁，共17頁。n1=1n2=1.596%的光透射(tu sh)n1=1通過(tnggu)兩個界面后，92%的光透射 比較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中光能的損失將是比較嚴(yán)重的，例如八個折射率為1.5的透鏡并列組成的光學(xué)系統(tǒng)，沿著系統(tǒng)中軸傳播的光能反射損失就大約達(dá)到48%。 對于現(xiàn)代更加復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)(如變焦距物鏡包括十多個透鏡)來說，可想而知，光能的反射損失就更嚴(yán)重了。所以必須消除或者減少反射。 有效的解決辦法就是在玻璃零件(ln jin)表面鍍制起增透(減反射)作用的薄膜。 第1頁/共17頁第二頁，共17頁。i3dAi1i2BCDER1ER

2、2ER3ER4E0n1n2n3ET1ET2ET3ET4GF一單層膜的分光(fn un)特性上表面相鄰(xin ln)兩束光的位相差：21220024(2)cosnABn ADn di1012REEr20122321exp()REEtrti3012232123212 2123exp( 2)exp()RREEtrrrtiE rri2422123() exp( 2)RREErri222123()exp (2)mRmREErri m上表面(biomin)各光波的復(fù)振幅為：其中，r21=-r12在無吸收的情況下212 21121t tr 20 12121 231exp()RRRmmEEEE rr ri1

3、22301223exp()1exp()rriErri第2頁/共17頁第三頁，共17頁。i3dAi1i2BCDER1ER2ER3ER4E0n1n2n3ET1ET2ET3ET4GF下表面(biomin)相鄰兩束光的位相差：23220024(2)cosnBCn BFn di101223TEEtt201223212312321exp()exp()TTEEtrrtiErri下表面各光波(gungb)的復(fù)振幅為：2312321() exp( 2)TTEErri112321()exp (1)mTmTEErri m110 12 2323 21112 2301223()exp (1)exp()1exp()TTm

4、mmmEEE t tr ri mt tiErri第3頁/共17頁第四頁，共17頁。和透射系數(shù)： (2) 12 2301223exp()1exp()Tt tiEtErri單層薄膜反射率： (3) 222122312 23220012 2312232cos()|12cos()RRrrr rIERIEr rrr于是(ysh)得到單層薄膜反射系數(shù)： (1) 122301223exp()1exp()RrriErErri單層薄膜透射率： (4) 223312 23221112 2312232212232212 231223coscos12cos()(1)(1)12cos()nit tTnir rrrrrr

5、 rrr由(3)和(4)式得：R+T=1 (5)上式是在薄膜無吸收(xshu)的情況下的結(jié)果。 第4頁/共17頁第五頁，共17頁。在正入射的情況(qngkung)下，i1= i2= i3=0，則有：(7) 212112nnnnr323223nnnnr(8) 2204cosn di(3) 22122312 232212 2312232cos()12cos()rrr rRr rrr(1) 12231223exp()1exp()rrirrri204n d(6) (9) 2sin)(2cos)(2sin)(2cos)(22223122312222312231nnnnnnnnnnnnR第5頁/共17頁第

6、六頁，共17頁。n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38單層膜的 (d)曲線圖R第6頁/共17頁第七頁，共17頁。(1)、n1n2n2n3) 0)1)(1 (223221rr22222212 2312231223222212 23122312 2312231(1)(1)1112cos()12cos()r rrrrrRr rrrr rrr (10)23131223122312)()1(nnnnrrrrRM(12)(11) 位相厚度位相厚度(hud) (hud) (3) 22122312 232212 2312232cos()12cos()rrr rRr rrr212

7、112nnnnr323223nnnnr12 230r r 020,1,2,2n dNN(13)光學(xué)光學(xué)(gungxu)(gungxu)厚度厚度 cos120420,1,2,n dNN第7頁/共17頁第八頁，共17頁。2221223213212 23213()()1mrrnn nRr rnn n (15) 02(21)0,1,2,4n dNN (16a) 2212232212 231223(1)(1)112cos()rrRr rrr (10)(14) cos1 204(21)0,1,2,n dNN (16b) 312nnn 0mR 這樣(zhyng)的膜層稱之為消反膜或增透膜。 21313()M

8、nnRnn020,1,2,2n dNN222132213()mnn nRnn n02(21)0,1,2,4n dNN消反射消反射(fnsh)(fnsh)條件條件 第8頁/共17頁第九頁，共17頁。n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38單層膜的 (d)曲線圖R第9頁/共17頁第十頁，共17頁。(2)、n1n3(或n1n2n3) 23131223122312)()1(nnnnrrrrRm(17) 231223122223122312)()1(nnnnnnrrrrRM(18) 這種膜層稱為(chn wi)增反膜或稱高反膜。 0)1)(1 (223221rr221223

9、2212 231223(1)(1)112cos()rrRr rrr (10)212112nnnnr323223nnnnr12 230r r (11) cos1(14) cos1 21313()mnnRnn020,1,2,2n dNN222132213()Mnn nRnn n02(21)0,1,2,4n dNN第10頁/共17頁第十一頁，共17頁。n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38單層膜的 (d)曲線圖R第11頁/共17頁第十二頁，共17頁。n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.3802(21)0,1,2,4n dNN0204n d

10、N稱具有(jyu)這樣光學(xué)厚度的薄膜為四分之一波長膜。單層膜的折射率大(小)于周圍(zhuwi)媒質(zhì)的折射率時，四分之一波長膜是高反膜；單層膜的折射率處于(chy)兩種周圍媒質(zhì)折射率之間時，四分之一波長膜是增透膜。第12頁/共17頁第十三頁，共17頁。根據(jù)(gnj)上面的討論，無論單層膜的折射率大(小)于周圍媒質(zhì)的折射率還是處于兩種周圍媒質(zhì)折射率之間，當(dāng)薄膜是半波長膜時，反射率和不存在單層膜時的反射率相同。022n d020,1,2,2n dNN允許N=0僅是理論(lln)上的討論。但N=0相當(dāng)于實(shí)際上沒有鍍膜，所以對于半波長膜實(shí)際上N的取值應(yīng)該從1開始，即最薄的膜厚(光學(xué)厚度)應(yīng)該是：稱具有

11、這樣光學(xué)厚度(hud)的薄膜為半波長膜。n2=1.7n2=3n2=2n2=1.23n2=1.38n2=1.35第13頁/共17頁第十四頁，共17頁。在斜入射的情況下，入射光要分別按p偏振光和s偏振光來考慮。由第七次課的知識可知，(7)式和(8)式中的nj( j=1，2，3)分別用對應(yīng)的等效折射率來表示(biosh)。對于s偏振光為：njcosij (j=1，2，3)對于p偏振光為：nj/cosij (j=1，2，3) 在正入射的情況(qngkung)下，i1= i2= i3=0，則有：(7) 212112nnnnr323223nnnnr(8) 2204cosn di(3) 22122312 2

12、32212 2312232cos()12cos()rrr rRr rrr(1) 12231223exp()1exp()rrirrri204n d(6) 第14頁/共17頁第十五頁，共17頁。以上是針對單層膜的討論。但是，單層膜往往達(dá)不到特殊要求，這就要求采用多層膜，例如用雙層、三層以及層數(shù)更多的膜系。進(jìn)行理論分析設(shè)計的方法有很多，如遞推法(魯阿德法)、干涉矩陣法、菲涅耳系數(shù)(xsh)矩陣法，瓦失切克法等等。第15頁/共17頁第十六頁，共17頁。 薄膜在現(xiàn)代尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，薄膜有很多種類，應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域的起分光作用的薄膜稱為光學(xué)薄膜。 有關(guān)薄膜的理論和研制技術(shù)已構(gòu)成現(xiàn)代光學(xué)的一個新的分支領(lǐng)域薄膜光學(xué)。 常見的光學(xué)薄膜有金屬薄膜和透明介質(zhì)膜等。 光學(xué)薄膜起著分光作用，不但有單層膜，更多的是多層膜，因此鍍制在光學(xué)零件表面上光學(xué)薄膜本身就構(gòu)成一個分系統(tǒng)，可簡稱為薄膜系統(tǒng)。 根據(jù)方才的討論(toln)可知，光學(xué)薄膜的工作原理和光