薄膜光學思考題和習題課件

1、1、列舉一下你所知道的幾種薄膜。答：肥皂泡、水面上的油膜、鍍膜鏡片、濾光片、梳妝鏡鏡面等2、說一下Optical thin films、 Optical coatings、Optical layers 三個英文名詞的具體含義。答：Optical thin films是指通常意義的光學薄膜；而Optical coatings一般來講薄膜敷于光學玻璃、塑料、晶體等基底上；Optical layers是指光學薄膜具有分層結構的特點。 3、薄膜光學的物理依據(jù)是什么？答：光的干涉。 薄膜光學習題和思考題 第1頁，共26頁。14、寫出麥克斯韋微分方程組和物質方程組(1)(2)答：麥克斯韋微分方程組為：(3

2、)(4)物質方程組為：(6)(5)(7)5、寫出均勻無色散介質中光波的波的波動方程。 答：第2頁，共26頁。26、什么是介質的折射率？答：對于非磁性介質，r=1，所以7、寫出介質的光學導納稱為真空的光學導納光學波段，所以有：Y=NY0所以，在光學波段，以真空中的光學導納為單位，用復折射率N表示介質的光學導納。答：第3頁，共26頁。3答：坡印廷矢量又稱為能流密度矢量，其表達式為：它的大小表示電磁波所傳遞的能流密度，它的方向代表能量流動的方向或電磁波傳播的方向。 8、寫出坡印廷矢量 的表達式，并指出其物理意義9、在好的光學界面上，光波電磁場的邊值關系是什么？答：所謂好的光學界面，是指不存在自由電荷

3、、電流分布的界面，光波傳播遇到這樣的界面時，電場強度和磁場強度矢量的切向分量連續(xù)；而電位移矢量和磁感應強度的法向分量連續(xù)。 10、說出折射和反射定律的內容？答：時間頻率是不變的；反射波和折射波均在入射面內；反射角等于入射角。折射定律：折射介質折射率與折射角正弦之積等于入射介質折射率與入射角正弦之積。 第4頁，共26頁。411、寫出菲涅耳公式的三種形式？答：最基本的形式是(1)(2) (4) (3)第5頁，共26頁。5利用折射定律，F(xiàn)resnel公式有如下的形式： (1)(2)(3)(4)第6頁，共26頁。6得Fresnel公式的另外一種形式：(1)(3)(2)(4)利用第7頁，共26頁。713

4、、一束光從折射率為n1的介質垂直入射到折射率為n2的另外的介質上，問此時的反射損失是多少？ 12、何謂準布儒斯特角？答：對于空氣-金屬界面，Rp最小所對應的入射角稱為準布儒斯特角。14、寫出單層膜的特征矩陣。答：第8頁，共26頁。815、寫出基片與單層薄膜組合的特征矩陣答：16、何謂四分之一波長膜？答：光學厚度是控制波長的四分之一的膜17、何謂半波長膜？答：光學厚度是控制波長的二分之一的膜18、敘述一下光學薄膜的透射定理答：無論膜層是否有吸收，膜系的透射率與光的傳播方向無關。第9頁，共26頁。919、一塊玻璃的折射率為1.5，在其表面鍍制一層折射率為1.38的薄膜，要達到讓552nm的光入射時

5、損失最小，那么要多厚的膜才能達到目標？(即膜層的幾何厚度為多少？)答：此時的膜層光學厚度要達到四分之一波長才能達到要求，則幾何厚度為：d=0/(4n)=552/(41.38)=100nm。20、一束波長為560nm的光垂直照到一塊折射率為1.5、厚度為3mm的透明玻璃上，玻璃第一表面鍍有3層膜，從玻璃表面算起，第一層薄膜的折射率為2，幾何厚度為70nm、第二層薄膜的折射率為1.4，幾何厚度為200nm、第三層薄膜的幾何厚度是66.7nm，折射率為2.1，另一表面沒鍍膜，問這束光通過玻璃后，損失多少能量？上述過程在空氣中進行的。 答：各層膜的光學厚度分別為：n1d1=270nm=140nm=56

6、0nm/4； n2d2=1.4200nm=280nm=560nm/2；n3d3=2.166.7nm=140nm=560nm/4；所以各層膜的位相厚度分別為：1=/2、2=、3=/2。第10頁，共26頁。1020題解答(續(xù)1)：因為是垂直入射，所以各層膜的等效折射率分別為：i=ni(i=1、2、3、g)； 第11頁，共26頁。11(20題解答(續(xù)2)在玻璃第一表面有6.07%的損失，93.93%的能量透過，到了第二表面，因為又有4%的損失，透過96%；所以總的透過率為0.93930.96=90.17%，而總的反射損失則為9.87%21、干涉矩陣法編程和魯阿德遞推法編程的步驟有哪些？答：略，參看第

7、六講22、典型的膜系有哪些？答：增透膜、分光膜、反射膜、濾光片以及其它用途的特殊膜系第12頁，共26頁。1223、什么是增透膜(或減反膜)答：涂敷在某一界面上使該界面固有反射率降低，透射率增大的膜層24、對于單層膜來說，要使某一波長的反射率為零，膜的折射率n1與入射介質、基片的折射率n0、ng的關系是什么？此時單層膜的反射率是多少？25、對于雙層膜來說，入射介質、第一層膜、基片的折射率分別為n0、n1、ng，要使某一波長的透射率達到100%，那么第二層膜的折射率是多少？第13頁，共26頁。1327、使用減反膜的時候需要注意什么？答：1)、使用的波長范圍，單點還是寬光譜或一段光譜帶一點；例如可見

8、區(qū)(400nm700nm)，或紅外（3700nm4800nm)，或可見區(qū)加1064nm等；2)、剩余反射率指標；（平均或最大剩余反射率）3)、使用角度或角度范圍；4)、使用環(huán)境；（有無防水、防熱、防電三防要求等）5)、有無激光閾值要求；26、什么叫規(guī)整膜系，什么叫非規(guī)整膜系答：實際工作中0/4的整數(shù)倍厚度容易控制，人們把全部由0/4整數(shù)倍厚度組成的膜系稱為規(guī)整膜系，反之為非規(guī)整膜系。第14頁，共26頁。1428、列出V型、W型雙層膜的膜系結構，寫出它們的特征矩陣答：V型膜的膜系結構是：n0|n1(0/4)/n2(0/4)|ng，適用于窄帶減反；W型膜的膜系結構是：n0|n1(0/4)/n2(0

9、/2)|ng，適用于寬帶減反。它們的特征矩陣分別為：第15頁，共26頁。1529、一般來講，分光膜可分為分束膜(也叫分光鏡)和分色膜，后者是按顏色(波長)不同進行分光，那么分束膜的功能是什么呢？答：分束膜(分光鏡)的功能是把一束光分按比例分成光譜成分相同的兩束光， 也就是說，它在一定的波長區(qū)域內，如可見區(qū)內，對各波長具有相同的透射率、反射率比例，因而反射光和透射光不具有顏色，呈色中性。30、有哪幾種金屬可用作分光膜？答：銀、金、鋁、鉻、銠、鉑等31、金屬分光鏡有哪些優(yōu)缺點優(yōu)點：中性好，光譜范圍寬、偏振效應小、制作簡單缺點：吸收大；分光效率低下；激光閾值低第16頁，共26頁。1632、試闡述偏振

10、分束膜的原理？答：折射率不同的兩個介質的分界面，當入射角為布儒斯特角時，p光反射率為0，全部透射，而s光部分反射，部分透射。為了增加s光的反射率，將兩種材料交替沉積形成多層膜，致使s光的透射率接近0，而這時p光的透射率保持為1，從能量角度來說，實現(xiàn)了50/50的分光，因為反射光是s光、透射光是p光，它們都是線偏振光。33、什么是反射膜？答：涂敷在基片上能達到一定反射率的膜系稱為反射膜。34、反射膜有哪幾類？答：金屬反射膜、金屬-介質反射膜和全介質反射膜35、常見的金屬反射膜有哪幾種？答：鋁、銀、金以及鉑銠等金屬膜第17頁，共26頁。1736、全介質反射膜的反射帶寬是多少？反射帶寬與H、L的折射

11、率有關用相對波數(shù)表示帶寬：用波長表示帶寬：第18頁，共26頁。1837、將折射率為2.35的硫化鋅和折射率為1.38的氟化鎂交替敷鍍在折射率為1.52的玻璃上，以期提高玻璃的反射率，請寫出這種膜系的結構；如果制膜時采用540nm的綠光監(jiān)控，問這種膜系的反射帶寬是多少？什么范圍內的光能被高反射？ 答：膜系結構為：Glass/(HL)sH(s為周期數(shù)，nH=2.35；nL=1.38)；在462.5nm648.6nm的可見光被高反射。 第19頁，共26頁。1938、有些場合標準的全介質反射膜的反射帶寬是不夠用的。為了展寬反射帶，有哪些辦法？答：一)、改變厚度薄膜，或者使膜厚按算術遞增；或者使膜厚按幾

12、何遞增；二)、在一個1/4波長的多層膜上，再鍍中心波長稍不同的一個多層膜系三)3、中心波長不同的對稱膜系(H/2)L(H/2)m和(L/2)H(L/2)s的疊加四)、其他形式的膜系疊加，如2:1膜系和常規(guī)膜系疊加40、說出全介質反射膜的結構。答：結構為：G/(HL)sH/A，其中A為入射介質，常為空氣，G表示基片，常為玻璃；H表示高折射率膜，L表示低折射率膜，s表示重復次數(shù)。41、什么叫相對波數(shù)？答：中心波長與其它波長的比值稱為相對波數(shù)，相對波數(shù)小意味著長波，相對波數(shù)大意味著短波。第20頁，共26頁。2042、什么叫濾光片，有哪幾類？答：涂敷在基片上使得一定范圍內的波長的光具有很高的反射率，而

13、其它波長的光具有一定的透射率的膜系稱為濾光片。濾光片分為干涉截止濾光片、窄帶、帶通濾光片、金屬濾光片、負濾光片等幾類。43、干涉截止濾光片有哪些衡量指標？答：1)透射曲線開始上升(或下降)時的波長以及此曲線上升(或下降)的許可斜率；2)高透射帶的光譜寬度、平均透射率以及在此透射帶內許可的最小透射率；3)具有低透射率的反射帶(抑制帶)的光譜寬度以及在此范圍內所許可的最大透射率。44、說出干涉截止濾光片的基本結構？答：與反射膜的基本結構是一樣的，都是HL，為高地折射率的四分之一波長膜的交替組合，改進后的效果更好的結構是(p/2 q p/2)s，其中p、q表示高低折射率膜層，s表示重復周期第21頁，

14、共26頁。21答：截止帶的寬度用相對波數(shù)來表示為：45、對于 (p/2) q (p/2)結構的干涉截止濾光片，其截止帶寬為多少？其中，p和q 分別為膜層的等效折射率46、考慮一下干涉截止濾光片的設計步驟答：略，參看第十二講的第五部分第22頁，共26頁。2247、表征帶通濾光片的應用特性的主要參數(shù)有哪些？答：0中心波長，或稱峰值波長;Tmax(TM)中心波長透射率，亦即 峰值透射率；2透過率為峰值透過率一半的波長寬度，也稱通帶半寬度；48、帶通濾光片有哪幾種典型膜系？答：金屬-介質膜濾光片；全介質濾光片；雙半波、三半波全介質濾光片；金屬誘導透射濾光片第23頁，共26頁。2349、下列符號分別表示什么功能的光學薄膜？第24頁，共26頁。2448題解答：1.減反膜2.濾光膜3 保護膜4 內反射5 外反射6 高反膜7 分束膜8 分色膜9 偏振膜10 導電膜第25頁，共26頁。2550、真空鍍膜機包含哪幾大系統(tǒng)，它們的作用都是什么？答：真空鍍膜機包含四大系統(tǒng)：1)、真空系統(tǒng)，用來形成需要的真空；2)、蒸發(fā)系統(tǒng)，用來將材料變成氣態(tài)；3）、控