薄膜光學(xué)技術(shù)

1、薄膜光學(xué)技術(shù)高勁松中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所薄 膜 光 學(xué)薄 膜 光 學(xué)參考書光學(xué)薄膜技術(shù)，H.A.麥克勞德著，周九林、尹樹百譯，國防工業(yè)出版社1974 應(yīng)用光學(xué)薄膜，唐晉發(fā)、鄭權(quán)著，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984玻璃鍍膜， H.K.普爾克爾著，仲永安等譯，科學(xué)出版社，1988光學(xué)薄膜原理，林永昌、盧維強著，國防工業(yè)出版社1990薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊，田民波、劉德令，機械工業(yè)出版社，1991OPTICAL THIN FILMS USER HANDBOOK,JAMES D.RANCOUNT薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論你所知道的關(guān)于薄膜鍍膜鏡片濾光片、反射鏡牛頓環(huán)類金剛石膜薄 膜 光 學(xué)前言 前

2、言- 人類生活在周圍充滿著光的世界里，光是一種人們無時無刻不遇到的自然現(xiàn)象。更為重要的是：光是信息的重要載體，研究光的本性及其傳播規(guī)律的學(xué)科就是光學(xué)。 和光打交道，離不開光學(xué)薄膜， 薄膜光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)，它是物理光學(xué)的一個重要分支。專項技術(shù) 另一方面，由于光學(xué)薄膜的制備過程與真空技術(shù)、表面物理、材料科學(xué)、等離子體技術(shù)等等密切相關(guān)，所以光學(xué)薄膜又可以稱得上是一門綜合學(xué)科 近年來，薄膜光學(xué)技術(shù)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，特別是計算機技術(shù)給薄膜理論分析帶來巨大方便。薄 膜 光 學(xué)前言 前言 光學(xué)薄膜這門學(xué)科已成為現(xiàn)代光學(xué)不可缺少的一個重要組成部分，沒有光學(xué)薄膜，許多現(xiàn)代光學(xué)裝置

3、便無法發(fā)揮效能，失去作用，無論在提高或降低反射率、吸收率與透射率方面，在使光束分開或合并方面，或者在分色方面，在使光束偏振或檢偏方面，以及在使某光譜帶通過或阻滯方面，在調(diào)整位相方面等等，光學(xué)薄膜均起著至關(guān)重要的作用。 總之，薄膜在許多場合都扮演關(guān)鍵腳色。薄膜器件的輕巧靈便、穩(wěn)定給它帶來更廣闊的應(yīng)用 ：窄帶濾光片光柵單色儀什么是光學(xué)薄膜Optical coatings 一般來講薄膜敷于光學(xué)玻璃、塑料、晶體等基底上；Optical thin films 通常意義的光學(xué)薄膜；Optical layers 光學(xué)薄膜的一個特點是分層結(jié)構(gòu)；可以用三個常用的英文來形象的解釋：薄 膜 光 學(xué)前言薄膜光學(xué)課程目

4、的了解光學(xué)薄膜的基礎(chǔ)理論， 掌握簡單的設(shè)計了解薄膜制作方法及相關(guān)工藝， 了解常用薄膜的性能指標(biāo)及相關(guān)的檢測方法 薄 膜 光 學(xué)前言薄膜光學(xué)課程目的對于今后有志于從事薄膜領(lǐng)域工作的同學(xué)起到一個拋磚引玉的作用對于從事其他學(xué)科研究、應(yīng)用的同學(xué)起到一個了解光學(xué)薄膜、了解如何用光學(xué)薄膜、如何用好薄膜的作用薄 膜 光 學(xué)前言光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史 人類最早發(fā)現(xiàn)的五光十色的肥皂泡，水面上彩色斑爛的油膜，兩玻璃片間的空氣層中常呈現(xiàn)出色彩鮮艷的光環(huán)，所有這些現(xiàn)象早在十七世紀(jì)就引起了許多自然科學(xué)家的注意，他們各自部提出了一些初步解釋，但均不令人滿意 ，直到一百五十年以后，即1801年托馬斯 楊干涉實驗結(jié)果以及菲涅耳對

5、此進(jìn)一步發(fā)揚光大以后，上述現(xiàn)象才徹底為人們弄清，物理光學(xué)的基礎(chǔ)才從此建立起來今天我們可以說，整部薄膜光學(xué)的物理依據(jù)就是光的干涉。 薄 膜 光 學(xué)前言光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史 夫瑯和費早在1827年制成了可以說是第一批減反射膜，他將經(jīng)過精細(xì)地拋光的平面玻璃一半放在濃硫酸或濃硝酸中腐蝕。將玻璃上的酸液清洗干凈之后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)酸腐蝕的表面所反射的光強遠(yuǎn)低于另一半表面的反射光強，即酸經(jīng)過的那部分玻璃表面失掉了某種成分，形成薄薄一層折射率比玻璃基底折射率低的失澤層，不過玻璃還未遭刻蝕，“因為其適時光仍和另一半表面一樣(實際上更高)，以致在透射光中仔細(xì)檢查也不能找出它們的分界線來，”經(jīng)過硫酸或硝酸的這種處理之后，有

6、些牌號的玻璃表面呈現(xiàn)美麗鮮艷的色彩；使光沿各種不同的角度入射，則色彩婉如肥皂泡一樣變幻無窮。薄 膜 光 學(xué)前言光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史 1886年瑞利在英國皇家協(xié)會報告說：“失澤”的冕玻璃平板，其反射比剛拋光更低原因是玻璃形成了薄薄的一層膜。1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章中寫到，在使用幾年后的普通物鏡的火石玻璃透鏡上“失澤”現(xiàn)象是十分明顯的。我們很高興的是，能夠使這種火石玻璃的擁有者放心，通常用懷疑眼光看待的這層使玻璃“失澤”的薄膜，卻正是觀測者的“摯友”，因為它增加了物鏡的透射率。薄 膜 光 學(xué)前言 事實上，泰勒發(fā)展了一種用化學(xué)侵蝕產(chǎn)生“失澤”而制作化學(xué)減反膜的方法

7、。 目前制備光學(xué)應(yīng)用的薄膜的主要方法是真空蒸發(fā)法和濺射法，后者在十九世紀(jì)中葉就發(fā)現(xiàn)了，而前者可追朔到二十世紀(jì)初。但在1930年以前，它們不能作為實用的鍍膜方法，因為沒有獲得高真空的真正適用的抽氣機，直到1930年出現(xiàn)了油擴散泵機械泵抽氣系統(tǒng)以后，制造實用的真空鍍膜機才成為可能。 光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史薄 膜 光 學(xué)前言 三十年代中期德國的鮑爾和美國的斯特朗先后用真空蒸發(fā)方法制備了單層減反射膜，這種簡單的減反射膜至今在一般的光學(xué)裝置上還被大量地應(yīng)用。 折射率為152的玻璃敷有折射率為138的氟化鎂薄膜后，單面的反射損失可從4.2%減少到15%左右，例如7塊平板系統(tǒng)鍍膜后，在參考波長上總的透射率可近似

8、地估計為： T(097)7807% 未鍍膜： T=(0.92)7=55.7%這比沒有經(jīng)過鍍膜處理的系統(tǒng)提高了約25的透射能量光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史薄 膜 光 學(xué)前言 薄膜可分成兩大部分，第一部分是光學(xué)薄膜，第二部分是光學(xué)波導(dǎo)及其相應(yīng)器件，前者的特點是光橫穿過薄膜而進(jìn)行傳播；后者的特征是光沿著平行薄膜界面的方向在膜內(nèi)傳播，對于光學(xué)薄膜，在一塊基片上淀積五、六十層膜并非罕見，涂鍍工藝是比較成熟的；而對光學(xué)波導(dǎo)，則膜層層數(shù)一般不多，通常僅用一層膜，其鍍制工藝仍處在發(fā)展初期。本課程講的是第一種情況。光學(xué)薄膜的發(fā)展歷史薄 膜 光 學(xué)前言前言光學(xué)薄膜的應(yīng)用 薄膜光學(xué)是物理光學(xué)的一個重要分支，它研究的對象是膜層

9、對光的反射、透射、吸收以及位相特性、偏振效應(yīng)等，簡而言之，它主要研究光在分層媒質(zhì)中的傳播規(guī)律性。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 光在通過分層媒質(zhì)時，來自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，人們正是利用這種干涉現(xiàn)象，通過改變材料及其厚度等特性來人為的控制光的干涉，根據(jù)需要來實現(xiàn)光能的重新分配。前言光學(xué)薄膜的應(yīng)用薄 膜 光 學(xué)前言前言光學(xué)薄膜的應(yīng)用光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用：提高光學(xué)效率、減少雜光。如高效減反射膜、高反射膜。 實現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根據(jù)不同需要進(jìn)行能量再分配的光學(xué)元件。通過波長的選擇性透過提高系統(tǒng)信噪比。如窄帶及帶通濾光片、 長波

10、通、短波通濾光片。實現(xiàn)某些特定功能。如ITO透明導(dǎo)電膜、保護(hù)膜等 薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論與鍍膜技術(shù)密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鍍膜眼鏡幕墻玻璃濾光片ITO膜車燈、冷光鏡、舞臺燈光濾光片光通信領(lǐng)域：DWDM、光纖薄膜器件紅外膜投影顯示薄 膜 光 學(xué)前言前言光學(xué)薄膜的應(yīng)用目前光學(xué)薄膜兩個重要的應(yīng)用領(lǐng)域：光通信：以DWDM(dense wavelengh division multiplexer)filter為代表的光無源器件信息顯示技術(shù)：LCD、LCOS投影顯示技術(shù)薄 膜 光 學(xué)前言光學(xué)薄膜在液晶投影顯示中的應(yīng)用薄 膜 光 學(xué)前言光學(xué)薄膜在液晶投影顯示中的應(yīng)用高效率的減反射膜與高反射膜冷光鏡及紅外、紫外截止濾光

11、片 偏振光轉(zhuǎn)換用膜分色與合色光學(xué)薄膜 液晶投影顯示系統(tǒng)中，幾乎所有的典型的光學(xué)薄膜都得到了應(yīng)用。-唐晉發(fā)薄 膜 光 學(xué)前言光學(xué)薄膜在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用以光通信中DWDM filter位代表的光學(xué)薄膜應(yīng)用是目前光學(xué)薄膜技術(shù)最高水平的代表。光通信曾經(jīng)給光學(xué)薄膜技術(shù)帶來了前所未有的商機薄 膜 光 學(xué)前言DWDM filter 當(dāng)前，光通信技術(shù)以超乎人們想象的速度在發(fā)展。在過去的10年中，光傳輸?shù)娜萘刻岣吡?00倍，預(yù)計在未來的10年里還將提高100倍左右。波分復(fù)用技術(shù)，（ wavelength division multiplexer簡稱WDM）的出現(xiàn)使光通信系統(tǒng)的容量幾十倍、成百倍地增長，可以說，沒

12、有波分復(fù)用技術(shù)也就沒有現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的光通信事業(yè)。傳統(tǒng)的擴容方法采用ETDM(電時分復(fù)用)方式，由于受到種種制約，人們越來越傾向于光復(fù)用，光復(fù)用有兩種技術(shù)，即光時分復(fù)用(OTDM)和光波分復(fù)用(OWDM)。由于電域沒有波分的提法，故OWDM一般簡稱為WDM。 薄 膜 光 學(xué)前言DWDM filter 雖然，OTDM有許多的優(yōu)點，但由于其關(guān)鍵技術(shù)（高重復(fù)率超短光脈沖源、超短光脈沖傳輸技術(shù)、時鐘提取技術(shù)和時分解復(fù)用技術(shù)）比較復(fù)雜，更為重要的是實現(xiàn)這些技術(shù)的器件特別昂貴，而且制作和實現(xiàn)均很困難，所以這項技術(shù)遲遲沒有得到很大的發(fā)展和應(yīng)用。 WDM就是指從光域上用波長復(fù)用方式來改進(jìn)傳輸效率，提高復(fù)用效率。

13、其突出優(yōu)點為“能在一根光纖中同時傳輸不同波長的幾個甚至成百上千個光載波信號，不僅能充分利用光纖的帶寬資源，增加系統(tǒng)的傳輸容量，而且還能提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。薄 膜 光 學(xué)前言以往WDM僅指1310/1550nm的簡單復(fù)用，DWDM指1550nm波長區(qū)段內(nèi)的密集復(fù)用，目前由于傳輸距離的要求和光放大器（EDFA）的使用，由于EDFA增益譜寬的原因，使得1310/1550nm的簡單復(fù)用逐步被淘汰。當(dāng)前，所謂的WDM已不再是以往意義上的簡單復(fù)用，除非特別說明，WDM僅指1550nm波長區(qū)段內(nèi)的密集復(fù)用。DWDM filter薄 膜 光 學(xué)前言filter薄 膜 光 學(xué)前言多信道點對點WDM系統(tǒng)WDM f

14、ilter 工作原理薄 膜 光 學(xué)前言JDS Uniphase等公司稱之為Interleaver的示意圖 100GHz的頻率間隔通過兩個分別頻率間隔為目標(biāo)間隔兩倍的普通復(fù)用/解復(fù)用器的組合使用，一個專門配合偶數(shù)的頻道數(shù)，一個專門配合奇數(shù)頻道數(shù)。再配合一個可以將信號按奇偶分開的Interleaver，就可以實現(xiàn)50GHz的頻率間隔。薄 膜 光 學(xué)前言DWDM filter 主要技術(shù)指標(biāo)中心波長：1550nm;帶寬4nm(100GHz)溫漂：1pm/0C=0.1nm/ 1000C插入損耗：0.2db 透過率約為95%隔離度高薄 膜 光 學(xué)前言DWDM filter 制作部分參數(shù)層數(shù)大于100（Co

15、rning 3腔108層，100GHz)鍍膜機口徑1.1m,有用面積小于100mmAPS1104/DWDM;光控：OM3000工件旋轉(zhuǎn)速度3000轉(zhuǎn)/分薄 膜 光 學(xué)前言DWDM filter 制作關(guān)鍵技術(shù)的解決例如：解決無溫漂、基板測溫、低損耗基底材料、鍍膜材料（k-4,T67%或1.87dB;k-5,T95%或0.2dB)溫度監(jiān)控：熱像儀、激光測溫工藝手段德國Leybold ：APS源、電子槍日本Optorun：電子槍+離子輔助美國Ion-tech：離子束濺射薄 膜 光 學(xué)前言本學(xué)期課程安排光學(xué)薄膜的基礎(chǔ)理論分析光學(xué)薄膜的幾種有效方法幾種典型膜系介紹成膜機理及工藝簡介常用的薄膜材料特性薄

16、膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論光學(xué)薄膜基礎(chǔ)理論幾個條件：工作波段：光學(xué)薄膜厚度于考慮的波長在一個數(shù)量級薄膜的面積與波長相比可認(rèn)為無限大薄膜材料各向均勻、同性薄膜材料為非鐵磁性材料光穿過膜層而非沿著膜層在膜層內(nèi)傳播薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 Dr. Angus Macleod has over 200 publications in the field of optics including the book Thin Film Optical Filters. He is Professor Emeritus of Optical Sciences at the University of Arizona a

17、nd President of Thin Film Center Inc. For his work in education and research he was awarded the 1997 Esther Hoffman Beller medal of the Optical Society of America for outstanding contributions to the teaching of optics and the Gold Medal of the SPIE in 1987. He has taught courses in optical topics a

18、ll over the world to classes from one or two to over two hundred. He specializes in teaching techniques for understanding and logical thinking that avoid complicated theory without oversimplification薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論薄膜光學(xué)的基礎(chǔ)理論電磁場的基本性質(zhì)光學(xué)薄膜系統(tǒng)特性計算對稱膜系等效折射率分析方法介紹麥克勞德的導(dǎo)納軌跡圖解技術(shù)薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論光學(xué)薄膜基礎(chǔ)理論幾個條件：工作波段：光學(xué)薄膜厚度

19、于考慮的波長在一個數(shù)量級薄膜的面積與波長相比可認(rèn)為無限大薄膜材料各向均勻、同性薄膜材料為非鐵磁性材料光穿過膜層而非沿著膜層在膜層內(nèi)傳播薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論電磁波譜電磁波譜光是電磁波薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論薄膜的干涉兩束光產(chǎn)生干涉的條件：頻率相同振動方向一致位相相同或位相差恒定薄膜的雙光束干涉 薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論單層膜的多光束干涉 多光束干涉強度的計算原則上和雙光束完全相同，也是先把振動迭加，再計算強度，差別僅在于參與干涉的光束由兩束增加到多束，至于計算方法則以采用復(fù)振幅最為方便。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論麥克斯韋方程組微分形式積

20、分形式以上是麥克斯韋在電學(xué)高斯定律、磁學(xué)高斯定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、安培定律總結(jié)歸納出來的薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論E電場強度 j電流密度矢量D電位移矢量 jD位移電流矢量H磁場強度 電荷密度B磁感應(yīng)強度 介電常數(shù)磁導(dǎo)率 電導(dǎo)率個向同性、均勻介質(zhì)物質(zhì)方程：D = E B = H j = E麥克斯韋方程組薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論0平面電磁波理論薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論c2/v2是一個介質(zhì)固有的無量綱的常數(shù)，將c/v記作Nn稱為折射率；k稱為消光系數(shù)N稱為復(fù)折射率；光學(xué)導(dǎo)納薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論整理比較可得：在光學(xué)波段約為1 薄 膜 光 學(xué)

21、基礎(chǔ)理論平面電磁波理論薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論E和H的關(guān)系薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論E和H的關(guān)系薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論 坡印廷矢量電磁波傳播時，表示單位時間內(nèi)通過單位面積的能矢量S,稱為坡印廷矢量，或能流密度這表明電磁波坡印廷矢量和振幅平方及介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納成正比。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論單一界面的反射和折射E和H的邊界條件薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論反射和折射定律薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論反射和折射定律 -菲涅爾折射定律它不僅適用于介質(zhì)，同樣適用于金屬。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論反射

22、和折射定律垂直入射的情況：E和H都與界面平行由于第二種介質(zhì)中沒有反射波：H1=Ht E1=Et 在第一種介質(zhì)中有正方向和反方向兩種波薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論反射和折射定律R可以是正數(shù)、也可以是負(fù)數(shù)（180度為相越變）薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論反射和折射定律對于傾斜入射：引進(jìn)一個修正光納 薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論布儒斯特角薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論當(dāng)?shù)诙N材料是吸收材料時菲涅爾公式還是有效的：這時的透射率沒有意義，反射率可以得到：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論當(dāng)光線入射到介質(zhì)、金屬表面時p-光、s光反射率隨角度的變化情況薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論薄 膜 光

23、 學(xué)基礎(chǔ)理論電學(xué)的高斯定律對于任何閉合的假想面（叫高斯面），通過假想面的電場通量與該面所包圍的凈電荷之間的關(guān)系：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論磁學(xué)的高斯定律對于任何閉合的假想面（叫高斯面），通過假想面的磁場通量為0：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論法拉第電磁感應(yīng)定律變化的磁場產(chǎn)生電場薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論安培定律電流與磁場的關(guān)系薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論位移電流具有與電流相同的量綱及特性復(fù)習(xí)：N=n-ik 復(fù)折射率薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論平面電磁波理論反射和折射定律 -菲涅爾折射定律它不僅適用于介質(zhì)，同樣適用于金屬。復(fù)習(xí)：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論光在兩種材料交界面上的反射光能的反射率：振幅反射系數(shù):薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理

24、論布儒斯特角薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 當(dāng)?shù)诙橘|(zhì)是吸收介質(zhì)，菲涅爾公式也是有效的，不同的只是這種介質(zhì)的折射率N為復(fù)數(shù):N=n-ik 由菲涅耳定律第二種介質(zhì)為吸收時的情況薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論第二種介質(zhì)為吸收時的情況薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論波長為546nm的光入射到金屬Ag和Cu上的情形薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 不管入射角如何，反射光的位相變化不再是00或1800而是它們中間的某一角度, 同時s分量和P分量之間有一個不為0的相對位相差, 因而當(dāng)入射光為線偏振光在吸收介質(zhì)上反射后通常成為橢圓偏振光， 正是基于這種認(rèn)識，利用反射光的橢圓偏振測量就可確定吸收介質(zhì)的光學(xué)常數(shù)。第二種介質(zhì)為吸收時的情況薄 膜 光

25、 學(xué)基礎(chǔ)理論本節(jié)主要內(nèi)容： 單層膜反射率及其特征矩陣膜系的等效光納及特征矩陣薄膜的反射、透射、吸收光學(xué)薄膜的透射定理光學(xué)薄膜系統(tǒng)特性計算薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 單層膜的反射在膜層內(nèi)b界面上：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 單層膜的反射薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 單層膜的反射在膜層內(nèi)E和H在邊界a上的值為： 薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 單層膜的反射在入射介質(zhì)中看a界面上：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 單層膜的反射上述結(jié)果用矩陣表示：在知道界面a處Ea和Ha后，利用上堂課的方法可求出反射率，仿造導(dǎo)納的定義公式，定義膜系的導(dǎo)納Y為：這時的問題就可以當(dāng)作求光納為 的入射媒質(zhì)和光納為Y膜系之間單一界面的問題。薄 膜 光 學(xué)基

26、礎(chǔ)理論 單層膜的特征矩陣由公式：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 單層膜的反射單層膜的反射率為： 這樣就把單層膜的問題等效成了單一界面的問題，而不是用多次干涉的方法。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 /2和/4的光學(xué)厚度薄膜的特征矩：當(dāng)單層膜光學(xué)厚度為/2和/4的整數(shù)倍薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 /2和/4的光學(xué)厚度這時的情況雖不象n為偶數(shù)時那么簡單，但是計算還是方便的。如果基片或膜系具有等效光納Y,在其上鍍一層厚度為/4奇數(shù)倍，特征光納 的薄膜后，膜系的等效光納變?yōu)?/Y。由于/2和/4的光學(xué)厚度的膜層組成的膜系比較簡單，所以膜系設(shè)計常常用指定波長1/4的倍數(shù)來表示，一般只用兩種或三種不同的膜料構(gòu)造膜系， /4光學(xué)

27、厚度的常用縮寫符號是H、M、L分別表示高、中、低折射率。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 /2和/4的光學(xué)厚度當(dāng)膜層的光學(xué)厚度為/2時當(dāng)膜層的光學(xué)厚度為/4時薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論單層膜的反射薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 多層膜的反射假設(shè)在前面討論的單層膜上再加上一層膜，如圖這時與基底相連的界面為c，則緊貼基底的膜層的特征矩陣：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 多層膜的反射容易得到：稱為該雙層膜系的特征矩陣，Y=C/B則反射率為：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 多層膜的反射將這一結(jié)果推廣到多層膜：薄膜的特征矩陣的行列式等于1薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 多層膜的反射、透射、吸收應(yīng)該說在上面的方程中已經(jīng)包含了足夠的數(shù)據(jù)，不僅能夠計算膜

28、系的反射率、也可以計算透射率和吸收。為了使計算有意義，我們要求入射媒質(zhì)、基片都是透明的。由坡印廷矢量的平均值公式：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 多層膜的反射、透射、吸收如果在最末一個界面的電矢量振幅為Ek，則基片中的坡印廷矢量為：如果膜系的特征矩陣為：那么在入射界面坡印廷矢量為：假定入射能流Si，以上公式代表實際進(jìn)入膜系的能流，即（1-R)Si薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 多層膜的反射、透射、吸收所以：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 多層膜的反射、透射、吸收透射率公式還可以有如下形式：吸收率A:薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 多層膜的反射、透射、吸收可以證明當(dāng)每一層的吸收都為0時，整個膜系的吸收A=0，因為薄膜特征矩陣的

29、行列式為1并且任意多的矩陣乘積的行列式也等于1，于是特征矩陣可寫成：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論膜系的透射定理 無論膜層是否有吸收，膜系的透射率與光的傳播方向無關(guān)。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論 膜系的透射定理我們將膜系一側(cè)的介質(zhì)記為0另一側(cè)記為n+1,其中0緊貼第一層膜。在第一中方向時，膜系特征矩陣：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 膜系的透射定理 由此可見根據(jù)膜系的透射定理，薄膜的透射率從兩個方向看時是一樣的，所以不可能用薄膜的辦法制作單向透光的元件，而反射率、吸收率可一是不同的，人們根據(jù)這個原理來制作有些特殊用途的玻璃。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論小結(jié)對于多層膜：薄 膜 光 學(xué)基

30、礎(chǔ)理論小結(jié)反射率透射率吸收率 反射相移薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所復(fù)習(xí)：對于多層膜薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所反射率透射率吸收率 反射相移薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 膜系的透射定理膜系的透射定理: 薄膜的透射率與光線的入射方向無關(guān)，所以不可能用薄膜的辦法制作單向透光的元件，而反射率、吸收率可是不同的。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所本此課的主要內(nèi)容光學(xué)薄膜在傾斜入射時的表現(xiàn)考慮到基片背面反射時的情況對稱膜系的等效折射率矢量法麥克勞德納圖解法簡介用麥克勞德納圖解法解釋單、

31、雙層增透膜薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所當(dāng)光線傾斜入射到薄膜上的情況考慮薄膜的特征矩陣以及其中的參數(shù)：入射角的變化將影響等效導(dǎo)納和膜層的光學(xué)厚度薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所對膜層光學(xué)厚度的影響導(dǎo)致波長漂移薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所當(dāng)光線傾斜入射到薄膜上的情況由于對P光和S光等效導(dǎo)納的影響不一致，導(dǎo)致傾斜入射偏振分離薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所對膜層光學(xué)厚度的影響導(dǎo)致波長漂移薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所考慮到基片背面反射的情況在厚基片下，

32、考慮到背面的反射：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所對于紅外高折射率材料Si、Ge等尤其要考慮基片中多次反射的非相干疊加考慮到基片背面反射的情況薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 對稱膜系的等效折射率對于單層膜我們可以用一個矩陣M單來表示，對于一個多層膜可以用一組矩陣的乘積來表示：M多=M1M2M3Mn，一般來講M多中的每一層都是無吸收介質(zhì)時，矩陣M多中m11和m22為純實數(shù)，m12和m21為純虛數(shù)，并且，行列式值為1，但是一般情況下m11和m22并不相等，這一點與單層膜的性質(zhì)是不同的，所以在數(shù)學(xué)上就不能等同于一個單層膜。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理

33、論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 對于以中間一層為中心，兩邊對稱安置的多層膜，卻具有單層膜特征矩陣的所有特點，在數(shù)學(xué)上存在著一個等效層，這為等效折射率理論奠定了基礎(chǔ)。 下面我們就以最簡單的對稱膜系(pqp)為例說明對稱膜系在數(shù)學(xué)上存在一個等效折射率的概念。這個稱膜系的特征矩陣為： 對稱膜系的等效折射率薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 對稱膜系的等效折射率做矩陣的乘法運算得： 正是由于第四個關(guān)系式成立才使我們有可能引入等效折射率的概念薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 由于對稱膜系的待征矩陣和單層膜的特征矩陣具有相同的性質(zhì)，可以假定以

34、相似的形式來表示： 對稱膜系的等效折射率因此它可以用一層特殊的等效單層膜來描寫， 這層等效膜的折射率E（等效折射率）和位相厚度 (等效位相厚度) 可以由下面方程求得：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 對稱膜系的等效折射率所以有：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 對稱膜系的等效折射率從M=pqp可以推廣到任意多層的對稱膜系在數(shù)學(xué)上都可以用一個單層膜的特征矩陣所表示。例如：M=h(u(v(pqp)v)u)h另：最常用的周期膜系如：M=HLHLHLHLHLH一方面表示為:M=H(L(H(L(H)L)H)L)H另一方面可以表示為：M=H/2（H/

35、2LH/2)5H/2的形式H/2LH/2是一個對稱單元薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所L/2HL/2等效折射率H/2LH/2 對稱膜系的等效折射率g相對波數(shù)薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 對稱膜系的等效折射率對于某些波長范圍M11的絕對值大于1薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 對稱膜系的等效折射率對于M11的絕對值小于1的情況： 上式表示一個周期性對稱膜系在它的透射帶中仍然存在有一個等效折射率，它和基本周期對稱組合等效折射率E完全相同，并且它的等效位相厚度等于基本周期的等效位相厚度s倍薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中

36、國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 當(dāng)對稱膜系中各分層的厚度很小時(例如不超過10nm)，等效折射率E幾乎是一常數(shù)，它介于Np和Nq之間，取決于分層厚度的比值，同時位相厚度和對稱膜系實際的總的位相厚度成比例，在大多數(shù)情況下其比例常數(shù)接近于1。 因此這種基本周期的厚度很小的周期性對稱膜系非常類似于色散很小的單層均勻薄膜，可以用來替換那些折射率無法實現(xiàn)的膜層， 它在減反膜的設(shè)計中，得到了實際應(yīng)用。 對稱膜系的等效折射率薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所矢量法 利用組合導(dǎo)納的遞推法或短陣法計算膜系的反射率雖然比較嚴(yán)格和精確，計算卻較為復(fù)雜， 其工作量也較大。 對于層數(shù)較少

37、的減反射膜可以用矢量法作近似計算和設(shè)計，這種方法有兩個前提：膜層沒有吸收；在確定多層膜的特性時只考慮入射波在每 個界面的單次反射；薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所矢量法如果忽略膜層內(nèi)的多次反射，則合成的振幅反射系數(shù)由每一界面的反射系數(shù)的矢量和確定。每個界面的反射系數(shù)都聯(lián)帶著一個特定的相位滯后，它對應(yīng)于光波從入射表面進(jìn)至該界面又回到入射表面的過程薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所矢量法如果膜層沒有吸收那么各個界面的振幅反射系數(shù)為實數(shù)各層薄膜的位相厚度為:薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所矢量法 矢量法的計算步驟是首先

38、計算各個界面的振幅反射系數(shù)和各層膜的位相厚度，把各個矢量按比例地畫在同 一張極坐標(biāo)圖上，然后按三角形法則求合矢量 求得的合矢量的模即為膜系的振幅反射系數(shù)，幅角就是反射光的位相變化而能量反射率是振幅反射系數(shù)的平方。 若在所考慮的整個波段內(nèi)，忽略膜的色散，則對于所有波長振幅反射系數(shù)r1，r2、r3和r4均相同。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所矢量法 為了避免在作矢量圖時方向混亂，我們可以規(guī)定： 1 矢量的模r1, r2, r3, r4，正值為指向坐標(biāo)原點負(fù)值為離開原點 2 矢量之間的夾角僅決定于膜層的光學(xué)厚度和所考察的波長(即決定于膜層的位相厚度)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。界面

39、上的位相躍變已經(jīng)包含在振幅反射系數(shù)的符號中，不必另作考慮。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所矢量法舉例：3層膜N0=1 N1=1.38 N2=1.9 N3=1.65 N4=1.52各層的光學(xué)厚度：N1d1=/4 N2d2=/2 N3d3=/4 0=520nm,我們分別計算400nm 520nm 650nm處的反射率反射系數(shù)分別為：不同波長的夾角：薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所矢量法R400nm=0.81%R520nm=0.09%R650nm=0.49%薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所麥克勞得導(dǎo)納圖解技術(shù)簡介 如

40、果從基片開始通過每一層膜直到多層膜的前表面，把 平行于基片的任意平面處的光學(xué)導(dǎo)納畫在一復(fù)平面上則描述了整個生長過程中多層膜導(dǎo)納的變化軌跡。對于每一層介質(zhì)膜，導(dǎo)納軌跡是圓心位于實軸上的園或圓弧。薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1/2厚 度單層MgF2在K9玻璃上的導(dǎo)納軌跡麥克勞得導(dǎo)納圖解技術(shù)簡介薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所麥克勞得導(dǎo)納圖解技術(shù)簡介HLH導(dǎo)納軌跡薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所雙層增透膜的導(dǎo)納軌跡麥克勞得導(dǎo)納圖解技術(shù)簡介H:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)HLH1LH:Y2O3(1.

41、79)L:SiO2(1.46)薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所非規(guī)整雙層層增透膜麥克勞得導(dǎo)納圖解技術(shù)簡介膜系：Air L/2H/10 SubH:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所返回對于底折射率的基底材料，如K9 n=1.516Ra=Rb=4.2% 雙面R=8.06%，和Ra+Rb=8.4%相差無幾如果基底材料是高折射率材料，情況就不同了，如鍺（Ge) n=4 Ra=Rb=36%，雙面R=52.9%，和Ra+Rb=72% 比較差距較大薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所前一

42、次課的主要內(nèi)容光學(xué)薄膜在傾斜入射時的表現(xiàn)考慮到基片背面反射時的情況對稱膜系的等效折射率矢量法麥克勞德納圖解法簡介用麥克勞德納圖解法解釋單、雙層增透膜薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所典型膜系介紹增透膜分光膜反射膜濾光片特殊膜系薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所一. 增透膜（減反射膜） 我們都知道當(dāng)光線從折射率為n0的介質(zhì)射入折射率為n1的另一介質(zhì)時在兩介質(zhì)的分界面上就會產(chǎn)生光的反射, 如果介質(zhì)沒有吸收，分界面是一光學(xué)表面，光線又是垂直入射，則反射率R為：透過率損失，像的亮度降低，影響作用距離等；雜光影響，像的反襯度降低；薄 膜 光 學(xué)典型膜系

43、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 目前已有很多不同類型的增透膜可供利用，以滿足技術(shù)光學(xué)領(lǐng)域的極大部分需要?？墒菑?fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和激光光學(xué)，對減反射性能往往有特殊嚴(yán)格的要求。例如，大功率激光系統(tǒng)要求某些元件有極低的表面反射，以避免敏感元件受到不需要的反射的破壞，并且對于薄膜往往有激光閾值的要求。此外，寬帶增透膜可以提高象質(zhì)量、色平衡和作用距離，而使系統(tǒng)的全部性能增強，因此，生產(chǎn)實際的需要促使了減反射膜的不斷發(fā)展。 設(shè)計減反膜并沒有完整的系統(tǒng)的方法，簡捷的途徑是用矢量法，并通過試行法得到較滿意的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行數(shù)值計算作精確校核，以消除矢量法所固有的近似影響。一.減反射膜（增透膜）薄 膜 光 學(xué)

44、基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所矢量法 對于層數(shù)較少的減反射膜可以用矢量法作近似計算和設(shè)計，這種方法有兩個前提：膜層沒有吸收；在確定多層膜的特性時只考慮入射波在每 個界面的單次反射；薄 膜 光 學(xué)基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所矢量法 為了避免在作矢量圖時方向混亂，我們可以規(guī)定： 1 矢量的模r1, r2, r3, r4，正值為指向坐標(biāo)原點負(fù)值為離開原點 2 矢量之間的夾角僅決定于膜層的光學(xué)厚度和所考察的波長(即決定于膜層的位相厚度)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。界面上的位相躍變已經(jīng)包含在振幅反射系數(shù)的符號中，不必另作考慮。薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理

45、研究所1.1 單層增透膜單層增透膜是減少界面反射的最簡單途徑，如右圖用矢量法分析：從矢量圖上可以看到，合振幅矢量r隨著r1和2之間的夾角2而變化合矢量端點的軌跡為一園周。 當(dāng)膜層的光學(xué)厚度為某一波長的四分之一時，則兩個矢量的方向完全相反。薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.1 單層增透膜矢量法用來分析單層薄膜情況：可見當(dāng)厚度為某一波長1/4，并且r1=r2時剩余反射為零：薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.1 單層增透膜運用矩陣法分析1/4波長厚度時的情況：薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.1 單層增透膜1.

46、1 單層增透膜 對于激光工作物質(zhì)材料表面則n12=n0n2不再是單層膜的零反射率和最小反射率的條件了。薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.1 單層增透膜 單層增透膜的出現(xiàn)，在歷史上是一個重大的進(jìn)展，直至今天仍廣泛地用來滿足一些簡單的用途。但是它存在著兩個主要的缺陷，首光對大多數(shù)應(yīng)用來說剩余反射還顯得太高，此外，從未鍍膜表面反射的光線，在色彩上仍保持中性而從鍍膜表面反射的光線就不然，破壞了色的平銜其結(jié)果是不可能作出良好的色彩還原，作為變焦距鏡頭超廣角鏡頭，大相對孔徑等新型透鏡系統(tǒng)中的鍍層，那更是不能符合要求。 有兩個途徑可以提高增透效果：采用變折射率的所謂非均勻膜，它

47、的折射率隨著厚度的增加呈連續(xù)的變化；采用幾層折射率不同的均勻薄膜構(gòu)成多層增透膜；薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.2 雙層增透膜 對于單層氟化鎂膜來說冕牌玻璃的折射率是太低了。為此，我們可以在玻璃基片上先鍍一層1/4波長厚的、折射率為n2的薄膜，這時對于來說薄膜和基片組合的系統(tǒng)可以用一折射率為Y=N23/n3的假想基片來等價。顯然，當(dāng)n2n3時，有Yn3也就是說，在玻璃基片上先鍍一層高折射率的04波長厚的膜層后，基片的折射率好象從n3提高到Y(jié)=N23/n3 ，然后鍍上04波長厚的氟化鎂膜層就能起到更好的增透效果。 構(gòu)成04- 04型增透膜，若使中心波長的反射率為零

48、，應(yīng)滿足：薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.2 雙層增透膜 當(dāng)折射率完全滿足以上關(guān)系的材料不能找到時，可以通過厚度的調(diào)整來達(dá)到，如圖所示，n0、n3分別為入射介質(zhì)和基片的折射率，n1和n2為折射率己確定的低折射率和高折射率材料的膜層，1、2便是待定的膜層位相厚度，用矢量法進(jìn)行分析:薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.2 雙層增透膜只有當(dāng)矢量r1、r2和r3組成封閉三角形才能使合矢量為零。因此只須以矢量r1的始點和終點為圓心，分別以r3和r2為半徑作兩個園，兩個園的交點就是滿足合矢量為零條件的矢量r2和r3頭尾相接的點，然后從矢量圖上即可

49、量得21、22的值。顯然，圖示的兩種方式，都能使三角形封閉。解(b)的膜層總厚度比解(a)的小，它對波長的敏感性也較小，所以通常取此解。用矢量法求出雙層增透膜的各層厚度紅線：1.38H 0.61L蘭線：0.31H 2.77L NH=1.7 NL=1.461.2 雙層增透膜薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 上面討論的04- 04 結(jié)構(gòu)的V形膜只能在較窄的光譜范圍內(nèi)有效地減反射，因此僅適宜于工作波段窄的系統(tǒng)中應(yīng)用厚度為04- 02型的雙層增透膜，在中心波長0兩側(cè)， 可望有兩個反射率極小值，反射率曲線呈W型，所以也有把這種雙層增膜稱作為W型膜的對于中心波長膜層和基片組合的

50、特征矩陣為1.2 雙層增透膜薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.2 雙層增透膜顯然，在中心波長處的反射率與單層膜相同。 薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.2 雙層增透膜薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所1.2 三層增透膜 雙層增透膜的減反射性能比單層增透膜要優(yōu)越得，但它并沒有全部克服單層增透膜的兩個主要缺點（1）剩余反射高；（2）帶寬小。為了克服以上的缺點人們設(shè)計出了三層以及多層增透膜。對于04- 04 型的增透膜在中心波長處增透效果好但是帶寬較小， 04- 02型的增透膜在一定程度上展寬了帶寬但是總體的減反射

51、效果不理想，人們想到將它們結(jié)合起來，設(shè)計出0/4-0/2-0/4-0型增透膜，不僅提高了增透效果，而且展寬了帶寬。 總之，人們可以通過調(diào)整層數(shù)、厚度、材料來不斷的優(yōu)化設(shè)計，由于實際工作中04的整數(shù)倍厚度容易控制，人們把全部由04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。薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所G.25453I .06773H .0459I .10938L .05389H .08113L .21788F Air I:1.7 H:2.3 L:1.46 F:1.38 薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科

52、學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所高折射率基底材料的的減反射膜 在可見區(qū)應(yīng)用的大多數(shù)光學(xué)玻璃，通常在波長大于3微米以后就不再透明因此，在紅外區(qū)經(jīng)常采用某些特種玻璃和晶體材料特別是半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體有很高的折射率，例如硅約為3.4而鍺大約是4。 這些半導(dǎo)體基片若不鍍增透膜，就不可能廣泛地使用這個問題不同于可見區(qū)，在可見區(qū)，其目的是將大約4%的反射損失減小到千分之幾，而在紅外區(qū)，則是將30%左右的反射損失減小為百分之幾。一般說在紅外區(qū)百分之幾的損失是允許的，因而低折射率基片通常很少鍍減反膜。紅外材料鍍膜從原理上講同可見是一致的，只不過材料的選擇余地較小。減反射膜的一個特殊應(yīng)用光學(xué)鍍層應(yīng)用于太陽能利用

53、方面 太陽能利用有光熱轉(zhuǎn)換、光熱電轉(zhuǎn)換和光電直接轉(zhuǎn)換三種主要形式。前兩種形式都要有一個選擇性的吸收表面，。使之對太陽損射有最高的吸收而熱輻射損失又最久以便有效地利用太陽能這一點利用光學(xué)鍍層是容易實現(xiàn)的。如圖表示入射在地球表面上的太陽光的光譜分布以及黑體在不同溫度下輻射光譜。從圖上可以清控地看到達(dá)兩個光譜之問存在著間隔， 對于500K以下的黑體溫度兩者的邊界波長大約在2.5微米左右。由于存在著這個間隔，就能做成這樣的表面，既能有效地吸收太陽光而又不會在工作溫度下把吸收的能量再發(fā)射出去。減反射膜的一個特殊應(yīng)用光學(xué)鍍層應(yīng)用于太陽能利用方面 需要這樣的選擇性吸收體：在2.5微米以下波長區(qū)域有最高的吸收

54、率，但是對于長波長有低的發(fā)射率。 于是放置在太陽光中的選擇性吸收體將達(dá)到比一般的黑體表面更高的溫度。 由于熱能在高溫比低溫更寶貴(這一點是很重要的)，在紅外區(qū)有高反射的金屬上沉積一薄的半導(dǎo)體層和一簡單的減反射膜組成的系統(tǒng)能滿足這個要求，半導(dǎo)體層增加了太陽輻射的吸收 率，但它對于紅外區(qū)是透明抵所以保持了紅外區(qū)有高的反射率也即低的紅外發(fā)射率，但由于半導(dǎo)體折射率較高，表面有可觀的反射損率，因此可以用減反膜來消除反射。減反射膜的一個特殊應(yīng)用光學(xué)鍍層應(yīng)用于太陽能利用方面減反射膜的一個特殊應(yīng)用光學(xué)鍍層應(yīng)用于太陽能利用方面薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所使用增透膜的幾個注意事項使

55、用的波長范圍，單點還是寬光譜或一段光譜帶一點；例如可見區(qū)(420nm-700nm)，或紅外（3700nm-4800nm)，或可見區(qū)加1064nm等；剩余反射率指標(biāo)；（平均或最大剩余反射率）使用角度或角度范圍；使用環(huán)境；（有無三防要求等）有無激光閾值要求；薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所分光膜 一般講分光膜可以分為分束膜和分色膜，后者是按顏色（波長）不同進(jìn)行分光，本節(jié)主要講分束膜，它把一束光分按比例成光譜成分相同的兩束光， 也即它在一定的波長區(qū)域內(nèi)，如可見區(qū)內(nèi)，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，并呈中 性。分光鏡通?？偸莾A斜使用的，它

56、能把入射光分離成反射光和透射光兩部分，對于不同的用途分光鏡往往有不同的透射率和反射率比TR。分光板的兩種使用方式薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所分束鏡又可以按使用方式分為平板和棱鏡分光兩種正確錯誤棱鏡分光1.NPBSNon-polarising beam splitter2.PBSpolarising beam splitter薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所金屬分光鏡金屬分光鏡是最常用的分光鏡Ag膜：吸收小、中性差、穩(wěn)定性差 在一般場合下要求分光膜的吸收小，因而在用金屬作為分光

57、膜時應(yīng)選擇kn值大一些的材料在可見區(qū)，銀是吸收最小的一種金屬膜，但中性稍差，在光譜的藍(lán)色端反射率下降，而且銀的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性都不好，一般只在膠合棱鏡中使用；Al膜和Cr也經(jīng)常用作分光膜；Al膜也存在中性和牢固度的問題Cr膜的中性較好，一般在可見區(qū)的長波段比短波端透射高。鎳鉻合金（80Ni-20Cr)在較寬的光譜范圍內(nèi)中性較好。薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所金屬分光鏡薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所11nm金屬鉻(Cr)在正反兩個方向入射時的反射率中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械

58、與物理研究所薄 膜 光 學(xué)典型膜系金屬中性分光G/11nm Cr膜/AirG/53nmZnS/11nm Cr膜/Air 薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所金屬分光鏡金屬分光鏡的優(yōu)缺點優(yōu)點：中性好，光譜范圍寬、偏振效應(yīng)小、制作簡單缺點：吸收大、激光閾值低使用注意事項：光的入射方向薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所介質(zhì)分光膜 在某些情況下，不允許分光膜有明顯的吸收，這時就必須使用全介質(zhì)分光膜，其實一層高折射率材料就可以構(gòu)成簡單的分光膜。在透明基片ng上鍍上一層1/4波長的高折射率的介質(zhì)薄膜(n1)就能增加反射率，減小透射率，在中心波長附近一個相當(dāng)

59、寬的波長范圍內(nèi)這種膜的反射率隨被長改變得非常緩慢中心波長處的反射率為一極大值，可由下式計算：薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所04厚單層薄膜材料在K9基片反射率隨折射率的變化情況薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所介質(zhì)分光膜 一般講可見區(qū)透明材料的折射率都在2.5以下，要實現(xiàn)50%的反射，即使是單點也很難實現(xiàn)，而且單層膜的有效寬度不夠，所以經(jīng)常使用的是多層介質(zhì)膜。H(LH)n是反射膜系，當(dāng)層數(shù)不多時反射率不高，同時又有一定的透射率，加以適當(dāng)?shù)男拚沟迷谀骋粎^(qū)域內(nèi)有較好的中性，就可以成為一種分光膜。單層ZnS膜與五層G/2LHLHL/Air結(jié)構(gòu)膜

60、系光譜比較G-K9 ; L-MgF2 ; H-ZnS薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所平板分光膜的偏振分離情況薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所棱鏡分光膜的偏振分離情況薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所介質(zhì)分光膜介質(zhì)分光膜的特點優(yōu)點：吸收小，幾乎可以忽略缺點：光譜范圍窄、偏振分離明顯、角度效應(yīng)明顯薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所復(fù)習(xí)：薄 膜 光 學(xué)典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所介質(zhì)分光鏡于金屬分光鏡的比較 中性 角