第1章 薄膜光學(xué)特性計(jì)算基礎(chǔ)

光學(xué)薄膜技術(shù)

OpticalthinfilmsandTechnology聯(lián)系方式電話Q:323194299E-mail：baobaoldd@126.com皖西學(xué)院主要內(nèi)容緒論第一章：光學(xué)薄膜特性的理論基礎(chǔ)第二章：光學(xué)薄膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（介質(zhì)膜系及其應(yīng)用）第三章:光學(xué)薄膜制備技術(shù)第四章：光學(xué)薄膜制備工藝第五章:薄膜材料及其性質(zhì)第六章：光學(xué)薄膜特性測(cè)試研究范疇及內(nèi)容主要論述層狀介質(zhì)的光學(xué)特性。薄膜是一薄的層狀介質(zhì)，是構(gòu)成現(xiàn)代各種光電器件的基礎(chǔ)。在薄膜層中，光波傳輸、電子效應(yīng)都與其在塊狀材料中的行為不同。本課程主要講述波在層狀介質(zhì)中的傳播規(guī)律、膜系設(shè)計(jì)以及薄膜的制備、檢測(cè)技術(shù)等。本課程的內(nèi)容構(gòu)架光學(xué)薄膜技術(shù)薄膜設(shè)計(jì)基本理論光學(xué)薄膜基本種類薄膜制造技術(shù)薄膜制造工藝減反射膜高反射膜截止濾光片帶通濾光片偏振分束膜消偏振膜光學(xué)特性計(jì)算：導(dǎo)納矩陣真空技術(shù)、薄膜沉積技術(shù)工藝參數(shù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、厚度監(jiān)控薄膜材料及其性質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、常用材料薄膜特性測(cè)試光學(xué)特性測(cè)試非光學(xué)特性測(cè)試課程目的了解光學(xué)薄膜的基礎(chǔ)理論及典型膜系，掌握簡(jiǎn)單的膜系設(shè)計(jì)方法；了解薄膜制備方法及相關(guān)工藝，了解常用光學(xué)薄膜的性能指標(biāo)及相關(guān)檢測(cè)方法；對(duì)有志從事薄膜領(lǐng)域工作的同學(xué)起到一定的作用；對(duì)從事其他學(xué)科研究、應(yīng)用的同學(xué)起到了解光學(xué)薄膜、應(yīng)用光學(xué)薄膜、用好光學(xué)薄膜的作用。課程特點(diǎn)

人類生活在周圍充滿光的世界里，光是一種無(wú)時(shí)無(wú)刻都會(huì)遇到的自然現(xiàn)象。更重要的是：光是信息的重要載體，“有光就有膜”，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(gè)重要分支。——專項(xiàng)技術(shù)。另一方面，由于光學(xué)薄膜的制備過(guò)程與真空技術(shù)、表面物理、材料科學(xué)、等離子體技術(shù)等密切相關(guān)，所以光學(xué)薄膜也可以稱得上是一門——綜合學(xué)科；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(jì)算機(jī)技術(shù)給薄膜理論分析帶來(lái)了巨大的方便。

1.唐晉發(fā)，顧培夫，劉旭，等，現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù)，浙江大學(xué)出版社,20062.盧進(jìn)軍，劉衛(wèi)國(guó)編著，光學(xué)薄膜技術(shù),西安工業(yè)大學(xué)出版社3.唐晉發(fā),鄭權(quán)，應(yīng)用薄膜光學(xué)，科學(xué)技術(shù)出版社，19864.唐晉發(fā)，顧培夫，薄膜光學(xué)與技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社,19895.林永昌，盧維強(qiáng)，光學(xué)薄膜原理，國(guó)防工業(yè)出版社,1990主要參考書籍考試方式考試平時(shí)分：30%卷面分：70%

什么是光學(xué)薄膜？什么是光學(xué)薄膜技術(shù)？光學(xué)薄膜的發(fā)展史？光學(xué)薄膜的種類？光學(xué)薄膜應(yīng)用？緒論1.什么是光學(xué)薄膜肥皂泡、水面上的油膜鍍膜鏡片濾光片、反射鏡光學(xué)薄膜：

泛指在光學(xué)器件或光電子元器件表面各類膜系。介質(zhì)膜系的作用：改變薄膜光學(xué)特性

改變方法：利用物理化學(xué)等方法沉積的、利用光的干涉簡(jiǎn)而言之，指控制光束行為的薄膜。常見(jiàn)薄膜（增透、反射、分光、分色、帶通或截止等）

光學(xué)薄膜技術(shù)是光學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要分支，包括(1)薄膜光學(xué):研究光在分層媒質(zhì)中的傳播規(guī)律.(2)薄膜制備技術(shù):研究光學(xué)薄膜的各種制備技術(shù)。2.什么是光學(xué)薄膜技術(shù)光學(xué)薄膜:光橫穿過(guò)薄膜而進(jìn)行傳播光學(xué)波導(dǎo):光沿著平行薄膜界面的方向在膜內(nèi)傳播注意:薄膜光學(xué)分為兩種1、五光十色的肥皂泡、水面上色彩斑斕的油膜、兩玻璃片間色彩鮮明的光環(huán)；2、早在17世紀(jì)，這些現(xiàn)象就引起了許多自然科學(xué)家的注意，他們各自提出了一些初步解釋，但均不令人滿意；3、1801年托馬斯.楊干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果及菲涅爾對(duì)此進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大，上述現(xiàn)象才徹底為人們弄清，物理光學(xué)的基礎(chǔ)從此建立起來(lái)。薄膜光學(xué)的物理依據(jù)就是光的干涉。4、1827年，夫瑯和費(fèi)將拋光的平面玻璃一半放在濃硫酸或濃硝酸中腐蝕、清洗干凈后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)酸腐蝕的表面所反射的光強(qiáng)遠(yuǎn)低于另一半表面的反射光強(qiáng)。3.

光學(xué)薄膜的發(fā)展史5、1886年瑞利在英國(guó)皇家協(xié)會(huì)報(bào)告說(shuō)：“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。6、1891年丹尼斯.泰勒?qǐng)?bào)到，在使用幾年后的普通物鏡的火石玻璃透鏡上“失澤”現(xiàn)象十分明顯。7、1930年出現(xiàn)了油擴(kuò)散—機(jī)械泵抽氣系統(tǒng)，可以獲得高真空，實(shí)用的真空鍍膜機(jī)才成為可能。目前制備光學(xué)薄膜的主要方法是：真空蒸發(fā)法（20世紀(jì)初）和濺射法（19世紀(jì)中期）8、30年代中期，德國(guó)的鮑爾和美國(guó)的斯特朗先后用真空蒸發(fā)方法制備了單層減反射膜；減反射膜Antireflectioncoatings高反射膜High-reflectancecoatings中性分束膜Neutralbeamsplitters截止濾光片Edgefilters帶通濾光片Band-passfilters偏振分光膜Polarizingbeamsplitters相位膜Phasecoatings

4.光學(xué)薄膜種類:根據(jù)薄膜對(duì)光束控制類型分類。5.光學(xué)薄膜的應(yīng)用A:光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用：

(1)提高光學(xué)效率、減少雜散光。如高效減反射薄膜、高反射薄膜。(2)實(shí)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。(3)通過(guò)波長(zhǎng)的選擇性透過(guò)，提高系統(tǒng)的信噪比。如窄帶或帶通濾光片、長(zhǎng)波通、短波通濾光片。(4)實(shí)現(xiàn)某些特定功能。如ITO透明導(dǎo)電膜、保護(hù)膜等。B: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,車燈、冷光鏡、舞臺(tái)燈光濾光片,光通信領(lǐng)域：DWDM、光纖薄膜器件，紅外膜，投影顯示等。第1章

光學(xué)薄膜特性理論計(jì)算第1.1節(jié)電磁波及其傳播第1.2節(jié)單一界面的反射和透射率第1.3節(jié)單層介質(zhì)薄膜的反射和透射第1.4節(jié)多層介質(zhì)薄膜的特性計(jì)算第1.5節(jié)金屬薄膜的光學(xué)特性幾個(gè)條件工作波段：光學(xué)波段薄膜厚度與考慮的波長(zhǎng)在一個(gè)數(shù)量級(jí)薄膜的面積與波長(zhǎng)相比可認(rèn)為無(wú)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(guò)膜層而非沿著膜層在膜層內(nèi)傳播物理機(jī)理：光的干涉研究對(duì)象：光學(xué)薄膜而非光學(xué)波導(dǎo)第1.1節(jié)電磁波及其傳播變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)不斷地相互轉(zhuǎn)化，并由近及遠(yuǎn)的傳播形成電磁波。Maxwell’sequations：物質(zhì)方程：E—電場(chǎng)強(qiáng)度，H—磁場(chǎng)強(qiáng)度，D—電位移，B—磁感應(yīng)強(qiáng)度j是傳導(dǎo)電流密度矢量，是位移電流密度矢量，ρ是電荷體密度

1.電磁波定義：說(shuō)明：2方程的意義:揭示電場(chǎng)與磁場(chǎng)變化規(guī)律，電磁場(chǎng)與物質(zhì)的關(guān)系。將物質(zhì)方程：代入到（1）和（2）式可得：得到對(duì)（4）式取旋度，再將（3）式代人，可得根據(jù)矢量恒等式，（5）式的左邊可寫成：2.波動(dòng)方程目標(biāo)，由2個(gè)微分方程就出單個(gè)量的微分方程（波動(dòng)方程）波動(dòng)方程的一個(gè)解：波動(dòng)方程：它表示一個(gè)振幅為E0，角頻率為的平面波，以速度υ沿x正向傳播。H也有相似的表達(dá)式（5）式和（6）相等，并考慮到介質(zhì)中沒(méi)有空間電荷，即ρ=0，則D=E=0，此時(shí)可得對(duì)于一個(gè)沿正x方向的平面波：將（8）代入（7）即得到此式3.折射率：refractiveindex(1)對(duì)于不導(dǎo)電的均勻介質(zhì)：(2)對(duì)于導(dǎo)電介質(zhì)：意義：該式表示波長(zhǎng)為λ的單色平面波沿x正向傳播的波動(dòng)方程。(1)若平面波沿確定的方向余弦（α、β、γ）傳播則波動(dòng)方程為：電磁波波動(dòng)方程是波長(zhǎng)及折射率的函數(shù)(1)表示電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中是一個(gè)衰減波，消光系數(shù)k是介質(zhì)吸收電磁波的度量。物理意義：(2)當(dāng)x=λ/（2πk）時(shí)，振幅減小為原來(lái)的1/e。(3)振幅的減小是因?yàn)榻橘|(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的電流將波的能量轉(zhuǎn)換為熱能。(4)式中nx稱為光程注意：吸收系數(shù)k與大學(xué)物理中有關(guān)光學(xué)k（2π/λ）是不同的！4.光學(xué)導(dǎo)納（opticaladmittance)

K0為單位矢量推導(dǎo)參照課本定義光學(xué)導(dǎo)納在光波段r=1

介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納可寫為y0—自由空間導(dǎo)納自由空間N=11、Y以y0為單位時(shí)，Y=N（在光波波段介質(zhì)復(fù)折射率表示光學(xué)導(dǎo)納（r=1

）磁場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系通過(guò)Y聯(lián)系在一起說(shuō)明：2、H、E和k0相互垂直，且符合右手法則，光波是電磁橫波；5.邊界條件依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：同樣，在界面上下不存在傳導(dǎo)電流（即j=0）時(shí)，考慮界面兩邊的電磁場(chǎng)，則d=0上式意義：電場(chǎng)強(qiáng)度E切向分量是連續(xù)的1.反射定律和折射定律反射定律折射定律第1.2節(jié)單一界面的反射和折射(透射)2.Fresnell’s公式振幅反射系數(shù)（菲涅耳反射系數(shù)）r=Er/Ei振幅透射系數(shù)（菲涅耳透射系數(shù))t=Et/Ei求解方法：(1)E、H、k0

之間的右旋法則(2)電磁場(chǎng)的邊界條件在兩種介質(zhì)的分界面上沒(méi)有面電荷和面電流的情況下，電磁場(chǎng)量H和E的切向分量是連續(xù)的。(1)垂直入射(k0光波傳播方向）由切向分量連續(xù)：聯(lián)合1式可得到注意：界面切向、法向區(qū)分？下標(biāo)0表示上介質(zhì)，下標(biāo)1表示下介質(zhì)上表：i、r、t分別表示入射、反射、投射說(shuō)明：菲涅爾反射、投射系數(shù)僅與介質(zhì)的折射率有關(guān)。(2)傾斜入射

H與界面平行，稱為TM波（橫磁波）或稱為p-偏振波E與界面平行，稱為TE波（橫電波）或稱為s-偏振波定義：A:TM波(p偏振波)入射時(shí)，H與界面平行B：TE波，即S偏振波入射時(shí)，E與界面平行

提示：電場(chǎng)強(qiáng)度方向?yàn)榍邢蚍较?，磁?chǎng)強(qiáng)度分解為切向與法向兩個(gè)方向。引入修正導(dǎo)納的好處是菲涅耳公式的形式簡(jiǎn)化易記了。引入修正導(dǎo)納菲涅耳公式可改寫為TE、TM波的菲涅爾反射系數(shù)相同，僅透射系數(shù)不同3.單一界面的反射率和透射率定義：反射率與透射率其中，A是能量吸收率。對(duì)于無(wú)吸收的全介質(zhì)膜系統(tǒng)T+R=1。

注意區(qū)分：1、菲涅爾系數(shù)、與反射率、投射率的差別2、反射、透射率的定義薄膜系統(tǒng)存在多界面?等效界面思想1、等效介質(zhì):由薄膜、基底組合形成,具有等效光學(xué)導(dǎo)納（Y）。2、等效界面兩側(cè)的介質(zhì)：入射介質(zhì)（N0）和等效介質(zhì)薄膜系統(tǒng)的反射率=等效界面的反射率知識(shí)點(diǎn)回顧第一節(jié)電磁波及其傳播1、麥克斯韋、物質(zhì)方程組2、波動(dòng)方程3、折射率4、光學(xué)導(dǎo)納5、邊界條件第1.3節(jié)單層薄膜的反射和透射

1、單層介質(zhì)膜與基底組合的等效導(dǎo)納2.單層介質(zhì)薄膜的光學(xué)特性如果要求單層薄膜的反射率、透射率等→求出等效介質(zhì)的光學(xué)導(dǎo)納等效界面思想:單層薄膜反射率、透射率將單一界面的反射率、透射率公式中的第二介質(zhì)的修正導(dǎo)納變?yōu)榈刃Ы橘|(zhì)光學(xué)導(dǎo)納即可。1、單層薄膜系統(tǒng)等效導(dǎo)納求解單層薄膜界面兩側(cè)的電磁場(chǎng)圖中箭頭的方向是與電場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的光的傳播方向．即K0的方向。規(guī)定：1、除了另作說(shuō)明外，Et、Ht均用E、H表示，下標(biāo)省略2、薄膜上下界面上有無(wú)數(shù)的反射歸并所有與初入射的波同方向的取+號(hào)，反方向的取-號(hào)（例如：在介質(zhì)n0中所有向下的波之和記為E0+在介質(zhì)n0中所有向下的波之和記為E0-）3、在1~2邊界內(nèi)的電場(chǎng)均記為E1，向下均記為E1+，靠近邊界1的記為E11，靠近邊界2的記為E12⑴在界面1利用邊界條件②∴聯(lián)系界面1兩側(cè)電磁場(chǎng)關(guān)系的標(biāo)量方程式為：（2）在界面1和2的內(nèi)側(cè)，不同縱坐標(biāo)、相同橫坐標(biāo)兩點(diǎn)電磁場(chǎng)復(fù)振幅強(qiáng)度差別僅相差一個(gè)位相因子，正向傳播位相因子為exp（-iδ1），負(fù)向傳播的位相因子為exp（iδ1）其中，矩陣形式（3）在界面2利用邊界條件

矩陣的形式代入令：則：又因?yàn)椋海陨鲜骄仃嚳蓪憺椋汗实刃?dǎo)納：說(shuō)明：①膜層與基底組合的特征矩陣②

膜層的特征矩陣③

使用的是N1，不是η12.單層介質(zhì)薄膜的光學(xué)特性(4)單層介質(zhì)薄膜反射率隨膜層厚度的變化規(guī)律第1.4節(jié)

多層介質(zhì)膜的反射率和透射率類似于單層膜，多層膜可以連續(xù)使用等效界面概念得到單界面多層膜的反射系數(shù)：1.在等效界面兩側(cè)：

應(yīng)用Maxwell邊值關(guān)系將界面兩側(cè)的場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)；2.在真實(shí)膜系中：

a.在每一界面運(yùn)用Maxwell邊值關(guān)系，將界面兩側(cè)的場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)；

b.利用膜層位相厚度，將每一膜層上下兩界面內(nèi)側(cè)的場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)；

c.將所有界面所得關(guān)系式聯(lián)立迭代，得出入射介質(zhì)中場(chǎng)與出射介質(zhì)中電磁場(chǎng)場(chǎng)的關(guān)系式；3.以入射介質(zhì)中的電磁場(chǎng)為橋梁，建立等效介質(zhì)的等效導(dǎo)納與被等效真實(shí)膜系參數(shù)之間的關(guān)系。1、多層介質(zhì)膜的導(dǎo)納矩陣及等效導(dǎo)納1）.第j層膜上界面外側(cè)場(chǎng)與其下界面外側(cè)場(chǎng)之間的關(guān)系為：注意：

a.E.H角標(biāo)中，第一角標(biāo)是介質(zhì)層數(shù)，第二角標(biāo)是界面數(shù)；b.該關(guān)系對(duì)任意兩個(gè)相鄰界面都成立，有k層膜，就可以寫出k個(gè)這樣的關(guān)系式。2）.在任意界面兩側(cè)：

3）.由k層膜組成的膜系，入射介質(zhì)中與出射介質(zhì)中的場(chǎng)可建立關(guān)系：

4）.將和代入上式可得：則可得多層膜與基底組合的特征矩陣（膜系的特征矩陣）2

多層介質(zhì)膜的透射率和反射率（光學(xué)特性）

任意k層介質(zhì)膜系的光譜特性為：表示反射光場(chǎng)相對(duì)入射光場(chǎng)的相位移動(dòng)量（1）表示位相滯后;表示位相超前

注意（2）是第j層膜的特征矩陣其中:a.折射角由折射定律確定。b.無(wú)論偏振波

(3)由于,在時(shí)，對(duì)應(yīng)于R或T的極值,而膜層厚度監(jiān)控最方便的方法中希望膜層厚度最好是某一波長(zhǎng)的1/4的整數(shù)倍,

因此,在實(shí)際膜系設(shè)計(jì)時(shí),經(jīng)常將選作某一波長(zhǎng)的1/4的整數(shù)倍.

在表示一個(gè)具體膜系的結(jié)構(gòu)時(shí),膜層厚度就以為單位.各層膜的特征矩陣皆為k為奇數(shù)k為偶數(shù)