光學(xué)薄膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)-6-2-2012

干涉截止率光片：在某一波長范圍的光束高透射，而偏離這一波長區(qū)域的光束驟然變?yōu)楦叻瓷?。通常把抑制短波區(qū)、透射長波區(qū)的截止慮光片稱長波通慮光片，相反，抑制長波區(qū)，透射短波區(qū)的截止慮光片稱為短波通慮光片?！?.4干涉截止慮光片短波通慮光片的典型特性長波通慮光片的典型特性濾光片的特性通常由下列參數(shù)確定：（1）透射曲線開始上升（或下降）時(shí)的波長，以及此曲線上升（或下降）的許可斜率。定義截止陡度：（2）高透射帶的光譜寬度、平均透射率以及在此透射帶內(nèi)許可的最小透射率。（3）反射帶（或稱抑制帶）的光譜寬度以及在此范圍內(nèi)所許可的最大投射率。過渡區(qū)中透射率為50％時(shí)對(duì)應(yīng)的波長常被稱為截止波長λc干涉慮光片的基本類型是多層膜，這類膜系的透射率曲線的主要特征是一連串的高反射帶間隔以高透射帶。通帶中存在有明顯的波紋，當(dāng)波紋較大時(shí)會(huì)嚴(yán)重地?fù)p害透射帶的性能，可以修正膜系以壓縮或消除這些波紋。如果λ/4膜堆的兩側(cè)各加一個(gè)

或

層，不會(huì)大幅改變膜系的性能，這樣可把標(biāo)準(zhǔn)的λ/4膜堆轉(zhuǎn)化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱周期結(jié)構(gòu)。良好長波通慮光片的膜系為：良好短波通慮光片的膜系為：運(yùn)用對(duì)稱周期結(jié)構(gòu)等效折射率理論可以分析膜系透射帶的特性。對(duì)稱周期結(jié)構(gòu)等效為單層膜，這個(gè)等效的單層膜的折射率為等效折射率，位相厚度為各個(gè)基本周期之和。通常波紋幅度大小是由等效折射率與基片和入射介質(zhì)的匹配程度決定的，而波紋的密度由周期數(shù)多少?zèng)Q定的。因?yàn)橹芷跀?shù)多，等效層厚度大，高級(jí)次干涉峰就會(huì)靠得很近，波紋就密。長波通截止濾光片

(0.5HL0.5H)s

短波通截止濾光片

(0.5LH0.5L)s

等效導(dǎo)納(H:2.35,L:1.45)0.5HL0.5H0.5LH0.5Lg(λ0/λ)EE0.01.841.840.21.821.870.41.731.960.61.532.220.80.853.981.0虛數(shù)-截止區(qū)虛數(shù)-截止區(qū)1.26.460.521.43.600.941.63.171.071.83.031.122.0虛設(shè)虛設(shè)G(0.5HL0.5H)10AG

(0.5LH0.5L)10A截止慮光片通常的波紋通常波紋幅度大小是由等效折射率與基片和入射介質(zhì)的匹配程度決定的，而波紋的密度是由周期數(shù)多少?zèng)Q定的，因?yàn)橹芷跀?shù)多，那么這個(gè)等效層的厚度就大，高級(jí)次干涉峰就會(huì)靠的很近，波紋就密。通帶波紋的壓縮：對(duì)于基本周期

，在長波側(cè)等效折射率

，在玻璃基片上可以產(chǎn)生一個(gè)良好的長波通截止濾光片。以nH=2.3，nL=1.38為例對(duì)于基本周期

，在短波側(cè)等效折射率

，在玻璃基片上可以產(chǎn)生一個(gè)良好的短波通截止濾光片。圖

15層長波通濾光片和一個(gè)15層短波通濾光片通帶波紋的壓縮：一種壓縮波紋的簡單的方法是改變基本周期內(nèi)的膜層厚度，使其等效折射率變得更接近預(yù)期值。要使這種方法有效，則要求光潔基片保持低的反射率?？梢姽鈪^(qū)，玻璃是十分滿意的基片材料。更常用的方法是在多層膜的每一側(cè)加鍍匹配層，使它同基片以及入射介質(zhì)匹配，如果在多層膜與基片之間插入一個(gè)有效折射率為的層，而在多層膜與入射介質(zhì)之間插入一個(gè)有效折射率為的層，則只要得到滿足，可把插入層單純地當(dāng)作多層膜邊界的減反射膜最簡單的是選取一個(gè)組合膜，使其通帶內(nèi)的等效折射率與基片折射率相接近。基本思想：由于單層膜只有一個(gè)零反射點(diǎn)，故常用多層膜或相同的基本周期匹配。問題一：通帶波紋的壓縮n0Ensb添加匹配膜層的長波通干涉截止濾光片光譜特性，nH=2.3，nL=1.56(a)(b)aUV-CutIR-CutUV-Cut和IR-Cut截止帶的展寬:可以采用把兩個(gè)或數(shù)個(gè)截止濾光片的截止帶拼接起來達(dá)到展寬截止的目的21冷光鏡的光譜特性通帶的展寬:以λ/4膜堆為主體的長波通干涉截止濾光片，其長波通帶一直延伸至膜料和基片的吸收限，通帶寬帶是足夠的。但是對(duì)于短波通干涉截止濾光片來說，由于其存在高級(jí)次的截止區(qū)，所以它的通帶寬度是有限的。抑制高級(jí)次高反射帶能實(shí)現(xiàn)通帶的展寬。截止濾光片的斜入射

S，p光譜曲線分離平板分色鏡的偏振效應(yīng)膠合立方棱鏡的偏振效應(yīng)膠合立方棱鏡的偏振效應(yīng)比平板型嚴(yán)重得多？只允許某一光譜的光束透過，相鄰兩側(cè)的光譜光束截止?！?.5帶通慮光片入射光方向間隔層反射膜間隔環(huán)平板

法布里－珀珞慮光片的特性r1=r10eif1r2=r20eif2Tt1t2ndF-P濾光片的基本結(jié)構(gòu)用有效界面法分析帶通慮光片的特性式中：R1，R2，T1，T2分別為兩側(cè)子膜系的反射率和透射率。

和為反射膜的反射位相，為間隔層的位相厚度。中心波長確定：濾光片的半寬度：峰值透射率的1/2處量得的通帶寬度。又：

和為反射膜的反射位相，在通帶內(nèi)是常數(shù)。則：相對(duì)半寬度表示成：中心波長的峰值透射率：當(dāng)反射膜沒有吸收、散射損失，而且反射膜是完全對(duì)稱時(shí)，濾光片的透射率和光潔基板一樣高。當(dāng)反射膜有吸收、散射損失時(shí)，假定反射膜是完全對(duì)稱時(shí)，可見，在存在吸收、散射的情況下，反射膜透射率愈低，收、散射愈大。法布里－珀珞慮光片對(duì)膜層的吸收、散射損失是極其敏感的。兩個(gè)反射膜的不對(duì)稱性對(duì)峰值透射率的影響：兩個(gè)反射膜的不對(duì)稱性的法布里－珀珞慮光片峰值透射率

不對(duì)稱誤差結(jié)論：兩個(gè)反射膜的不對(duì)稱性誤差影響法布里－珀珞慮光片的峰值透射率，但極不敏感，甚至在兩個(gè)反射膜的透射率相差兩倍時(shí)，還可以得到75％的峰值透射率。濾光片的通帶半寬度：決定于干涉級(jí)次和反射膜的反射率。反射膜的反射率愈高，干涉級(jí)次愈高（即間隔層愈厚），則半寬度愈小，濾光片透射光的單色性愈好。帶通濾光片

金屬濾光片全介質(zhì)濾光片雙半波、三半波全介質(zhì)濾光片金屬誘導(dǎo)透射濾光片由公式：金屬濾光片形式：兩層金屬反射膜間夾一個(gè)介質(zhì)層當(dāng)：透過率有最大值求通帶半寬度：透過率由峰值下降一半，θ由θ0

變?yōu)棣?+⊿θ可以求得：

有時(shí)除半寬度外，還引入其他的帶寬參量，如0.9倍峰值透射率處測(cè)得的帶寬，0.1倍峰值透射率的帶寬以及0.0l倍峰值透射率的帶寬等。對(duì)于法布里—珀瑯濾光片，如果在通帶內(nèi)來自反射膜的相位變化實(shí)際是常數(shù)的話那么上述帶寬量度分別是：1/3x2⊿λ，3x2⊿λ以及10x2⊿λ，這些量常用來說明任一給定類型的濾光片的通帶形狀以及接近于矩形的程度。峰值透過率當(dāng)反射膜沒有吸收、散射損失而且反射膜完全對(duì)稱時(shí)，即T1=T2=1-R1=1-R2，R1=R2時(shí)Tmax=1；當(dāng)兩個(gè)反射膜完全對(duì)稱，且有散射、吸收存在時(shí)：

在實(shí)際上存在吸收、散射的情況下，反射膜的透射率愈低，吸收、散射愈大，則峰值透射率愈低,例如T12＝0.012,A=0.005,Tmax＝50%左右。這時(shí)如果T降至0.01則Tmax降至30%左右。這足以說明法布里—珀珞濾光片對(duì)膜層的吸收、散射損失是極其敏感的。兩個(gè)膜不對(duì)稱對(duì)峰值透射率的影響次峰的消除短波的次峰一般用吸收玻璃來消除如果使用高級(jí)次，則需消除長波次峰但是，長波吸收玻璃種類很少金屬濾光片一般膠合使用.典型膜系G|400Ag1.3L400Ag|，nL=1.35金屬濾光片的帶寬級(jí)次越高，帶寬越小，但是受到次峰和間隔層厚度限制反射率越高，帶寬越小，但是受到吸收的限制用于可見區(qū)的金屬－介質(zhì)慮光片的特性典型膜系G|400Ag1.3L400Ag|，nL=1.35二、全介質(zhì)的法－珀慮光片:用介質(zhì)高反射膜堆代替金屬膜層就可制成全介質(zhì)的法布里—珀珞窄帶干涉濾光片。典型膜系：G|HLHL(2H)LHLH|G全介質(zhì)法布里－珀珞慮光片的兩種基本類型對(duì)高折射率間隔層對(duì)低折射率間隔層其中

為膜系中不包括間隔層在內(nèi)的每個(gè)反射膜的高折射率膜層的總數(shù)，m為干涉級(jí)次全介質(zhì)的法－珀慮光片透射率曲線并不是理想的形狀，透射率曲線愈接近矩形愈好。象多個(gè)調(diào)諧電路相耦合時(shí)，合成的頻率曲線比單個(gè)調(diào)諧電路的頻率曲線更接近矩形。法－珀慮光片也有相似結(jié)果。三、多半波濾光片:雙半波濾光片基本結(jié)構(gòu)：反射膜/間隔層/反射膜/間隔層/反射膜雙半波濾光片的一種結(jié)構(gòu)多腔濾光片（提高陡度）利用匹配層的設(shè)計(jì)失匹產(chǎn)生兔耳朵次峰經(jīng)導(dǎo)納匹配兩測(cè)加多層AR導(dǎo)納匹配和AR膜的效果窄帶濾光片:Sub|HLHLHHLHLH|Sub

消去半波間隔層:Sub|HLHLLHLH|SubSub|HLHHLH|SubSub|HLLH|SubSub|Sub

即中心波長的反射率為0，透射率為1。入射媒質(zhì)是空氣，膜系為:Air|HLHLHHLHLH|Sub

消去虛設(shè)層為:Air|Glass

反射率為:R=(y0-ys)2/(y0+ys)2=4.2%

膜系為:Air|LHLHLHHLHLH|Sub

透過率增加到99％雙腔濾光片:Sub|HLHLHHLHLHLHLHLHHLHLH|Sub

消去即為:Sub|L|Sub

須加上L層:Sub|LHLHLHHLHLHLHLHLHHLHLH|Sub

透射率為1。問題二：提高通帶透射率-----?波長規(guī)則利用問題三：展寬截止帶膜系：G|HLH2LHLHLHLHL2HLHLHLHLH2LHLH|G在主通帶兩側(cè)的次峰須截除。方法：1.利用顏色玻璃吸收;2.對(duì)有限區(qū)域可用全介質(zhì)截止濾光片;3.利用金屬-介質(zhì)干涉濾光片:例如：G|Ag-4L-Ag|AG|AgLH-4L-HLAg|A四、誘導(dǎo)透射濾光片雙半波濾光片的結(jié)構(gòu)為：介質(zhì)反射膜|間隔層|介質(zhì)反射膜|間隔層|介質(zhì)反射膜設(shè)想利用一層金屬膜代替兩間隔層之間的反射膜則組成了如下結(jié)構(gòu)：介質(zhì)反射膜|間隔層|金屬膜|間隔層|介質(zhì)反射膜在間隔層與金屬膜的界面上由于金屬膜的折射率是一個(gè)復(fù)數(shù)，N=n-ik，光線在這個(gè)表面的反射將帶有一個(gè)較大的反射相移，為了補(bǔ)償這個(gè)相移，使得間隔層仍然起到濾光片干涉腔的作用，間隔層應(yīng)取的厚度近似為：nF為間隔層折射率，k為金屬膜消光系數(shù)。

其光學(xué)厚度在λ0/4和λ0/2之間。一個(gè)23層由硫化鋅和冰晶石組成的雙半波濾光片：G∣HLHLH2LHLHLHLHLHLH2LHLHLH∣G反射膜系將膜系中的反射膜系用幾何厚度d=60nm的銀層替代，在550nm處銀層的折射率取N=0.075-i3.41，而nH=2.30，冰晶石nL=1.35，則間隔層的厚度如果以λ/4厚度()為單位，則表示成1.75L，膜系演變?yōu)椋篏|HLHLH1.75LAg1.75LHLHLH|G誘導(dǎo)射濾光片的光譜透射曲線G|HLHLHL＇AgL＇HLHLH|GAg=60nm(幾何厚度)，N=0.075-i3.41nH=2.30nHdH=0.25λonL=1.35nLdL=0.25λ0

λ0=550nm從另外一個(gè)觀點(diǎn)來看，膜系中HLHLH1.75L可以看成為銀層的減反射膜，從誘導(dǎo)透射原理，如果這種減反射效果是充分的，那么銀層的勢(shì)透射率就被完全誘導(dǎo)出來，所以這種濾光片也稱為誘導(dǎo)透射濾光片。G|HLHLH1.75LAg1.75LHLHLH|G誘導(dǎo)透射濾光片可能獲得的最大透射率，即金屬層的最大勢(shì)透率，而金屬膜的最大勢(shì)透射率值在選定膜料后僅取決于金屬層的厚度。金屬膜的厚度影響誘導(dǎo)濾光片的半寬度，金屬膜厚度大，則濾光片的半寬度小。金屬膜厚度還將影響誘導(dǎo)透射率濾光片的截止深度，金屬膜愈厚，截止深度愈好，根據(jù)這些規(guī)律，設(shè)計(jì)一個(gè)誘導(dǎo)透射濾光片的過程是一個(gè)反復(fù)計(jì)算，反復(fù)修改，平衡各種指標(biāo)要求的過程。誘導(dǎo)透射濾光片的反射膜可以僅僅是單層金屬膜，也可以包含二層甚至更多的金屬膜（間以介質(zhì)層，稱為二重式或多重誘導(dǎo)透射濾光片），此時(shí)濾光片的背景抑制取決于金屬膜的總厚度.多重誘導(dǎo)透射濾光片多重誘導(dǎo)濾光片的光譜特性，Ag=70nm，nH=2.35，nL=1.35G|HLHLHL′AgL″AgL″AgL′HLHLH|G干涉濾光片制造的工藝要點(diǎn):（1）由于λ/4膜層之間存在有膜層厚度補(bǔ)償原理，即如果一層膜厚度不足λ/4，那么下一層膜會(huì)首先補(bǔ)償其厚度走到極值。然后再開始自己的λ/4膜，反之亦然。（2）由于λ/4膜堆的誤差補(bǔ)償原理存在，所以窄帶干涉濾光片最適宜的監(jiān)控方法是光電極值法。監(jiān)控中監(jiān)控片是要旋轉(zhuǎn)的，以避免由于監(jiān)控