第章介質(zhì)膜系及其應(yīng)用

教學(xué)內(nèi)容教學(xué)目的和要求減反膜

高反膜

中性分束膜

截止濾光片

帶通濾光片

偏振分束膜

消偏振膜作用

應(yīng)用背景

設(shè)計基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)特點了解常用膜系的應(yīng)用背景、掌握其光學(xué)特性、結(jié)構(gòu)特點及其設(shè)計的基本知識，為以后發(fā)展打下基礎(chǔ)。本文檔共160頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期六\13點37分補充：光學(xué)膜系基本知識規(guī)整膜系：

非規(guī)整膜系：膜系分類設(shè)計波長（參考波長、中心波長）各層膜的光學(xué)厚度為設(shè)計波長四分之一的整數(shù)倍。有一層薄膜的光學(xué)厚度不是設(shè)計波長的四分之一整數(shù)倍。本文檔共160頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期六\13點37分一般可以表示為：G/xMyHzL/AS/xMyHzL/A膜系表示方法其中：

G代表基底，也可以用S表示基底H（L、M）代表高（低、中）折射率膜層A代表入射介質(zhì)（一般為空氣）x、y、z表示各層膜厚度為λ/4的倍數(shù)備注：當(dāng)x、y、z全為整數(shù)時則為規(guī)整膜系當(dāng)x、y、z之一為非整數(shù)時則為非規(guī)整膜系本文檔共160頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期六\13點37分G/M1.8HL/A膜系表示實例G/MH/A

G/2MH/A

G/M2HL/A

G/M1.8H/AG/1.8MHL/A非規(guī)整膜系

規(guī)整膜系

非規(guī)整膜系

規(guī)整膜系

非規(guī)整膜系

規(guī)整膜系

本文檔共160頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期六\13點37分2.1減反射膜（增透膜）

減反膜的作用：減少介質(zhì)間界面反射。一、作用和應(yīng)用背景(2)加劇光學(xué)系統(tǒng)的雜散光干擾，加大系統(tǒng)噪聲；一般情況下界面反射的危害：(1)引起光學(xué)系統(tǒng)的光能量損失;(3)在高功率激光系統(tǒng)中，界面反射可能引起反激光，損傷光學(xué)元件。本文檔共160頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期六\13點37分

色中性好：膜系的透過率與波長的關(guān)系曲線比較平坦。減反膜的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)透過率：透過率越大越好，或者反射率越小越好。應(yīng)用：為減少光能損耗，提高成像質(zhì)量，照相機、電視機、顯微鏡等等中的光學(xué)鏡頭都鍍減反膜。為盡量減弱反激光，高功率激光系統(tǒng)中的透射光學(xué)元件表面也鍍減反膜。本文檔共160頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期六\13點37分單層減反膜和多層減反膜分析：n0、n1越接近，表面反射率就越低。eg：對于從空氣入射介質(zhì)場合，n0＝1。n1＝1.44~1.92,R=3.25~10%（在可見和近紅外區(qū)）;在紅外區(qū)域（硅和鍺基底）,R>31%界面n0n1入射反射光垂直入射一光學(xué)界面二、常見的減反膜的結(jié)構(gòu)1、單一界面反射率本文檔共160頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期六\13點37分在入射界面上鍍一層低折射率（n0<nf

<

ns）的膜層減少反射率。界面n0ns入射反射分析：反射率為零的條件為典型的單層減反膜的R－曲線呈V型，存在一個谷底，在此波長處具有最小反射率。2、單層減反射膜本文檔共160頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期六\13點37分單層減反膜理論上只能在一個波長處實現(xiàn)零反射率所以色中性差，即反射率的波長相關(guān)性強,影響成像系統(tǒng)的色平衡）；實際上，滿足條件的光學(xué)玻璃并不存在，很難實現(xiàn)零反射，剩余反射率不理想(常用的薄膜最低折射率材料氟化鎂（1.38）)。單層減反膜的討論：本文檔共160頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期六\13點37分為改善單層減反膜的不足：色中性差以及很難實現(xiàn)零反射，提出雙層減反膜的設(shè)計。具體結(jié)構(gòu)有:1）雙層/4膜堆2）/2~/4膜堆3、雙層減反射膜1)雙層/4膜堆界面n0ns入射反射k為奇數(shù)k為偶數(shù)本文檔共160頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期六\13點37分GLA變成GHLA可以實現(xiàn)零反射，但不能克服色中性差的缺陷;

R－曲線呈V型，通帶越來越窄（和單層膜比較),適用與工作波段較窄的場合.G/HL/A1.52/1.7,1.38/1單層減反射膜G/L/A1.52/1.38/1G/L/A1.52/1.38/1本文檔共160頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期六\13點37分G2HLA膜系：基質(zhì)/2膜層/4膜層空氣基質(zhì)n0ns入射反射/2膜層/4膜層膜系反射率為2)/2~/4膜堆n0λ/4n1

λ/2n2基板ns本文檔共160頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期六\13點37分1）反射率在參考波長處與/2膜層光學(xué)參數(shù)無關(guān)，等價與一單層減反膜系；2）R－曲線呈W型，/2膜層在偏離參考波長處影響膜系的反射率，在參考波長兩側(cè)可望得到反射率的極小值。膜系特點：本文檔共160頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期六\13點37分(1)在參考波長處反射率較雙層/4膜堆高(2)該波長兩側(cè)R－曲線較平坦，色中性較好兩種膜系比較G/HL/A1.52/1.7,1.38/1G/2HL/A本文檔共160頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期六\13點37分目前大多采用的三層膜結(jié)構(gòu)為GM2HLA，更多層的膜系大多是以此為雛形發(fā)展而來的。(1)能提高參考波長處的反射率但色中性差(雙層/4膜堆)(2)改善膜系的色中性但無法改善膜系中心波長反射率。(/2~/4膜堆)多層減反膜系4、多層減反射膜多層減反膜系結(jié)構(gòu)雙層減反膜缺點：本文檔共160頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期六\13點37分基質(zhì)n0ns入射反射/4膜層,nM/2膜層,nH/4膜層,nL組成:基質(zhì)折射率ns，中等折射率nM

的/4膜層，高折射率nH的/2膜層,折射率nL的/4膜層，空氣折射率n0GM2HLA母膜系特性本文檔共160頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期六\13點37分基質(zhì)n0ns入射反射/4膜層,nM/2膜層,nH/4膜層,nL/2膜層等效界面1等效界面2nHr1,R1,Y1r2,R2,Y2

選定中間層，外層膜與入射介質(zhì)及內(nèi)層膜與基底等效為兩個界面;其振幅反射系數(shù)和反射率分別為r1,r2及R1，R2處理方法本文檔共160頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期六\13點37分(1)=m時(m為整數(shù))→sin=0→T=Tmax=T0(2)R1＝R2時，T0＝1。(3)如F<<1和T0＝1→

T＝在1~(1－F)之間。(4)當(dāng)T0≠1，R

min=1－T0,R

max=1－T0/(1＋F)。注：λ0中心波長，λ計算波長分析對于GM2HLA膜系，F(xiàn)盡可能小，而且盡量R1＝R2。不過R1、R2只有在少數(shù)幾個分離的波長上才能重合。本文檔共160頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期六\13點37分例題1三層增透膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：求在參考波長處的反射率和透過率。

上等效界面：空氣+/4膜層(n1)組成，/2膜層(n2)相當(dāng)于基底第一步：以中間/2膜層為選定層，求其上下兩個表面的等效反射率。下等效界面：基底+/4膜層(n3)組成，/2膜層(n2)相當(dāng)于基底本文檔共160頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期六\13點37分求上等效界面的等效反射率R1：同樣下等效界面的等效反射率R2為折射率為n1的/4膜層的特征矩陣本文檔共160頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期六\13點37分第二步：求以上下兩表面反射率分別為R1、R2的/2膜層等價透過率：本文檔共160頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期六\13點37分當(dāng)波長偏離參考波長時，R1和R2的值發(fā)生變化；如圖所示R1和R2與波長的曲線無交點。整個膜系透過率T曲線呈V型。g(0/)0.70.80.91.01.11.21.31.02.03.0R(%)R1R2R注意本文檔共160頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期六\13點37分如果n3的折射率變?yōu)?.62,其它不變,則在參考波長處R1值不變,R2值變?yōu)?.00733。g(0/)0.70.80.91.01.11.21.31.02.03.0R(%)R1R2R(1)在參考波長兩側(cè)各出現(xiàn)一處R1＝R2，整個膜系在該兩處反射率為0，透過率最大（100%）。(2)反射率曲線呈W型。分析本文檔共160頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期六\13點37分(1)通過調(diào)節(jié)間隔層的厚度(等價于調(diào)節(jié)等效相位厚)調(diào)節(jié)反射率最小的波長位置；(2)改變第一層或第三層的厚度可以改變R1和R2對波長曲線的水平相對位置(等價于調(diào)節(jié)等效相位厚1、2)，其結(jié)果是改變低反射光譜的寬度以及整個膜系的反射率；(3)利用不同的折射率n1、n3可改變R1和R2的相對大小。結(jié)論本文檔共160頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期六\13點37分1）以GM2HLA膜系為初始膜系，將目標(biāo)設(shè)計指標(biāo)輸入膜系設(shè)計軟件，將膜層厚度和折射率作為可調(diào)整的變量，由計算軟件自動給出優(yōu)化設(shè)計；簡單，但經(jīng)常無法滿足要求。多層減反膜的設(shè)計2）以GM2HLA膜系為初始膜系，將目標(biāo)設(shè)計指標(biāo)輸入膜系設(shè)計軟件，將膜層的折射率作為固定值而將膜層的厚度作為可調(diào)整變量，同時允許計算機在三層結(jié)構(gòu)無法滿足要求時增加膜層數(shù)（替代層），直至滿足要求為止?？赡軙霈F(xiàn)層數(shù)很多，膜層很薄的現(xiàn)象。本文檔共160頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期六\13點37分等效定律任意一個周期性對稱膜系都存在一個單層膜與之等效。等效折射率就是基本周期的等效折射率；等效相位厚度等于基本周期的等效相位厚度的周期數(shù)倍。常用替代層：三層對稱ABA結(jié)構(gòu)本文檔共160頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期六\13點37分二個獨立方程五個參數(shù)（三個膜層厚度+兩個材料折射率）一般處理方式為1）先選材料，即膜層折射率nA、nB；2）根據(jù)方程求出膜層厚度。膜層特征矩陣等效本文檔共160頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期六\13點37分1）優(yōu)化出一個可以達到目標(biāo)的最少膜層的/4膜系結(jié)構(gòu)；2）用三層對稱膜系合成折射率不易實現(xiàn)的膜層；3）再次優(yōu)化膜層厚度，以補償合成所帶來的特性下降。寬帶減反膜的設(shè)計步驟：本文檔共160頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期六\13點37分高折射率基底的減反膜紅外光譜區(qū)常用紅外基底材料：硅（n=3.5）、鍺（n=4.0）、碲化鉛（n=5.5）、砷化鎵（n=3.3）、砷化銦、銻化銦等。常用增透膜材料：一氧化硅（8m及紅外第一和第二大氣窗口3~5和8~14

m）；硫化鋅（2~16

m）；以及氧化釔、氧化鈧等。紅外減反膜設(shè)計規(guī)則遙減法1）所用膜層厚度均為/4膜厚；2）規(guī)定各膜層折射率從基底材料折射率開始逐漸遞減排列；3）如果滿足條件本文檔共160頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期六\13點37分總結(jié)：1）掌握減反膜的作用及應(yīng)用；2）掌握減反膜結(jié)構(gòu)及其計算方法；3）了解減反膜設(shè)計的基本思路。就可在下列k個波長處實現(xiàn)零反射。本文檔共160頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期六\13點37分2.2高反射膜0反射鏡45反射鏡一、作用和應(yīng)用背景例如：反射鏡的作用改變光的傳輸方向。作用:增加介質(zhì)間界面反射，旨在減少損耗。應(yīng)用場合：所有需要改變光傳輸方向的地方均會用到。高反射膜分類：介質(zhì)高反射膜和金屬高反射膜。本文檔共160頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期六\13點37分二、介質(zhì)高反射膜介質(zhì)反射膜的特點：1）反射率高（~99.99%）2）性能穩(wěn)定3）不易受損傷4）對入射角敏感5）帶寬窄1）多元件復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)2）激光諧振腔3）高功率激光4）不要求寬帶的場合介質(zhì)反射膜應(yīng)用場合：介質(zhì)高反射膜指標(biāo)：反射率和帶寬(反射率越高越好、帶寬越寬越好)單層高反射膜多層高反射膜:周期膜系非周期膜系本文檔共160頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期六\13點37分1、單層介質(zhì)高反射膜光學(xué)特性空氣n0膜層n1基質(zhì)ns當(dāng)薄膜膜層光學(xué)厚度為λ/4，光波垂直入射：本文檔共160頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期六\13點37分注意：n1>ns，膜層起增反作用。1)在低折射率的基底上沉積一層高折射率的薄膜，可以有效地提高反射率。2)但單層膜可實現(xiàn)的高反射率一般不會超過50%。Eg:ns=1.52n1=2.15n0n0本文檔共160頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期六\13點37分2、周期性多層膜堆的光譜特性GH(LH)SA形式→G(HL)SHA形式表示方法：nHnL空氣n0基質(zhì)nsnLnHnHnLnH或者G/L(HL)S/A.形式→G/(LH)SL/A形式在基底G上鍍了2S+1層薄膜，其中包含S個LH雙層薄膜，且每層薄膜光學(xué)厚度均為λ/4。本文檔共160頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期六\13點37分以GH(LH)SA形式→G(HL)SHA形式為例分析：2S+1層薄膜等效光學(xué)導(dǎo)納：反射率：本文檔共160頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期六\13點37分分析：理論上，nH/nL越大、膜層數(shù)（2S+1）越多→反射率越高。；相對波數(shù)注意：1）膜層數(shù)增加到一定數(shù)量時，反射率不再增加，這是由于材料吸收、散射等因素的影響。2）反射帶寬內(nèi)：膜層數(shù)增多，雖然反射率增加，帶寬不變；反射帶寬外，反射率隨波數(shù)出現(xiàn)明顯的振蕩。本文檔共160頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期六\13點37分G/(HL)4H/AG/(HL)８H/AG/(HL)16H/AG/(HL)32H/A本文檔共160頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期六\13點37分周期性膜堆(LH)s的高反射帶(位置)S個LH膜系的總特征矩陣為每個LH膜組合的特征矩陣為如果L=H=,則本文檔共160頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期六\13點37分重要結(jié)論的波長λ位于高反射帶內(nèi)；高反射帶以g=1,3,5…為中心的一系列波數(shù)區(qū)間．

的波長λ位于高透射帶內(nèi)；高透射帶以g=2,4,6…為中心的一系列波數(shù)區(qū)間．的波長λ是高反射帶與高透射帶的拐點波長，即：截止波長．滿足本文檔共160頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期六\13點37分H(LH)S周期性多層膜的光譜特性a.在波段，高透.高反帶相間周期出現(xiàn)；在波段，不再有高反帶出現(xiàn)。

——透、反射光譜是波數(shù)的周期函數(shù)b.高反帶中心波數(shù)為1，3，5,……;高透帶中心波數(shù)為2，4，6，.…..。本文檔共160頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期六\13點37分

周期性膜堆(LH)s的高反射帶（寬度）

分析：按照結(jié)論3：當(dāng)?shù)牟ㄩL是高反射帶與高透射帶的拐點波長，即截止波長設(shè)截止波長為e，對應(yīng)的相位厚為e,則本文檔共160頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期六\13點37分本文檔共160頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期六\13點37分1)當(dāng)膜料一定的情況下，所有高反射帶的波數(shù)寬度相等；2)高反射帶波數(shù)寬度僅僅與構(gòu)成多層膜的折射率比有關(guān)，nH/nL越大，g就越大，高反射帶寬越寬。分析本文檔共160頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期六\13點37分3)波數(shù)g表示的高反射區(qū)：當(dāng)s層薄膜的厚度均為時，在g=1時，反射率最高復(fù)習(xí)：第一章中若一個膜系中k層膜的厚度均為各層膜的特征矩陣為

本文檔共160頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期六\13點37分等效光學(xué)導(dǎo)納均為：其反射率均相同

結(jié)論與g=1時反射率相同，且均取極大值g=2k時，反射率取極小值（透射率取極大值）本文檔共160頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期六\13點37分高反射率區(qū)間：1)用波數(shù)表示：1±Δg，3±Δg，5±Δg，…….（可以寫成統(tǒng)一的公式：(2k+1)±Δg）2)用波長表示：按照

求出相應(yīng)的波長范圍分析：1)各個高反射帶寬具有相同的波數(shù)寬度（2Δg）2)波長寬度不等。

，，

3)波數(shù)越大，對應(yīng)的波長寬度越窄。λ本文檔共160頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期六\13點37分注意：1)

2)

只與

，但

還與中心波長有關(guān)

G/(LH)S/A膜系高反帶中心波長的反射率R由等效光學(xué)導(dǎo)納公式：

求出：反射率本文檔共160頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期六\13點37分G/(LH)S/A膜系與G/H(LH)S/A對比G/(LH)S/AG/H(LH)S/A說明:由于工藝原因,實用的高反射膜系G/H(LH)S/A,其與G/(LH)S/A膜系有完全相同的通帶.高反射帶和帶寬,只是中心波長處的反射率稍有差別.本文檔共160頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期六\13點37分非等厚周期膜系(增加帶寬)非等厚周期膜系出現(xiàn)反射帶的條件：即基本周期的各層薄膜的光學(xué)厚度之和是中心波長的1\2整數(shù)倍，下標(biāo)i代表基本周期中第i層薄膜，λ是可能出現(xiàn)的反射帶的中心波長。注意：但這個條件不是充分的。如果膜系滿足上述條件，但各個膜層的光學(xué)厚也是2的整數(shù)倍，那么各個膜層就變成虛設(shè)層，整個膜系都形同虛設(shè)。定律：任意周期性膜系都存在反射帶和透射帶。對于每個周期都有本文檔共160頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期六\13點37分求2:1膜堆反射、透射的波長位置。分析：含有m個雙層薄膜即周期數(shù)為m，周期內(nèi)雙層薄膜的厚度不相等：且出現(xiàn)反射帶的中心波長必須滿足

如果周期內(nèi)的每一層膜光學(xué)厚度滿足時膜系為虛設(shè)層

本文檔共160頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期六\13點37分1）14波堆的高反帶對于g＝1,2,3…呈對稱的，而非等厚的周期膜系不一定具有對稱性。2）對于相同的折射率材料，14波堆的反射帶寬比任何非等厚的周期膜系的寬度大。等厚周期膜相對非等厚周期膜優(yōu)點3）對于給定的膜層數(shù)、折射率值以及給定的干涉級次，14波堆具有最高反射率。本文檔共160頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期六\13點37分高反射帶的展寬(解決帶寬不夠的問題)高反射帶的波數(shù)寬度僅僅與構(gòu)成多層膜的折射率比關(guān)。Eg:可見區(qū)材料折射率1.35~2.6;紅外區(qū)材料折射率6。為了突破材料折射率對帶寬的限制，加寬反射帶寬，可以采用兩種方法：本文檔共160頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期六\13點37分使各膜系的光學(xué)厚度形成規(guī)則的遞增或遞減。其目的是使相當(dāng)寬的波段區(qū)域內(nèi)任何波長光都具有足夠多的膜層，其光學(xué)厚度均十分接近/4，所以這些光有足夠高的反射率。（各膜層的厚度可以成等差數(shù)列也可以成等比數(shù)列設(shè)計）方法一：算術(shù)級數(shù)遞增(q層）：幾何級數(shù)遞增（q層）：本文檔共160頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期六\13點37分方法二：將兩個或多個中心波長不同的/4多層膜堆聯(lián)合疊加使用。若每個膜堆都由奇數(shù)層組成，且最外層的折射率相同，那么疊加之后將在展寬了的高反射帶中心出現(xiàn)一透射峰。注意：本文檔共160頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期六\13點37分/2膜層等效界面1等效界面2nHr1,R1,Y1r2,R2,Y2HLAB為的整數(shù)倍時,sin=0，透射率達到最大值(T0)。且R1＝R2時，T0＝1。在各自的中心波長處均為，且δ=0，即中間層消失，則透過率恒等于1。將兩個多層膜疊加在一起，使其特征曲線在兩個監(jiān)控波長的平均值處相交，則在平均波長處始終存在一個透射率峰值。本文檔共160頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期六\13點37分本文檔共160頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期六\13點37分1）在兩多層膜的中間加入一層厚度為/4平均波長的低折射率介質(zhì)膜；2）兩個中心波長不同的對稱周期膜堆的組合成單一膜堆。消透射峰方法：本文檔共160頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期六\13點37分G/0.9[H(LH)4]1.1[H(LH)4]/A本文檔共160頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期六\13點37分G/0.9[H(LH)4]L1.1[H(LH)4]/A本文檔共160頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期六\13點37分傾斜入射的高反射帶全介質(zhì)高反膜系用于斜入射時，其反射特性改變（反射波段和反射率也有所變化）。反射特性改變兩個原因：1）斜入射導(dǎo)致光學(xué)厚度的改變；2）膜層的等效光學(xué)導(dǎo)納和入射光的偏振態(tài)有關(guān)。本文檔共160頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期六\13點37分1）S光和P光的反射帶寬不等。2）S光和P光的反射帶往短波方向移動。3）S光的反射帶寬比P光的反射帶寬寬。本文檔共160頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期六\13點37分本文檔共160頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期六\13點37分金屬反射膜的特點：金屬反射膜的常用材料：三、金屬高反射膜1）反射帶寬比較寬；2）對入射角不敏感；3）反射率比較低；4）容易受損傷。1）鋁膜；2）銀膜；3）金膜；4）銅膜。本文檔共160頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期六\13點37分鋁膜

從紫外到紅外都有較高的反射率(~88%)；牢固、穩(wěn)定（鋁膜表面在大氣中能生成一層薄的氧化鋁膜）。保護層材料：氟化鎂或氟化鋰（紫外），一氧化硅或氧化鋁（可見和紅外）本文檔共160頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期六\13點37分銀膜在可見光區(qū)和紅外區(qū)都具有高的反射率(95%)；光波在傾斜入射時引入的偏振效應(yīng)較小；與玻璃基片的黏附性很差，同時易受硫化物的影響而失去光著，故使用壽命較短。保護層材料：一氧化硅（抗潮氣）和氧化鋁組合本文檔共160頁；當(dāng)前第66頁；編輯于星期六\13點37分金膜在紅外區(qū)具有高的反射率(~95%)；與玻璃基片的黏附性差，常用鉻膜作為襯底。用離子束轟擊輔助可提高金膜和玻璃基質(zhì)的附著力度；強度和穩(wěn)定性都比銀膜好。不能擦洗。本文檔共160頁；當(dāng)前第67頁；編輯于星期六\13點37分在金屬高反膜表面鍍介質(zhì)膜，其作用為：四、金屬—介質(zhì)高反射膜1）對金屬膜層起到保護作用。在金屬層和基質(zhì)之間增加與金屬層和基質(zhì)之間都有較好附著能力的過渡層；在金屬膜層表面加鍍高硬度透明膜層。2）提高反射率，但減少了帶寬。在金屬膜層表面加鍍(LH)S膜堆(~99%)本文檔共160頁；當(dāng)前第68頁；編輯于星期六\13點37分金屬膜層折射率

則光垂直入射到金屬薄膜時，其反射率為：

在金屬薄膜層表面鍍上膜堆，此時反射率本文檔共160頁；當(dāng)前第69頁；編輯于星期六\13點37分2.3中性分束膜2.3.1金屬分束鏡介質(zhì)分束鏡2.3.3偏振分束鏡本文檔共160頁；當(dāng)前第70頁；編輯于星期六\13點37分利用斜入射的偏振效應(yīng)實現(xiàn)光的中性分束1、中性分束鏡原理及定義原理：在一定的波長區(qū)域內(nèi)，對各波長具有相同的透過率、反射率比，因而反射光和透射光呈中性。中性分束：本文檔共160頁；當(dāng)前第71頁；編輯于星期六\13點37分1）在透明平板上鍍膜（平板分束鏡）2、常用中性分束鏡結(jié)構(gòu)常見兩種形式：2）把膜層鍍在45直角棱鏡斜面上，再膠合一個同樣形狀的棱鏡，構(gòu)成膠合立方體（棱鏡分束鏡）本文檔共160頁；當(dāng)前第72頁；編輯于星期六\13點37分平板分束片：結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便，但引入像散，膜層暴露在空氣中，易被腐蝕和損壞；兩種棱鏡的比較棱鏡分束器：不引入像散，膜層不暴露在空氣中，不易被腐蝕和損壞，對膜層材料的機械和化學(xué)穩(wěn)定性要求較低，結(jié)構(gòu)也稍復(fù)雜，偏振效應(yīng)比較明顯。應(yīng)用：常應(yīng)用在中低級光學(xué)裝置上應(yīng)用：常應(yīng)用于性能要求較高的光學(xué)系統(tǒng)本文檔共160頁；當(dāng)前第73頁；編輯于星期六\13點37分說明：(1)平板分束鏡、棱鏡分束鏡能夠分束的原因均是因為鍍了一層薄膜。(2)薄膜的要求：在一定波長區(qū)域內(nèi)，反射率幾乎不變，即反射透射比一定。常用中性分束鏡分類金屬分束鏡介質(zhì)分束鏡本文檔共160頁；當(dāng)前第74頁；編輯于星期六\13點37分2.3.1金屬分束鏡(1)色中性好，在很寬的光譜范圍內(nèi)都能實現(xiàn)以近似同樣的分束比工作。1、特點：(2)入射光的偏振態(tài)對分束比的影響沒有介質(zhì)膜中性分束器敏感。(3)吸收嚴(yán)重，吸收損耗接近三分之一。(4)使用時具有方向性。吸收膜分光鏡的透過率與入射光的方向無關(guān)，但反射率與入射光的方向有關(guān)。從空氣一側(cè)入射具有較高的反射率。注意：正確安裝，見圖3—50本文檔共160頁；當(dāng)前第75頁；編輯于星期六\13點37分最常用的是鎳鉻合金，其特點為在很寬的光譜范圍內(nèi)（0.24~5m）都能實現(xiàn)色中性分束?；瘜W(xué)性能和機械性能都很好。2、金屬分束鏡中金屬膜層材料：銀：在可見區(qū)吸收最小，但色中性較差，在光譜的藍色端反射率下降，化學(xué)性能和機械性能都不好，一般僅用在立方膠合棱鏡中。鉻：化學(xué)性能和機械性能都很好，色中性比較理想，在可見光區(qū)，長波端的反射率比短波端高出10％。其它有鋁、鍺、鈾等。本文檔共160頁；當(dāng)前第76頁；編輯于星期六\13點37分G/Ag(5nm)/A本文檔共160頁；當(dāng)前第77頁；編輯于星期六\13點37分G/Cr(15nm)/A本文檔共160頁；當(dāng)前第78頁；編輯于星期六\13點37分G/Cr(16nm)Ni(6nm)/A本文檔共160頁；當(dāng)前第79頁；編輯于星期六\13點37分方法：吸收與周圍介質(zhì)有關(guān)，通過改變周圍介質(zhì)是吸收損失減小，eg：在鉻膜和基片之間插入一層4的硫化鋅膜3、金屬分束鏡吸收損耗改善本文檔共160頁；當(dāng)前第80頁；編輯于星期六\13點37分G/Ag(5nm)/A本文檔共160頁；當(dāng)前第81頁；編輯于星期六\13點37分GlZnS-Ag-ZnSlA可見光的中性1：1分光，R+T~90%.厚度為：280，1.2，120本文檔共160頁；當(dāng)前第82頁；編輯于星期六\13點37分(1)分光效率高（無吸收）(2)偏振效應(yīng)明顯(3)分光特性色散明顯。(1)單層膜系結(jié)構(gòu)2.3.2介質(zhì)分束鏡1、特點：2、膜系反射率在ng上鍍一層λ0/4的薄膜，在中心波長處的反射率本文檔共160頁；當(dāng)前第83頁；編輯于星期六\13點37分對p分量對s分量對自然光的反射率注意:單層介質(zhì)膜的反射率在可見區(qū)較低，達不到50％。本文檔共160頁；當(dāng)前第84頁；編輯于星期六\13點37分用周期性多層膜系(LH)s(2)多層介質(zhì)膜平板分束鏡：G/H/A；G|HLHL|A或者G|2LHLHL|A棱鏡分束鏡：G/HLH/G；G/HLHL/G；G/LHLHL/G本文檔共160頁；當(dāng)前第85頁；編輯于星期六\13點37分單層分光膜G/H/AG/TiO2/A

平板型介質(zhì)分束膜本文檔共160頁；當(dāng)前第86頁；編輯于星期六\13點37分多層分光膜G/HLHL/A入射角45度多層分光膜G/2LHLHL/A本文檔共160頁；當(dāng)前第87頁；編輯于星期六\13點37分a曲線膜系由兩層（HL），最大反射率為～46％；b曲線膜系比a曲線膜系多一層虛設(shè)層，呈M型結(jié)構(gòu)，最大反射率為～50％，中性特性比較好。分析：本文檔共160頁；當(dāng)前第88頁；編輯于星期六\13點37分棱鏡介質(zhì)分束膜從空氣|膜層|玻璃變?yōu)椴Ａ膜層|玻璃，單層膜反射率更低。需用多層膜結(jié)構(gòu)?；镜娜龑幽そY(jié)構(gòu)：色中性比較差。最大反射率為～53％本文檔共160頁；當(dāng)前第89頁；編輯于星期六\13點37分(1)基于λ0/4使膜系,使其在中心波長處的反射率約50％(2)改進結(jié)構(gòu)，提高兩端光譜的反射率。曲線平滑，改變色中性問題：怎樣才能得到中性程度好，且R/T=1的介質(zhì)膜分束鏡？方法：增加膜層數(shù)，逐步修改膜系，設(shè)計出特性良好地分束鏡設(shè)計步驟：本文檔共160頁；當(dāng)前第90頁；編輯于星期六\13點37分S/HLHL2H/SS/HLHL/SS/2LHLHL/SS/LH(2/3)L1.5HL2H/S增加2H層可顯著改善色中性,而增加2L層效果不大。本文檔共160頁；當(dāng)前第91頁；編輯于星期六\13點37分利用斜入射時光的偏振效應(yīng)來實現(xiàn)50/50的中性分光。即反射分量是S分量，透射分量是P分量(1)偏振中性分光膜只適應(yīng)于自然光和圓偏振光的中性分束；(2)偏振中性分光膜分出的兩束光，光強相等，但偏振狀態(tài)不同，是兩束振動方向互相垂直的線偏振光。因此，也將其稱為偏振分光（束）膜。2.3.3偏振分束鏡原理說明：本文檔共160頁；當(dāng)前第92頁；編輯于星期六\13點37分偏振中性分光膜—布儒斯特角原理Rp=0的條件：RsRpn1,n2界面反射率隨入射角的變化1.0R0.50θB0306090θ0所以有：又因為：消去θ2,得Rp=0的入射角θ1=θBθB叫布儒斯特角或偏振角。增加S偏振光的反射率本文檔共160頁；當(dāng)前第93頁；編輯于星期六\13點37分對于偏振中性分束棱鏡結(jié)構(gòu)特點為：兩塊棱鏡＋布儒斯特角入射的膜層；膜層為布儒斯特角入射的(LH)S膜堆；透射光為P光，反射光為S光；分束比與入射光的偏振態(tài)有光。只有對于自然光和y圓偏振光，分束比才50/50.棱鏡介質(zhì)分束器和平板分束片：透射和反射光均有P光和S光，而偏振中性分束棱鏡透射光為P光，反射光為S光。本文檔共160頁；當(dāng)前第94頁；編輯于星期六\13點37分2.4干涉截止濾光片本文檔共160頁；當(dāng)前第95頁；編輯于星期六\13點37分本文檔共160頁；當(dāng)前第96頁；編輯于星期六\13點37分截止濾光片某一波長范圍的光束高透射，而偏離這一波長的光束驟然變化為高反射（抑制）的波段選擇截止濾光片。吸收型薄膜干涉型吸收與干涉組合型分類:本文檔共160頁；當(dāng)前第97頁；編輯于星期六\13點37分利用多光束干涉原理，讓某一波長范圍的光束高透，而讓偏離這一波長區(qū)域的光束變?yōu)楦叻吹墓鈱W(xué)膜片。長波通濾光片：透射長波波段，濾掉短波波段。1、什么叫干涉截止濾光片：2、種類：2.4.1干涉濾光片概述短波通濾光片：透射短波波段，濾掉長波波段。帶通濾光片：讓某窄光波段通過，濾掉此波段區(qū)以外的光束。本文檔共160頁；當(dāng)前第98頁；編輯于星期六\13點37分長波通濾光片抑制短波波段，透射長波波段本文檔共160頁；當(dāng)前第99頁；編輯于星期六\13點37分短波通濾光片抑制長波波段，透射短波波段本文檔共160頁；當(dāng)前第100頁；編輯于星期六\13點37分帶通濾光片讓某窄光波段通過，濾掉此波段區(qū)以外的光束。本文檔共160頁；當(dāng)前第101頁；編輯于星期六\13點37分3、截止濾光片的特性參數(shù)截止波長；高透射帶的光譜寬度，平均透射率，最小允許透射率；反射帶光譜寬度，平均反射率，最大允許透射率；過渡區(qū)曲線陡度/過渡區(qū)的波長寬度。本文檔共160頁；當(dāng)前第102頁；編輯于星期六\13點37分4、膜層特性介紹干涉截止濾光片的基本膜系類型是周期性多層膜系(LH)s。這類膜系的基本特征是一連串的高反帶間隔以一連串的高透帶。高反短波通長波通本文檔共160頁；當(dāng)前第103頁；編輯于星期六\13點37分1）并不能實現(xiàn)以某一波長為界，一側(cè)高透，另一側(cè)高反（沒有任何膜系能實現(xiàn)）。只是在某一有限的波段，實現(xiàn)以某一波長為界實現(xiàn)一側(cè)高透，另一側(cè)高反。既要關(guān)心它的反射特性，又要注意它的透射特性。2）同一種周期性的膜堆(LH)s，也是既可以做短波通濾光片，也可以做長波通濾光片。3）高反鏡、分束鏡都是利用它的反射帶，而濾光片是既用它的反射帶，又用它的透射帶。結(jié)論：本文檔共160頁；當(dāng)前第104頁；編輯于星期六\13點37分(LH)s干涉截止濾光膜系設(shè)計的主要任務(wù)就是消除和減小通帶波紋。本文檔共160頁；當(dāng)前第105頁；編輯于星期六\13點37分改進結(jié)構(gòu):在(LH)S的兩側(cè)各加一個膜層。

——干涉截止濾光片的基本膜系結(jié)構(gòu)：——通帶光學(xué)性能與(LH)S具有相同的高反射帶和高透射帶分布，而且，高反射帶的寬度也與(LH)S的相同。多層膜系(LH)S改造后成對稱膜系基本周期本文檔共160頁；當(dāng)前第106頁；編輯于星期六\13點37分（1）對稱多層膜系的性能-等效特性等效定理：一個任意多層膜可等效于雙層膜；具有對稱結(jié)構(gòu)的多層膜可等效于一個單層膜。注：a“等效界面”——與任意多層膜組合導(dǎo)納相對應(yīng)。b“等效膜層”——不含基底的多層膜與有確定折射率和厚度的介質(zhì)膜相對應(yīng)。c“等效”是數(shù)學(xué)的，也是光學(xué)效果的。本文檔共160頁；當(dāng)前第107頁；編輯于星期六\13點37分nsnFn0（2）單層膜的特征矩陣特征矩陣特點：1）對于無吸收介質(zhì)膜，m11＝m22均為實數(shù)；2）m12、m21均為純虛數(shù)；3）m11m22－

m12m21＝1本文檔共160頁；當(dāng)前第108頁；編輯于星期六\13點37分(3).對稱介質(zhì)膜系的特征矩陣以最簡結(jié)構(gòu)(pqp)為例：本文檔共160頁；當(dāng)前第109頁；編輯于星期六\13點37分對膜系（pqp）的特征矩陣也存在下列特征：1）對于無吸收介質(zhì)膜，M11＝M22均為實數(shù)；2）M12、M21均為純虛數(shù)；3）M11M22－M12M21＝1。因此，膜系(pqp)在數(shù)學(xué)上與一個單層介質(zhì)膜等同本文檔共160頁；當(dāng)前第110頁；編輯于星期六\13點37分(4).等效折射率和等效位相厚度設(shè)：(pqp)的等效層的折射率為E，位相厚度為可得：

解得：由本文檔共160頁；當(dāng)前第111頁；編輯于星期六\13點37分(pqp)m的等效層的折射率為Em，位相厚度為本文檔共160頁；當(dāng)前第112頁；編輯于星期六\13點37分結(jié)論性說明：A.對稱周期性膜系(pqp)m的等效折射率和等效位相厚度與基本周期(pqp)的等效折射率和等效位相厚度的關(guān)系為：本文檔共160頁；當(dāng)前第113頁；編輯于星期六\13點37分(5)通帶和截止帶的特性

以或為例：本文檔共160頁；當(dāng)前第114頁；編輯于星期六\13點37分截止帶：高反射帶a.阻帶出現(xiàn)在g=1，3，5，……為中心的波段；

b.阻帶寬度

c.阻帶內(nèi)：

d.過渡區(qū)的曲線陡度隨的增大，或周期數(shù)m的增加,而變陡。本文檔共160頁；當(dāng)前第115頁；編輯于星期六\13點37分通帶：高透射帶a.通帶出現(xiàn)在g=2,4,6,……為中心的波段；b.通帶內(nèi)：其等效單層膜有：本文檔共160頁；當(dāng)前第116頁；編輯于星期六\13點37分顯然，隨波長的變化情況，將決定膜系通帶內(nèi)反射率隨波長的變化特性。

本文檔共160頁；當(dāng)前第117頁；編輯于星期六\13點37分本文檔共160頁；當(dāng)前第118頁；編輯于星期六\13點37分設(shè)計波長：550nm膜系適合于短波通濾光片膜系適合于長波通濾光片本文檔共160頁；當(dāng)前第119頁；編輯于星期六\13點37分2.4.2.通帶波紋的壓縮“波紋”—通帶內(nèi)的反射率極大值群。1.波紋產(chǎn)生原因：由于都是波長的函數(shù)a.滿足波長點將出現(xiàn)反射次峰b.反射次峰的大小為：本文檔共160頁；當(dāng)前第120頁；編輯于星期六\13點37分次峰的高低取決于值趨近于的程度。顯然，反射次峰的出現(xiàn)，是由于位相耦合和折射率失配同時存在而造成的。當(dāng)時反射次峰的大小為：本文檔共160頁；當(dāng)前第121頁；編輯于星期六\13點37分2、壓縮波紋的方法選取適當(dāng)?shù)膶ΨQ膜系，使得在透射帶內(nèi)的等效折射率等于基質(zhì)的折射率即使R1=R2，本質(zhì)是選膜層材料，要求基片表面的反射損耗要小，但對于不同的基底不一定有合適的膜層材料。改變基本周期的膜層厚度，使等效折射率更接近于預(yù)期值。同樣要求基片折射率要低，反射損耗小。這種方法可可見光可以，紅外區(qū)損耗大。在多層膜的每一側(cè)加鍍匹配層（/4層），使它與基質(zhì)以及入射介質(zhì)匹配。插入層相當(dāng)于多層膜界面的減反膜。本文檔共160頁；當(dāng)前第122頁；編輯于星期六\13點37分方法三：n0E’EE”ns基本思想:由于單層膜只可能一個零反射點，故常用多層膜或相似的基本周期匹配。減反射膜本文檔共160頁；當(dāng)前第123頁；編輯于星期六\13點37分本文檔共160頁；當(dāng)前第124頁；編輯于星期六\13點37分2.4.3通帶的展寬和壓縮

方法：在不改變基本周期膜層總厚度的前提下，改變基本周期中膜層的厚度比。

例：1.的通帶出現(xiàn)在g=3,6,9,…，而高反帶在g=1,2,4,5,…的相鄰區(qū)間?！◣П粔嚎s。

2.只在g=1,5,9,…處有高反帶，其余全為通帶。——通帶被展寬。本文檔共160頁；當(dāng)前第125頁；編輯于星期六\13點37分T12345678gTg12345678Tg12345678本文檔共160頁；當(dāng)前第126頁；編輯于星期六\13點37分1.分色鏡（彩色分光膜）三基色分色；消紅，消藍。2.寬帶通濾光片“短波通”+“長波通”3.太陽能利用A.熱鏡：對陽光（0.35~3μm）高透過，對室溫輻射（3~50μm）高反射。B.太陽屏：可見光0.4-0.75μm高透，熱輻射(大于0.75μm)高反。4.CCD攝像系統(tǒng)中的紅外截止濾光片——隔離紅外噪聲2.4.4截止濾光片的應(yīng)用本文檔共160頁；當(dāng)前第127頁；編輯于星期六\13點37分2.5帶通濾光片本文檔共160頁；當(dāng)前第128頁；編輯于星期六\13點37分帶通濾光片的特性參數(shù)

λ0——（峰值波長）中心波長Tmax——（峰值透射率）中心波長的透射率2△λ——（通帶寬度）透射率為峰值透射率一半的波長寬度2△λ/

λ0——相對寬度本文檔共160頁；當(dāng)前第129頁；編輯于星期六\13點37分長波通+短波通

這種結(jié)構(gòu)得到的光譜特性是：可以獲得較寬的截止帶和較深的截止度，但不容易獲得很窄的通帶，所以常用于獲得寬帶通濾光片。帶通濾光片的兩種結(jié)構(gòu)形式：F-P干涉濾光片光譜特性是：可以獲得很窄的通帶，但截止帶寬度通常也比較窄,截止度也不深，所以大多數(shù)情況下都需要配合使用截止濾光片來拓寬截止帶和增加截止深度。本文檔共160頁；當(dāng)前第130頁；編輯于星期六\13點37分2.5.1F-P干涉儀和窄帶濾光片

1.F-P干涉儀由兩個反射率為R1，R2，間隔為d的反射板組成，透射光強的空間分布為：其中：本文檔共160頁；當(dāng)前第131頁；編輯于星期六\13點37分2.全薄膜F-P干涉儀包括間隔層在內(nèi)的所有功能元件全部由薄膜組成。例:G(HL)82H(LH)8G.全薄膜F-P干涉儀與空氣間隔的F-P干涉儀的唯一區(qū)別:兩反射板之間的間隔層厚度與波長同量級,即：Nd～λ。本文檔共160頁；當(dāng)前第132頁；編輯于星期六\13點37分2.5.2基本原理和特性參數(shù)

窄帶通干涉濾光片就是F-P干涉儀

1.最大透射率

窄帶通干涉濾光片的透射特性：

其中：

本文檔共160頁；當(dāng)前第133頁；編輯于星期六\13點37分影響T0的因素：a.如果:吸收和散射均為零，而且R1=R2，那么T0=

1;b.如果：吸收和散射均為零，但是R1≠R2，那么T0≠

1;本文檔共160頁；當(dāng)前第134頁；編輯于星期六\13點37分反射膜的不對稱性對峰值透射率的影響

如果：吸收和散射均為零，但是，R1≠R2如果△/R1足夠小，則可以只取展開式的前兩項，稍加整理即得：本文檔共160頁；當(dāng)前第135頁；編輯于星期六\13點37分反射膜不對稱對法布里—珀珞濾光片峰值透射率的影響本文檔共160頁；當(dāng)前第136頁；編輯于星期六\13點37分C.如果反射膜有吸收、散射損失，假定反射膜仍是完全對稱的，用R12、T12和A12分別表示兩反射膜的反射率、透射率以及吸收和散射損失。由于R12+T12+A12＝1，峰值透射率可以寫成：影響T0的因素：這說明：反射膜的透射率愈低或吸收、散射愈大，則峰值透射率愈低．

本文檔共160頁；當(dāng)前第137頁；編輯于星期六\13點37分A+S~0.5%,R~98.8%,Tmax~50%;這也足以說明F—P濾光片對膜層的吸收、散射損失是極其敏感的。對于金屬—介質(zhì)法布里—珀珞濾光片，由于金屬反射膜的固有吸收，這種濾光片的峰值透射率不可能做得太高，一般以35—40％為宜．

A+S~1%,R~98.8%,Tmax~30%.本文檔共160頁；當(dāng)前第138頁；編輯于星期六\13點37分2.通帶中心波長λ0

---透射率極大值的位置注意：

a.m是以λ0\2為單位的間隔層厚度；

b.m也是該濾光片可產(chǎn)生的窄通帶的個數(shù)。本文檔共160頁；當(dāng)前第139頁；編輯于星期六\13點37分3.通帶寬度2△λ顯然：

a.R1、

R2越高，通帶越窄；

b.提高m數(shù)（增加間隔層的厚度），通帶將變窄。但是，一般情況下m不大于4。本文檔共160頁；當(dāng)前第140頁；編輯于星期六\13點37分2.5.3不同膜系結(jié)構(gòu)的帶通濾光片1.“金屬--介質(zhì)”型G/Metal4LMetal/GG/Metal4LMetal/Aa.在通帶以外的長波區(qū)無透射次峰;

b.通帶較寬;c.中心透過率較低;d.制造工藝簡單。特點:本文檔共160頁；當(dāng)前第141頁；編輯于星期六\13點37分K9/Ag(2.3nm)MgF2(560nm)Ag(2.3nm)/A本文檔共160頁；當(dāng)前第142頁；編輯于星期六\13點37分2.全“介質(zhì)單半波”型

G/(HL)m[k(2H)](LH)m/GG/(HL)mH[k(2L)]H(LH)m/G反射膜/半波間隔層/反射膜特點:

a.A,S很小,R1,R2很高,∴

b.通帶波形近似為三角形;c.通帶兩側(cè)截止區(qū)很窄;d.制造工藝難度較大.本文檔共160頁；當(dāng)前第143頁；編輯于星期六\13點37分全