高功率激光薄膜

光学薄膜/2003 年 1 1.高功率激光薄膜研究与发展概况高功率激光薄膜研究与发展概况 3 2光学薄膜的一般性质光学薄膜的一般性质.6 2.1理想的光学薄膜理想的光学薄膜.6 2.2薄膜的吸收薄膜的吸收.8 2.3梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜.11 3几种主要的光学薄膜几种主要的光学薄膜.14 3.1反射膜反射膜.14 3.2增透膜增透膜.15 3.3干涉滤光片干涉滤光片.17 3.4偏振膜偏振膜.18 3.5光学薄膜的表面散射光学薄膜的表面散射.19 3.6群色散延迟补偿薄膜群色散延迟补偿薄膜.21 4光学薄膜的温度场设计光学薄膜的温度场设计.25 4.1温度场设计的理论基础温度场设计的理论基础.25 4.2用温度场理论分析光学薄膜的表面吸附层用温度场理论分析光学薄膜的表面吸附层.26 4.3光学薄膜的表面和界面温度场光学薄膜的表面和界面温度场.28 4.4光学薄膜的温度场优化设计光学薄膜的温度场优化设计.29 4.5光学薄膜中的热力耦合过程光学薄膜中的热力耦合过程.30 4.6光学薄膜内应力及光学元件的应力变型光学薄膜内应力及光学元件的应力变型.32 5激光对光学薄膜损伤的基本过程激光对光学薄膜损伤的基本过程.34 5.1光学薄膜中的结瘤缺陷及其在薄膜破坏中的作用光学薄膜中的结瘤缺陷及其在薄膜破坏中的作用.44 6光学薄膜沉积技术的研究光学薄膜沉积技术的研究.48 6.1离子束辅助技术沉积光学薄膜离子束辅助技术沉积光学薄膜.48 6.1.1离子束辅助沉积技术提高光学薄膜的折射率.48 6.1.2离子束辅助沉积降低薄膜的吸收.49 薄膜理论/范老师 2 6.1.3离子束辅助沉积提高薄膜的破坏阈值.51 6.2离子束溅射技术沉积光学薄膜离子束溅射技术沉积光学薄膜.51 6.2.1离子束溅射单层膜的光学性质和破坏阈值.51 6.2.2离子束溅射技术制备高反射膜.53 6.2.3离子束溅射技术制备大尺寸激光薄膜的可能性.53 6.3电子束技术制备光学薄膜电子束技术制备光学薄膜.54 6.3.1二次电子对薄膜的影响及其抑制技术.54 6.3.2电子束斑及材料蒸发状态的控制.54 7高功率激光薄膜的光热测量高功率激光薄膜的光热测量.56 7.1表面热透镜技术表面热透镜技术.56 7.2光热显微扫描成像装置光热显微扫描成像装置.58 7.2.1实验装置.58 7.3薄膜的光热显微成像和杂质、缺陷的分析薄膜的光热显微成像和杂质、缺陷的分析.60 7.4光学薄膜的弱吸收测量光学薄膜的弱吸收测量.62 8激光对光学薄膜破坏阈值的测量激光对光学薄膜破坏阈值的测量.64 8.11-ON-1 测试测试.65 8.1.1适用范围.65 8.1.2术语定义.65 8.1.3测试装置要求.66 8.1.4测试过程规范.69 8.1.5测试报告.73 8.2S-ON-1 激光破坏阈值检测激光破坏阈值检测.73 8.3破坏阈值测量的薄膜激光预处理及破坏阈值测量的薄膜激光预处理及N-ON-1、R-ON-1 方式方式.74 光学薄膜/2003 年 3 1 高功率激光薄膜研究与发展概况高功率激光薄膜研究与发展概况 光学薄膜是高功率激光系统中的重要元件，也是所有元件中最薄弱的环节， 它的多种功能促进了激光技术的发展,它的性能优劣很大程度上决定了激光输出 的性能,而其损伤阈值更是限制了激光输出的强弱并危及激光系统的安全运行。 因此，不断改进薄膜性能，提高薄膜的抗激光强度，发展新的薄膜技术，一直 是国际薄膜界和激光界共同关心的问题。高功率激光所需的主要薄膜包栝不同 角度的高反射膜,增透膜.不同尺寸的偏振膜,不同光强比和偏振比的分光膜,不同 谐波,不同要求的倍频膜以及各种各样的波长分离膜等,随着激光技术的发展,众 多的新型薄膜元件,不断提出,例如,超短脉冲激光所需要的啁啾薄膜,脉冲压缩用 的光栅薄膜,空间分布调整用的高斯反射膜,全固化技术用的多波长薄膜等等.对 高功率激光来说,不论哪种薄膜都有共同的要求,理想的光学性能,极低的激光损 耗和很高的破坏阈值.激光薄膜的研究,除了根据性能的需求进行的针对性的薄膜 设计,制备和测试研究外,大多数研究工作都是围绕着这几方面问题进行的. 近四十年来,光学薄膜的许多进展,都是与激光技术密切相关的.激光技术的不断 发展和不断提高,给光学薄膜提出了更高更新的要求,正是这些持续增长的需求, 给了光学薄膜持续发展的动力.四十多年前,高品质的激光腔,提出了超低损耗高 反射膜的需求.由此,把光学薄膜的研究推向一个新阶段,不断提高的激光强度,使 得薄膜和材料的激光损伤的研究一直延续到今天. 而且还将继续下去. 激光既是信息载体又是能量载体,从信息角度,激光对薄膜提出了千变万化的 光学要求,从能量角度出发,更多的是强调薄膜的抗激光强度. 研究薄膜的激光破 坏机理,在确保薄膜具有一定性能的基础上,不断提高薄膜的破坏阈值,一直是高 功率激光薄膜的中心工作.在激光问世的初期,激光破坏的研究工作主要是针对光 学材料和表面的,光学薄膜的激光损伤研究只有一些零星的工作.1965 年前后,美 国的 Turner 教授针对红宝石激光对光学薄膜的破坏问题进行了专门的研究,首次 提出了光学薄膜激光破坏的驻波场效应. 在这以后,包括上海光机所在内 的若干实验室都针对具体的需要,开展了实验研究工作.并在七十年代前后,形成 一个小高潮.主要工作有,前苏联的 Kuzniezof 研究了 ZnS 薄膜的结构对激光破坏 的影响,美国的 Brombergen 分析了薄膜内不同类型的缺陷对薄膜破坏阈值的影 响,上海光机所针对钕玻璃大能量激光对光学薄膜的破坏问题,研究了薄膜制备工 艺,薄膜结构,薄膜应力对激光破坏的影响,实时研究了薄膜破坏的发展过程,计算 薄膜理论/范老师 4 分析了激光在薄膜中的驻波场分布,提出了激光保护膜的概念,采用保护膜技术使 薄膜的破坏阈值得到明显提高.在此前后,美国的 Apfel 也就光学薄膜的驻波场结 构和表面保护膜提出了自己的分析和设计.由于驻波场结构对薄膜的损耗和破坏 有严重影响,在此以后,驻波场设计已发展为激光薄膜的重要设计方法.随着高功 率激光的发展,光学材料,光学元件和光学薄膜的破坏问题,日益成为限制发展的 瓶颈,为此,由 A.J.Glass,A.H.Guenther 等人发起,美国国家标准局主办,从 1969 年 开始在美国的波尔得举行激光对光学材料破坏的国际讨论会.分材料,表面,镜,薄 膜,测量.基本机理等几个方面进行讨论.截至 2003 年,已经进行了 35 届.受激光核 聚变研究的推动,从八十年代开始,光学薄膜的激光破坏逐渐成为研究的重点.在 此期间,有几个方面的进展,对高功率激光薄膜乃至光学薄膜都是很重要的.在薄 膜制备技术方面,磁控溅射技术,离子束溅射技术,离子镀技术,化学气相沉积技术 以及溶胶-凝胶技术等,在光学薄膜中的广泛应用,特别是离子束溅射和溶胶-凝胶 技术,它们不仅分别在超高性能激光反射膜,超窄带干射滤光片和高功率激光减反 射膜的制备中发挥了重要作用,而且将在其他高功率薄膜技术中发挥更大作用.在 测试技术方面,各种表面测试技术,用于激光薄膜的组份,价态和杂质分析, Nomarski 显微镜用来进行薄膜破坏表面的实时监测,原子力显微镜用于薄膜表面 和损伤形貌的三维分析.特别是光热测量技术的应用,对高功率激光薄膜的性能的 改进,起到重要的作用,它不仅可以监测到 0.1ppm 量级的微弱吸收,而且可以用其 空间分辨特性对薄膜的热缺陷或损伤点成像,还可以对薄膜破坏的过程进行实时 研究.为了规范薄膜破坏阈值的测量,1983 年,由美国劳仑兹-利弗莫尔实验室发起 联合国际上八个单位分别用各自不同的方法,对巴尔蔡司公司制备的光学薄膜的 破坏阈值进行测量,通过分析,明确了数值离散的原因.到了九十年代,国际 ISO 质 量标准论证体系出现.通过相应的 ISO 标准文件对 1-on-1,S-on-1,N-on-1,R-on-1 等几种破坏检测方式的测量设备,测量方法,测量过程,破坏标准以及阈值确定等 都进行了规范.从而使不同单位给出的破坏阈值具有较好的可靠性和可比性.在激 光薄膜元件方面,主要的进展是光通信技术提出的密集型波分复用超窄带滤光片, 光强平整滤光片,激光陀螺所需要的超高反射率反射膜,超短脉冲激光中的群色散 延迟补偿滤光片,全固化激光技术中的多波长薄膜,以及各类倍频分离膜,远紫外 及软 X 射线激光薄膜,都被实现并得到发展.激光对薄膜的破坏,一直是人们关注 的问题,在这方面的研究中,有以下几个重要进展，首先,多光子吸收和雪崩离化 等非线性吸收,杂质缺陷吸收与本征吸收一起形成激光在薄膜中的热沉积,作为非 线性热源参加薄膜激光破坏的热过程或热力过程,对这个问题的全过程进行研究 的主要有原苏联的 Manenkov 和美国的 A.H.Guenther 等,后者,在分析了理论计算 和实验结果之间的差别及种种反常之后,提出,薄膜和体材料之间热物参数之间的 差别,是导至这种差异的主要原因,在对薄膜的热无物参数进行实际测量,并以此 为基础进行理论模拟,实现了理论与实验的统一.此外,在分析了多层膜的温度场 光学薄膜/2003 年 5 与薄膜的光学和热物参数之间的关系后,提出的光学薄膜温度场设计的思想,也是 一项重要进展.薄膜破坏机理最有效的研究成果是有关节瘤的研究.通过近十年的 努力,不仅对节瘤缺陷的成因,结构,以及由此引起的驻波场,温度场和应力场的分 布,有了深入的了解,而且提出了节瘤缺陷的抑制技术,明确指出,节瘤缺陷是导至 薄膜破坏的最主要的因素. 有关光学薄膜破坏阈值的改进和提高,除了溶胶-凝胶技术用于减反射膜之外,比 较明显的进展,主要有两个方面：其一是激光予处理技术,其二是光学薄膜的节瘤 缺陷的控制与检测技术.前着使 HfO2/SiO2 多层膜的破坏阈值提高了两倍以上.而 在节瘤缺陷得到严格抑制之后,激光反射膜的 N-on-1 破坏阈值可以达到百焦耳 /cm2 量级. 几十年来,高功率激光薄膜的研究取得了很大进展,但是,这方面的研究工作 还远远没有终结.随着激光技术的不断发展,随着全固化激光,超强,超快激光,各种 类型的紫外,深紫外乃至 X 射线激光,以及应用于能源,加工,信息等各个领域的新 型激光系统,激光技术的不断的涌现和发展,不同类型的光学薄膜元件不断出现, 更高,更新,更难的要求也不断被提出,激光对光学薄膜的破坏,特别是紫外,深紫外 激光薄膜,高平均功率,高峰值功率激光薄膜以及多功能复合,集成薄膜的破坏问 题还将是激光薄膜研究的重点.未来的激光薄膜不但要不断适应激光技术的需求, 而且要能动的推动激光技术的发展. 薄膜理论/范老师 6 2 光学薄膜的一般性质光学薄膜的一般性质 2.1 理想的光学薄膜理想的光学薄膜 光学薄膜是一种用于改变光束传输特性的光学元件，在光学技术中应用的 薄膜器件主要有两种，改变光束切向传播特性的称为薄膜波导，改变光束法向 传播特性的称为光学薄膜。光学薄膜几乎在所有与光有关的系统或设备中出现， 起到增加透射，加强反射，折射光束起偏，检偏，分割光谱和光强，调节位相 等作用。可以这样说，没有光学薄膜，就没有现代光学的发展。 光学薄膜是由特定光学常数和厚度的分层介质组成的，理想而典型的光学 薄膜与层之间相互平行，界面光滑而界线分明，在此基础上建立起光学薄膜的 基本理论薄膜光学。 薄膜光学理论基础是干涉光学，在一个多层膜系中，光束将在每一个界面 上多次反射，因此涉及到大量光束的干涉叠加问题，直接计算几乎是不可能的， 行之有效的计算方法主要有递推法和矩阵法。递推法是把前面所有膜层等效为 一个界面，用总的反射系数和位相来表示。总体性质，刚由矩阵的联合来表达。 这样，复杂的问题就变得清晰而有条理。 用 E+，H表示正向传播的电场矢量和磁场矢量，E，H表示反向传播的 电场矢量和磁场矢量，则有： EEE HHH 根据电磁场在界面上的连续性条件，对 E=0 界面 1100 EEEE 111!000 EnEnEnEn 由 10 10 0 nn nn r 10 0 0 2 nn n t 则有（）= 式 2.1.1 0 0 E E 1 1 1 0 0 0 r r t 1 1 E E 光学薄膜/2003 年 7 对界面0z E 2211 11 EEeEe ii 2222111 11 EnEneEneEn ii 则有 式 2.1.2 11 11 1 1 11 1 1 ii ii eer ere tE E 2 2 E E ，分别为界面反射系数和透射系数，依次类推： 21 21 1 nn nn r 21 1 1 2 nn n t 1 dz = 式 2.1.3 0 0 E E 00 1 11 0 mm m oi ii i i i i m i i E dc baE eer ere t ii ii a c E E r O 0 aE E t m 1 0 1 设：， 21 iccc 21 iaaa 则 式 2.1.4 2 2 2 1 12212211 aa cacaicaca r 式 2.1.5 2211 1221 caca caca tg r 式 2.1.6 2 2 2 2 1 2 1221 2 2211 2 aa cacacaca rR 式 2.1.7 2 2 2 1 1 aa T 2.2 薄膜的吸收薄膜的吸收 从光的电磁理论出发，光吸收主要是由导电系数引起的。当介质的导电系 薄膜理论/范老师 8 数为 0 时，介质的折射率不是实数而变为复数。即 式 2.2.1iknn 式中为复折射率；为折射率；为消光系数。 n nk 由于消光系数的存在，光在通过电介质时，将光能变成热能而消耗。在分 析光学薄膜的光学性质时，计算公式也进行相应的修正。 1.折射角 设入射介质消光系数为零，由折射定率 设 式 2.2.2 jjj iCOICOR cos 则有 式 2.2.3 2 3 2 22 222 bbb CORj 式 2.2.4 2 3 2 22 3 222 *2/ bbb bCOI j 式中 式 2.2.5 22 2 22 0 222 2 4 sin 1 jjjj jj knkn kn b 式 2.2.6 22 2 22 0 2 3 4 sin2 jjjj jj knkn kn b 2.等效导纳 令，则 kpnpp i 式 2.2.7 22 COICOR COIkCORn np 式 2.2.8 22 COICOR CORkCOIn kp 令 ksnss i 则 光学薄膜/2003 年 9 式 2.2.9COIkCORn ns 式 2.2.10CORkCOIn k 3 3.反射系数和透射系数 对于，界面，j1j s 分量：令，又令 21 1,1,1, s jj s jj s jj irrr ， 1 1 nsjnsj a1 2 ksjksj a 1 3 nsjnsj a1 4 ksjksj a 则 式 2.2.11 2 4 2 3 4231 1, 1 aa aaaa r s jj 式 2.2.12 2 4 2 3 4231 1, 2 aa aaaa r s jj 令 21 , 1, 1, 1 s jj s jj s jj irrr 则 式 2.2.13 11 1, 1 s jj s jj rr 式 2.2.14 22 1, 1 s jj s jj rr 令 21 1,1,1, s jj s jj s jj ittt 215 , 1, 1, 1 s jj s jj s jj ittt 则 式 2.2.15 2 4 2 3 43 1, 2 1 aa aa t ksjnsj s jj 式 2.2.16 2 4 2 3 43 1, 2 2 aa aa t nsjnsj s jj 薄膜理论/范老师 10 式 2.2.17 2 4 2 3 4131 , 1 2 2 aa aa t ksjnsj s jj 式 2.2.18 2 4 2 3 4131 , 1 2 2 aa aa t nsjksj s jj P 分量： 令 11 npjnpj a 12 kpjkpj a 13 npjnpj a 14 kpjkpj a 又令 21 1,1,1, p jj p jj p jj irrr 21 , 1, 1, 1 p jj p jj p jj irrr 21 1,1,1, p jj p jj p jj ittt 21 , 1, 1, 1 p jj p jj p jj ittt 则 式 2.2.19 2 4 2 3 4231 1, 1 aa aaaa r p jj 式 2.2.20 2 4 2 3 4132 1, 2 aa aaaa r p jj 令 COR COIkCORn b jjjj11 1 2 2 1 2 1 11 2 2 jj jjjj COICOR COInCORn b 22 11 3 2 jj jjjj COICOR COIkCORn b 22 11 4 2 jj jjjj COICOR COInCORK b 则 式 2.2.21 2 4 2 3 4231 1, 1 aa abab t p jj 光学薄膜/2003 年 11 式 2.2.22 2 4 2 3 4132 1, 2 aa abab t p jj 式 2.2.23 2 4 2 3 4433 , 1 1 aa abab t p jj 式 2.2.24 2 4 2 3 4334 , 1 2 aa abab t p jj 4.膜层厚度引起的位相差 由 cos. 2 dn 令 21 i 则 式 2.2.25d ns 2 1 式 2.2.26d ks 2 2 以上运算， 比较完整地被描述了带有吸收膜层的光学性质。 2.3 光学薄膜的表面散射光学薄膜的表面散射 实际光学薄膜表面不是理想的光滑和完全均匀的，不论是厚度或是折射率 都会有一定的起伏，从而形成表面的粗糙度或不平整度。表面的不平整结构主 要有两类，一类是基础加工或制膜过程中形成的宏观的划痕，条纹、麻点、粗 糙和针孔等缺陷，另一类是微观尺寸的统计起伏。前者是长距离分散的，后者 则是紧密相连彼此相关的。其典型的参数均方根粗糙度和相关长度，由于 0 他们的存在，界面反射除了镜向之外，还会产生空间漫散，漫散的总和构成表 面散射损耗。散射率由下式给出： 式 2.3.1 0 p p s s 入射功率，散射功率。当时，。是表面总的 0 p s p 2 0 ) 4 ( Rs 0 R 反射率。 薄膜理论/范老师 12 标量理论可以解决散射总损耗问题，矢量理论则可用来研究散射的角分布， 并与光波的偏振性质相联系。 式 2.3.2)( 0 0 kkFg dP dp 为散射矢量，为立体角，为光学因子，当dpdpddsinF 时，仅取决于理想的光滑表面特性。、F sin 2 k 表示散射光和入射光的波矢量。为散射的功率谱密度， 00 sin 2 k)( 0 kkg 它可以表示为自相关函数的傅立叶变换，表示延迟长)()()(rrG 度，为表面粗糙度的空间轮廓，表示平均值。)(r 。和分别表示长距离和短距离自相)()()( 2 0 2 2 0 2 s s l l eeG l0 s0 关函数长度（分别对应于实现宏观缺陷和微观起伏）半球背向积分散射为： 式 2.3.3 d dp dp ssin)(2 2 00 多层膜的散射问题有以下几种处理方式： 1.当薄膜界面比较完整时，忽略掉膜层与基底、膜层与膜层之间的界面 散射，只考虑多层膜表面的粗糙度引起的散射，这样，多层膜的散射 问题变为表面的散射问题。 2.考虑界面散射，通常从薄膜的损耗出发，一般用标量理论进行分析界 面粗糙度的关系。此时，分为三种情况处理：1、当界面粗糙度与基底 的粗糙度完全相关时，薄膜的粗糙度完全是基底粗糙度的复形。2、当 二者完全不相关时，两界面之间的粗糙度完全独立变化。3、二者是相 关的，但两界面之间的粗糙度不完全一致，但按一定的规律变化。通 常从薄膜的实际情况出发来处理上述三种情况，一般来讲第三种情况 比较普遍。 3.薄膜界面散射问题可以做为不均匀界面来处理。由于薄膜膜层之间的 相互嵌合，膜层的界面形成了一个折射率渐变的界面过渡区，过渡区 的尺度可以用平均粗糙度大小来度量。图 给出了三种反射薄膜的反 射率、吸收和损耗的计算结果，薄膜的参数由表 1 给出。图中 光学薄膜/2003 年 13 I、R、L 分别表示薄膜透射率、反射率和吸收损耗，其中表面的散射计 算中考虑了界面的散射，散射率是用 Backman 衍射理论处理的，表中 的 n、k、p 分别表示薄膜的折射率、消光系数和堆积密度，L、TT 分别表示积分长度、均方根粗糙度和相关长度。 2.4 梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜 研究梯度折射率薄膜有两种意思，其一，由于制备工艺和其它原因的影 响，光学薄膜的折射率本身是不均匀的，是按照一定的规律变化的，这种不均 匀性将使薄膜偏离理想的性质。为了了解其规律，改进薄膜的工艺和性质，研 究折射率的变化规律是必要的。其二，设计一种薄膜，使其折射率按特定函数 变化，使其光学性质满足特定要求。从这一点出发，更需要对梯度折射率进行 研究。例如：薄膜是折射率周期变化的光学薄膜，傅里叶变换法设计的薄膜， 其结果就是在一定厚度范围内薄膜的折射率轮廓。 对光学薄膜来讲，主要研究的是折射率沿厚度方向的变化规律，其它方向 的变化不考虑。即： )(znn 这时的波动方程为： TE 波 式 2.4.1 0 log 222 0 2 2 uank dz du dz d d vd z TM 波 式 2.4.20 log 222 0 2 2 2 vank dz dv dz a ud dz vd 介电常数，波矢量， ，折射率，为导磁率。这时 0 ksinna n 膜层的光学厚度表示为： 式 2.4.3 dzzn d 0 当光束垂直入射，膜层径向，角向为均匀的。取柱面坐标，则方程解为贝 塞尔函数。在折射率均匀性不大时，可用正弦函数代替，得到与均匀膜相近的 结果，只是薄膜的光学厚度，用 代替。 折射率的变化一般有： 线性： 式 2.4.4aznn 0 薄膜理论/范老师 14 抛物线型： 式 2.4.5 2 1bzn 正弦型： 式 2.4.6zCnnsin1 0 梯度折射率薄膜的光学性质可由连续变化的折射率轮廓通过积分方程直接 给出，也可以把连续变化的膜层分成有限个均匀膜层的叠加，通过一般多层膜 的处理方法求出。只要膜层分的足够细，这种方法是足够精确的。 对于单层不均匀薄膜： 式 2.4.7 2 21 2 21 1 i i err err r 其中，。在上述方程中，为 fo fo nn nn r 0 0 1 sfi sfi nn nn r 2 0 0 )( 2 d dzzn 0 n 入射介质的折射率，为薄膜与入射介质接触表面的折射率，为薄膜与基 fo n fi n 底接触表面的折射率，为基底的折射率，为薄膜折射率沿薄膜厚度方向 s n)(zn 的变化，为薄膜的几何厚度。利用等效界面方法很容易将单层膜的结果递推 0 d 到多层膜，这时入射介质的折射率用相应的膜层折射率来替代。 当时， 式 2.4.8 2 i ffos i ffos nnnn nnnn rr rr r 0 0 21 21 1 当时， 式 2.4.9 i fsfo i fsfo nnnn nnnn r 0 0 反射率。 2 rR 以上两式很容易看出，若令，则当时， fifon nn 2 2 0 0 nnn nnn R s s 因此，不均匀薄膜的反射率与折射率为的单层一致。对于单层，当折射n 4 2 率正变时，即时，当折射率负变时，即时， fifo nn sf RR fifo nn 光学薄膜/2003 年 15 ，其中，为不均匀膜层表面的反射率，为光洁基底表面的反射率。 sf RR f R s R 薄膜理论/范老师 16 3 几种主要的光学薄膜几种主要的光学薄膜 3.1 反射膜反射膜 1.电介质反射膜 电介质反射膜的标准膜系结构为： A/奇数层GHHL m / A/偶数层GHL m / 光学厚度： 4 nd 奇数层 式 3.1.1 2 2 1 2 1 1 1 s H m L H s H m L H n n n n n n n n R 偶数层 式 3.1.2 2 1 1 s m L H s m L H n n n n n n R 电介质反射膜的带宽 式 3.1.3 LH LH E E E nn nn g 10 sin 2 反射带边缘波长 E 2.金属反射膜 光学薄膜/2003 年 17 式 3.1.4 2 2 2 2 1 1 kn kn R 3.金属电介质反射膜 式 3.1.5 22 2 22 2 knnnn knnn R m H m L m H m H m H 临近金属层的膜层为低折射率层，其厚度为 式 3.1.6 LLLd n 0 4 222 2 L L oL nkn kn tg 电介质高反射薄膜的吸收损耗 AR和散射损耗 SR分别为： 式 3.1.7)/()(2 22 0LHLHR nnkknA 式 3.1.8 2 0 2 32 LH LH HR nn nn nnS 其中，分别代表高低折射率材料的消光系数，表示膜层界面和表 H k L k 面的相关粗糙度。 通过不断的降低散射和吸收损耗，几十年来薄膜的反射率得到极大的提高， 提高幅度由图给出。近几年来薄膜的破坏阈值也有较大的提高，其发展过程由 图给出。 3.2 增透膜增透膜 1.单层增透膜 膜系结构：A/L/G 反射率： 式 3.2.1 2 2 0 2 0 nnn nnn R s s 如果，则。 0 nnn s 0R 2.双层增透膜 膜系结构：A/LH/G。 薄膜理论/范老师 18 膜层厚度：。折射率之间的关系：，非双层增透 4 0 2211 dndn 0 2 1 2 2 nn n n s 4 膜的设计一般用矢量法完成，其结构为：A/XLYH/G。 3.三层和多层宽带增透膜 膜系结构：A/L 2H M/G 标准膜系宽带增透膜： 4 4244 424 4.倍频增透膜 倍频增透膜可以用矢量合成方法设计，二倍频增透膜需要用三层膜实现界面反 射系数满足以下关系： 式 3.2.2 0 0 130 21 rrr rr 、分别代表入射介质与第一层膜、第一层膜与第二层膜、第 0 r 1 r 2 r 3 r 二层与第三层膜及第三层膜与基底等界面的反射系数。 如果基频光的位相厚度是，则二倍频光的位相厚度分别为、 ，其中 。 3 1 对于三倍频减反射膜，界面的反射系数应该满足： 式 3.2.3 0 140 321 rrr rrr 其中，、分别表示第三层膜与第四层膜、第四层与与基底构成界面的 3 r 4 r 反射系数。 如果基频光的位相厚度是，则二倍频光的位相厚度为，三倍频光的位 2 相厚度为、 ，其中。 4 1 对于倍频减反射膜，则需要层膜实现界面反射系数满足：n1n 式 2.2.3 0 10 32 rrr rrr n n 光学薄膜/2003 年 19 基频光的位相厚度。 1 n 5.多波长减反射膜 相当多的激光器件和激光应用需要多波长减反元件，一般来讲，这种薄膜 都可以用矢量合成方法设计，利用比较简单的膜系来实现，比较典型的是 YAG 激光和可见光同时减反的薄膜。 3.3 干涉滤光片干涉滤光片 1.膜系结构： GLRRG GHRRG /2/ /2/ 2. 式 3.3.1 2 1 1 2 2 1 2 1 11 i i i i eR eT er et t 式 3.3.2 2 1 2 1 2 1 sin4)1 (RR T T ， 式 3.3.3 01 cos 2 0 nd 当，时， 式 3.3.4k2 1 m 0 2 1 2 1 max )1 (R T T 当时，。 1 RT1 max T 当时，。 式 3.3.5ART1 2 1 1 max )1 ( 1 T A T 式 3.3.6 1 ) 11 ( Rm R w 3.干涉带通滤光片的类型 金属滤