光学薄膜系统设计9.ppt

1）什么叫干涉截止滤光片：利用多光束干涉原理，让某一波长范围的光束高透，而让偏离这一波长区域的光束变为高反的光学膜片。,2.4干涉截止虑光片,2）种类：长波通滤光片：让比某波长长的光束通过而滤掉比那波长短的光束。短波通滤光片：让比某波长短的光束通过而滤掉比那波长长的光束。带通滤光片：让某窄区段的波长光束通过而滤掉此区以外的光束。,长波通滤光片的典型特性,短波通滤光片的典型特性,滤光片的特性通常由下列参数确定：,（1）透射曲线开始上升（或下降）时的波长，以及此曲线上升（或下降）的许可斜率。定义截止陡度：,（2）高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内许可的最小透射率。,（3）反射带（或称抑制带）的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率。,过渡区中透射率为50时对应的波长常被称为截止波长c,膜层特性介绍,干涉截止滤光片的基本膜系类型也是周期性多层膜系(LH)s。这类膜系的基本特征是一连串的高反带间隔以一连串的高透带。,高反,短波通,长波通,所以，这类膜系：1）并不能实现以某一波长为界，一侧高透，另一侧高反（没有任何膜系能实现）。只是在某一有限的波段，实现以某一波长为界实现一侧高透，另一侧高反。2）即使是同一种周期性的膜堆(LH)s，也是既可以做短波通滤光片，也可以做长波通滤光片。3）高反镜、分束镜都是利用它的反射带，而滤光片是既用它的反射带，又用它的透射带。,干涉滤光片既要关心它的反射特性，又要注意它的透射特性。,通带中存在有明显的波纹，当波纹较大时会严重地损害透射带的性能，可以修正膜系以压缩或消除这些波纹。如果/4膜堆的两侧各加一个或层，不会大幅改变膜系的性能，这样可把标准的/4膜堆转化为一个标准的对称周期结构。,干涉截止滤光片的基本膜系是周期性多层膜系(LH)s。实际使用时往往将该膜系的两侧各加一/8膜层，即两种可能结构:,膜系(LH)s与(0.5HL0.5H)s或(0.5LH0.5L)s：相同的反射带和透射带分布，相同的高反射带宽。,良好长波通滤光片的膜系为：,良好短波通滤光片的膜系为：,运用对称周期结构等效折射率理论可以分析膜系透射带的特性。对称周期结构等效为单层膜，这个等效的单层膜的折射率为等效折射率，位相厚度为各个基本周期之和。,长波通截止滤光片(0.5HL0.5H)s短波通截止滤光片(0.5LH0.5L)s等效导纳(H:2.35,L:1.45),G(0.5HL0.5H)10AG(0.5LH0.5L)10A,对于基本周期，在长波侧等效折射率，在玻璃基片上可以产生一个良好的长波通截止滤光片。,以nH=2.3，nL=1.38为例,对于基本周期，在短波侧等效折射率，在玻璃基片上可以产生一个良好的短波通截止滤光片。,图15层长波通滤光片和一个15层短波通滤光片,透射带的波纹问题,在整个透射带可等效成一个具有确定的折射率E和相位厚度的单层膜。,通常波纹幅度大小是由等效折射率与基片和入射介质的匹配程度决定的，而波纹的密度是由周期数多少决定的，因为周期数多，那么这个等效层的厚度就大，高级次干涉峰就会靠的很近，波纹就密。,在整个透射带，透过率在两个极值之间振荡：,产生波纹的原因：1）等效光学导纳失配(波纹的幅度)(R1-R20)；2）等效位相厚度随波长变化。,膜厚4的偶数倍，膜层变为虚设层,膜厚4的奇数倍,压缩波纹的方法,选取适当的对称膜系，使得在透射带内的等效折射率等于基质的折射率即使R1=R2。本质是选膜层材料，要求基片表面的反射损耗要小，但对于不同的基底不一定有合适的膜层材料。,1)改变基本周期的膜层厚度，使等效折射率更接近于预期值。同样要求基片折射率要低，反射损耗小。这种方法可可见光可以，红外区损耗大。,2)在多层膜的每一侧加镀匹配层（/4层），使它与基质以及入射介质匹配。插入层相当于多层膜界面的减反膜。,基本思想：,由于单层膜只有一个零反射点，故常用多层膜或相同的基本周期匹配。,n0Eng,添加匹配膜层的长波通干涉截止滤光片光谱特性，,nH=2.3，nL=1.56,(a),(b),a,UV-Cut和IR-Cut,截止带的展宽:可以采用把两个或数个截止滤光片的截止带拼接起来达到展宽截止的目的,冷光镜的光谱特性,通带的展宽:以/4膜堆为主体的长波通干涉截止滤光片，其长波通带一直延伸至膜料和基片的吸收限，通带宽带是足够的。但是对于短波通干涉截止滤光片来说，由于其存在高级次的截止区，所以它的通带宽度是有限的。,抑制高级次高反射带能实现通带的展宽。,截止滤光片的斜入射,S，p光谱曲线分离,平板分色镜的偏振效应,胶合立方棱镜的偏振效应,胶合立方棱镜的偏振效应比平板型严重得多？,截止波长和截止带中心的透过率(了解),对周期性膜系(0.5LH0.5L)S或(0.5HL0.5H)S，由等效界面理论求特征矩阵,其透过率公式为,计算截止波长处透过率的关键：怎么从特征矩阵出发确定截止波长？也就是说在截止波长处的特征矩阵有什么特征？,视具体膜系组合而定,计算截止带中心的透过率（了解）,在截止带中心，膜层可表示为：,根据4膜厚和2膜厚的特征矩阵，总膜系的特征矩阵为：,设计截止滤光片的步骤:根据要求，决定选什么膜系结构；选择膜层材料；计算截止波长、截止带宽、通带；计算通带的透过率以及截止和过渡特性；检验这些参数是否满足要求，并且进一部修改设计或得出适当的结论。,4）应用,彩色分光膜：将一束光分为不同颜色的几个部分。,两种彩色分光系统,关键：减少偏振效应。方法：减小入射角(22.5)。,应用：彩色电视、彩色印刷、彩色打印（复印）等。,反热镜和冷光镜,反热镜又称反红外滤光片:透过可见光，滤去红外辐射，消除热效应。属短波通滤光片。截止波长在0.7m附近。,吸热玻璃:硅酸盐吸热玻璃、磷酸盐吸热玻璃、光致变色玻璃等。介质膜系：光学性能好，但膜层多、工艺复杂，不实用。金属膜：膜层大大减少。TiO2|Ag|TiO2导电反射膜。金属氧化膜薄膜：銦锡氧化物薄膜（ITO）。,关注点：透射光的色中性、色平衡。制作（构成）：吸热玻璃镀膜。,应用：精密光学系统，如背投电视系统、数字投影仪器数码像机、CCD成像探测系统。用于抑制红外光热辐射的干扰，提高光学质量。典型的反热镜技术指标：近红外反射大于95%（典型值97%）可见光透射大于90%（典型值93%）,冷光镜：反射可见光，透过近红外，属于长波通滤光片。用于太阳能电池滤紫外（免受紫外辐射）,CCD摄像系统的红外介质滤光片：隔离红外噪声，改善图像的信噪比，提高成像质量。,带通滤光片：在一定的波段内，只有中间一小段是高透过率的通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。,主要参数：中心波长（峰值波长）；中心波长处的透过率；通带宽度：透射率降为峰值透过率一半的波长宽度。,两种典型结构：1）由一长波通膜系和一短波通膜系的重叠带波段形成的通带。其特点为较宽的截止带和较深的截止度，但不易得到窄的通带宽度。2）Fabry-perot（F-P）干涉仪式的滤光膜系。其特点为可得到很窄的通带宽度，但截止带也较窄，截止度也浅。,2.5带通滤光片,法布里珀珞滤光片的特性,F-P滤光片的基本结构,用有效界面法分析带通滤光片的特性,式中：,R1，R2，T1，T2分别为两侧子膜系的反射率和透射率。,和为反射膜的反射位相，为间隔层的位相厚度。,中心波长确定：,滤光片的半宽度：峰值透射率的1/2处量得的通带宽度。,又：,和为反射膜的反射位相，在通带内是常数。则：,相对半宽度表示成：,中心波长的峰值透射率：,当反射膜没有吸收、散射损失，而且反射膜是完全对称时，滤光片的透射率和光洁基板一样高。,当反射膜有吸收、散射损失时，假定反射膜是完全对称时，,可见，在存在吸收、散射的情况下，反射膜透射率愈低，收、散射愈大。法布里珀珞虑光片对膜层的吸收、散射损失是极其敏感的。,两个反射膜的不对称性对峰值透射率的影响：,两个反射膜的不对称性的法布里珀珞虑光片峰值透射率,不对称误差,结论：两个反射膜的不对称性误差影响法布里珀珞虑光片的峰值透射率，但极不敏感，甚至在两个反射膜的透射率相差两倍时，还可以得到75的峰值透射率。,滤光片的通带半宽度：决定于干涉级次和反射膜的反射率。反射膜的反射率愈高，干涉级次愈高（即间隔层愈厚），则半宽度愈小，滤光片透射光的单色性愈好。,带通滤光片,金属介质滤光片全介质滤光片双半波、三半波全介质滤光片金属诱导透射滤光片,金属介质F-P滤光片,结构：两个金属反射膜夹一个薄膜介质层。薄膜介质层的厚度很薄，使得滤光片工作于较低的干涉级次（4级）。制作的精度要求远小于标准具的要求。,由平行平板多光束干涉理论可得到该滤光片的通带宽度,干涉级数:m,透射峰位置：由等效相位厚为波长的整数倍决定。,介质折射率,特点：干涉级数越高，通带宽越窄（510nm）；当级数大于4时，膜层厚度就开始变得粗糙，影响了通带宽继续变窄。反射率越高，通带宽越窄。反射膜的反射率越高，吸收、散射越大，则滤光片的峰值透过率越低（3540）。介质层两侧的膜层透过率不相等会导致滤光片通带透过率降低。,峰值透过率：,考虑到金属膜的吸收有：,制备金属介质F-P滤光片：将金属膜蒸镀在冷的介质基片上。可见区或红外区：金属膜材料为银和冰晶石；紫外区：铝和氟化镁或冰晶石的组合。,典型膜系G|400Ag1.3L400Ag|，nL=1.35,全介质F-P滤光片,结构：将金属膜用介质膜取代。特点：与金属介质F-P滤光片比较，吸收小，透过率大，效率高；截止带窄，通带旁边容易出现另外透射峰。,单半波型,多半波型,多半波型：改善通带光透过率；使通带光具有陡的光谱形状。,单半波型,带宽的计算（如果介质层两边反射膜对称）,F越大，通带宽越窄；级数m越大，通带宽越窄。,两种常见的膜系结构,对高折射率间隔层,对低折射率间隔层,其中为膜系中不包括间隔层在内的每个反射膜的高折射率膜层的总数，m为干涉级次,带宽可表示为,控制短波通带的方法：在滤波片上加一长波通滤光片。控制长波通带的方法：在滤波片上加一诱导透射滤光片。（短波通滤光片不易制作。）,多半波型：改善通带光透过率；使通带光具有陡的光谱形状。,多半波型基本结构：反射膜半波层反射膜半波层反射膜半波层,多腔滤光片（提高陡度）,什么是诱导透射？,金属薄膜的光学特性：吸收反射透射1）势透过率决定于金属膜的光学常数和出射介质的光学导纳，而与入射介质无关；2）最大势透过率仅决定于金属膜的光学常数。实现最大势透过率的出射光学导纳被称为最佳匹配导纳，或最佳负载导纳；3）膜系的实际透过率不仅与大势透过率有关，还和入射介质有关，也和整个膜系的反射率有关。当max，R0时，实际透过率等于最大势透过率，Tmax。,应用：1）要求高峰值透过率和宽的截止带宽度滤波场合；2）与全介质滤光片配合使用，其作用为抑制长波旁通带。,金属诱导滤光片,势透射率:=T=(1-R)当A=0时，=1,对于透射峰波长F-P滤光片的介质层光学厚,要控制长波通，m最好为1。,一级金属介质F-P滤光片可以控制长波旁通带，但峰值透过率低或通带太宽。,诱导透射滤光片特点：1）高峰值透过率；2）宽的截止带宽度。但是，通带宽度不如F-P滤光片窄。,诱导透射的目的：尽量提高透过率。方法为1）选择相邻介质和金属膜系的光学导纳匹配，使整个膜系的势透过率最大（max）；2）在入射侧设计适当的增透膜，使整个膜系的反射最小（接近零），这样使实际透过率等于势透过率。,反射膜半波层反射膜半波层反射膜,诱导透射滤光片的基本结构为类似于多半波滤光片的混合结构,多半波滤光片,诱导透射滤光片,反射膜半波层金属膜半波层反射膜,双半波滤光片的结构为：,介质反射膜|间隔层|介质反射膜|间隔层|介质反射膜,诱导透射滤光片：,介质反射膜|间隔层|金属膜|间隔层|介质反射膜,在间隔层与金属膜的界面上由于金属膜的折射率是一个复数，N=n-ik，光线在这个表面的反射将带有一个较大的反射相移，为了补偿这个相移，使得间隔层仍然起到滤光片干涉腔的作用，间隔层应取的厚度近似为：,nF为间隔层折射率，k为金属膜消光系数。其光学厚度在0/4和0/2之间。,一个23层由硫化锌和冰晶石组成的双半波滤光片：,GHLHLH2LHLHLHLHLHLH2LHLHLHG,反射膜系,将膜系中的反射膜系用几何厚度d=60nm的银层替代，在550nm处银层的折射率取N=0.075-i3.41，而nH=2.30，冰晶石nL=1.35，则间隔层的厚度,如果以/4厚度()为单位，则表示成1.75L，膜系演变为：,G|HLHLH1.75LAg1.75LHLHLH|G,诱导射滤光片的光谱透射曲线,G|HLHLHLAgLHLHLH|G,Ag=60nm(几何厚度)，N=0.075-i3.41nH=2.30nHdH=0.25onL=1.35nLdL=0.2500=550nm,从另外一个观点来看，膜系中HLHLH1.75L可以看成为银层的减反射膜，从诱导透射原理，如果这种减反射效果是充分的，那么银层的势透射率就被完全诱导出来，所以这种滤光片也称为诱导透射滤光片。,G|HLHLH1.75LAg1.75LHLHLH|G,诱导透射滤光片可能获得的最大透射率，即金属层的最大势透率，而金属膜的最大势透射率值在选定膜料后仅取决于金属层的厚度。,金属膜的厚度影响诱导滤光片的半宽度，金属膜厚度大，则滤光片的半宽度小。金属膜厚度还将影响诱导透射率滤光片的截止深度，金属膜愈厚，截止深度愈好，根据这些规律，设计一个诱导透射滤光片的过程是一个反复计算，反复修改，平衡各种指标要求的过程。,诱导透射滤光片的反射膜可以仅仅是单层金属膜，也可以包含二层甚至更多的金属膜（间以介质层，称为二重式或多重诱导透射滤光片），此时滤光片的背景抑制取决于金属膜的总厚度.,多重诱导透射滤光片,多重诱导滤光片的光谱特性，Ag=70nm，nH=2.35，nL=1.35,G|HLHLHLAgLAgLAgLHLHLH|G,0=550nm,N=n-ik=0.075-i3.41(Ag)，nG=1.52,nH=2.3,nf=nL=1.35,P=3,总层数2p+1=7层,G|(HL)3H1.75LAg1.75L(HL)3H|A,不可能用单层AR,诱导滤光片的设计实例,诱导透射滤光片的计算结果举例,理想的诱导透射滤光片的特性,问题一：展宽截止带,膜系：G|HLH2LHLHLHLHL2HLHLHLHLH2LHLH|G在主通带两侧的次峰须截除。方法：1.利用颜色玻璃吸收;2.对有限区域可用全介质截止滤光片;3.利用金属-介质干涉滤光片:例如：G|Ag-4L-Ag|AG|AgLH-4L-HLAg|A,利用匹配层的设计,失匹产生兔耳朵次峰经导纳匹配两测加多层AR,导纳匹配和AR膜的效果,窄带滤光片:Sub|HLHLHHLHLH|Sub消去半波间隔层:Sub|HLHLLHLH|SubSub|HLHHLH|SubSub|HLLH|SubSub|Sub即中心波长的反射率为0，透射率为1。入射媒质是空气，膜系为:Air|HLHLHHLHLH|Sub消去虚设层为:Air|Glass反射率为:R=(y0-ys)2/(y0+ys)2=4.2%膜系为:Air|LHLHLHHLHLH|Sub透过率增加到99双腔滤光片:Sub|HLHLHHLHLHLHLHLHHLHLH|Sub消去即为:Sub|L|Sub须加上L层:Sub|LHLHLHHLHLHLHLHLHHLHLH|Sub透射率为1。,问题二：提高通带透射率-波长规则利用,干涉滤光片制造的工艺要点:,（1）由于/4膜层之间存在有膜层厚度补偿原理，即如果一层膜厚度不足/4，那么下一层膜会首先补偿其厚度走到极值。然后再开始自己的/4膜，反之亦然。,（2）由于/4