薄膜光学-干涉、滤光

1、薄 膜 光 学高劲松中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薄薄 膜膜 光光 学学薄薄 膜膜 光光 学学参考书参考书光学薄膜技术，光学薄膜技术，H.A.麦克劳德著，周九林、尹树百译，国防工业麦克劳德著，周九林、尹树百译，国防工业出版社出版社1974 应用光学薄膜，唐晋发、郑权著，上海科学技术出版社，应用光学薄膜，唐晋发、郑权著，上海科学技术出版社，1984玻璃镀膜，玻璃镀膜， H.K.普尔克尔著，仲永安等译，科学出版社，普尔克尔著，仲永安等译，科学出版社，1988光学薄膜原理，林永昌、卢维强著，国防工业出版社光学薄膜原理，林永昌、卢维强著，国防工业出版社19

2、90薄膜科学与技术手册，田民波、刘德令，机械工业出版社，薄膜科学与技术手册，田民波、刘德令，机械工业出版社，1991OPTICAL THIN FILMS USER HANDBOOK,JAMES D.RANCOUNT薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论你所知道的关于薄膜你所知道的关于薄膜滤光片、反射镜滤光片、反射镜牛顿环牛顿环类金刚石膜类金刚石膜薄薄 膜膜 光光 学学前言前言 前言- 人类生活在周围充满着光的世界里，光是一种人们无时无刻不遇到的自然现象。更为重要的是：光是信息的重要载体，研究光的本性及其传播规律的学科就是光学。 和光打交道，离不开光学薄膜， 薄膜光学是现代光学必不可少的基础技术

3、，它是物理光学的一个重要分支。专项技术 另一方面，由于光学薄膜的制备过程与真空技术、表面物理、材料科学、等离子体技术等等密切相关，所以光学薄膜又可以称得上是一门综合学科 近年来，薄膜光学技术随着现代科学技术的发展而迅速发展，特别是计算机技术给薄膜理论分析带来巨大方便。薄薄 膜膜 光光 学学前言前言 前言 光学薄膜这门学科已成为现代光学不可缺少的一光学薄膜这门学科已成为现代光学不可缺少的一个重要组成部分，没有光学薄膜，许多现代光学装置个重要组成部分，没有光学薄膜，许多现代光学装置便无法发挥效能，失去作用，无论在提高或降低反射便无法发挥效能，失去作用，无论在提高或降低反射率、吸收率与透射率方面，在

4、使光束分开或合并方面，率、吸收率与透射率方面，在使光束分开或合并方面，或者在分色方面，在使光束偏振或检偏方面，以及在或者在分色方面，在使光束偏振或检偏方面，以及在使某光谱带通过或阻滞方面，在调整位相方面等等，使某光谱带通过或阻滞方面，在调整位相方面等等，光学薄膜均起着至关重要的作用。光学薄膜均起着至关重要的作用。 总之，薄膜在许总之，薄膜在许多场合都扮演关键脚色。薄膜器件的轻巧灵便、稳定多场合都扮演关键脚色。薄膜器件的轻巧灵便、稳定给它带来更广阔的应用给它带来更广阔的应用 ：窄带滤光片窄带滤光片光栅单色仪光栅单色仪什么是光学薄膜什么是光学薄膜Optical coatings 一般来讲薄膜敷于光

5、学玻璃、塑料、晶体等基底上；Optical thin films 通常意义的光学薄膜；Optical layers 光学薄膜的一个特点是分层结构；可以用三个常用的英文来形象的解释：薄薄 膜膜 光光 学学前言前言薄膜光学课程目的薄膜光学课程目的了解光学薄膜的基础理论， 掌握简单的设计了解薄膜制作方法及相关工艺， 了解常用薄膜的性能指标及相关的检测方法 薄薄 膜膜 光光 学学前言前言薄膜光学课程目的薄膜光学课程目的v对于今后有志于从事薄膜领域工作的同学起到一个抛砖引玉的作用v对于从事其他学科研究、应用的同学起到一个了解光学薄膜、了解如何用光学薄膜、如何用好薄膜的作用薄薄 膜膜 光光 学学前言前言光

6、学薄膜的发展历史光学薄膜的发展历史 人类最早发现的五光十色的肥皂泡，水面上彩色斑烂的油膜，两玻璃片间的空气层中常呈现出色彩鲜艳的光环，所有这些现象早在十七世纪就引起了许多自然科学家的注意，他们各自部提出了一些初步解释，但均不令人满意 ，直到一百五十年以后，即1801年托马斯 杨干涉实验结果以及菲涅耳对此进一步发扬光大以后，上述现象才彻底为人们弄清，物理光学的基础才从此建立起来今天我们可以说，整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉。 薄薄 膜膜 光光 学学前言前言光学薄膜的发展历史光学薄膜的发展历史 夫琅和费早在1827年制成了可以说是第一批减反射膜，他将经过精细地抛光的平面玻璃一半放在浓硫酸或浓硝

7、酸中腐蚀。将玻璃上的酸液清洗干净之后发现，经酸腐蚀的表面所反射的光强远低于另一半表面的反射光强，即酸经过的那部分玻璃表面失掉了某种成分，形成薄薄一层折射率比玻璃基底折射率低的失泽层，不过玻璃还未遭刻蚀，“因为其适时光仍和另一半表面一样(实际上更高)，以致在透射光中仔细检查也不能找出它们的分界线来，”经过硫酸或硝酸的这种处理之后，有些牌号的玻璃表面呈现美丽鲜艳的色彩；使光沿各种不同的角度入射，则色彩婉如肥皂泡一样变幻无穷。薄薄 膜膜 光光 学学前言前言光学薄膜的发展历史光学薄膜的发展历史 1886年瑞利在英国皇家协会报告说：“失泽”的冕玻璃平板，其反射比刚抛光更低原因是玻璃形成了薄薄的一层膜。1

8、891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章中写到，在使用几年后的普通物镜的火石玻璃透镜上“失泽”现象是十分明显的。我们很高兴的是，能够使这种火石玻璃的拥有者放心，通常用怀疑眼光看待的这层使玻璃“失泽”的薄膜，却正是观测者的“挚友”，因为它增加了物镜的透射率。薄薄 膜膜 光光 学学前言前言 事实上，泰勒发展了一种用化学侵蚀产生“失泽”而制作化学减反膜的方法。 目前制备光学应用的薄膜的主要方法是真空蒸发法和溅射法，后者在十九世纪中叶就发现了，而前者可追朔到二十世纪初。但在1930年以前，它们不能作为实用的镀膜方法，因为没有获得高真空的真正适用的抽气机，直到1930年出现了油扩散泵

9、机械泵抽气系统以后，制造实用的真空镀膜机才成为可能。 光学薄膜的发展历史光学薄膜的发展历史薄薄 膜膜 光光 学学前言前言 三十年代中期德国的鲍尔和美国的斯特朗先后用真空蒸发方法制备了单层减反射膜，这种简单的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地应用。 折射率为152的玻璃敷有折射率为138的氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从4.2%减少到15%左右，例如7块平板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为： T(097)7807% 未镀膜： T=(0.92)7=55.7%这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25的透射能量光学薄膜的发展历史光学薄膜的发展历史薄薄 膜膜 光光 学学前言前言 薄膜

10、可分成两大部分，第一部分是光学薄膜，第二部分是光学波导及其相应器件，前者的特点是光横穿过薄膜而进行传播；后者的特征是光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播，对于光学薄膜，在一块基片上淀积五、六十层膜并非罕见，涂镀工艺是比较成熟的；而对光学波导，则膜层层数一般不多，通常仅用一层膜，其镀制工艺仍处在发展初期。本课程讲的是第一种情况。光学薄膜的发展历史光学薄膜的发展历史薄薄 膜膜 光光 学学前言前言前言前言光学薄膜的应用光学薄膜的应用 薄膜光学是物理光学的一个重要分薄膜光学是物理光学的一个重要分支，它研究的对象是膜层对光的反射、支，它研究的对象是膜层对光的反射、透射、吸收以及位相特性、偏振效应等，透射、

11、吸收以及位相特性、偏振效应等，简而言之，它主要研究光在分层媒质中简而言之，它主要研究光在分层媒质中的传播规律性。的传播规律性。薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论 光在通过分层媒质时，来自不同界面光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向的反射光、透射光在光的入射及反射方向产生光的干涉现象，人们正是利用这种干产生光的干涉现象，人们正是利用这种干涉现象，通过改变材料及其厚度等特性来涉现象，通过改变材料及其厚度等特性来人为的控制光的干涉，根据需要来实现光人为的控制光的干涉，根据需要来实现光能的重新分配。能的重新分配。前言前言光学薄膜的应用光学薄膜的应用薄薄 膜膜 光光

12、学学前言前言前言前言光学薄膜的应用光学薄膜的应用光学薄膜在光学系统中的作用：光学薄膜在光学系统中的作用：提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。 实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片、 长波通、短波通滤光片。实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等 薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论与镀膜技术密切相关的产业与镀膜技术密切相关的产业镀膜眼镜幕墙玻璃滤光片ITO膜车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件红外膜投影显示薄薄 膜膜 光光 学学前言前言

13、前言前言光学薄膜的应用光学薄膜的应用目前光学薄膜两个重要的应用领域：光通信：以DWDM(dense wavelengh division multiplexer)filter为代表的光无源器件信息显示技术：LCD、LCOS投影显示技术薄薄 膜膜 光光 学学前言前言光学薄膜在液晶投影显示中的应用光学薄膜在液晶投影显示中的应用薄薄 膜膜 光光 学学前言前言光学薄膜在液晶投影显示中的应用光学薄膜在液晶投影显示中的应用高效率的减反射膜与高反射膜高效率的减反射膜与高反射膜冷光镜及红外、紫外截止滤光片冷光镜及红外、紫外截止滤光片 偏振光转换用膜偏振光转换用膜分色与合色光学薄膜分色与合色光学薄膜 液晶投影显

14、示系统中，几乎所有的典型的光学薄膜都得到了应用。-唐晋发薄薄 膜膜 光光 学学前言前言光学薄膜在光通信领域的应用光学薄膜在光通信领域的应用以光通信中DWDM filter位代表的光学薄膜应用是目前光学薄膜技术最高水平的代表。光通信曾经曾经给光学薄膜技术带来了前所未有的商机薄薄 膜膜 光光 学学前言前言DWDM filter 当前，光通信技术以超乎人们想象的速度在发展。在过去的10年中，光传输的容量提高了100倍，预计在未来的10年里还将提高100倍左右。波分复用技术，（ wavelength division multiplexer简称WDM）的出现使光通信系统的容量几十倍、成百倍地增长，可以

15、说，没有波分复用技术也就没有现在蓬勃发展的光通信事业。传统的扩容方法采用ETDM(电时分复用)方式，由于受到种种制约，人们越来越倾向于光复用，光复用有两种技术，即光时分复用(OTDM)和光波分复用(OWDM)。由于电域没有波分的提法，故OWDM一般简称为WDM。 薄薄 膜膜 光光 学学前言前言DWDM filter 虽然，OTDM有许多的优点，但由于其关键技术（高重复率超短光脉冲源、超短光脉冲传输技术、时钟提取技术和时分解复用技术）比较复杂，更为重要的是实现这些技术的器件特别昂贵，而且制作和实现均很困难，所以这项技术迟迟没有得到很大的发展和应用。 WDM就是指从光域上用波长复用方式来改进传输效

16、率，提高复用效率。其突出优点为“能在一根光纤中同时传输不同波长的几个甚至成百上千个光载波信号，不仅能充分利用光纤的带宽资源，增加系统的传输容量，而且还能提高系统的经济效益。薄薄 膜膜 光光 学学前言前言以往WDM仅指1310/1550nm的简单复用，DWDM指1550nm波长区段内的密集复用，目前由于传输距离的要求和光放大器（EDFA）的使用，由于EDFA增益谱宽的原因，使得1310/1550nm的简单复用逐步被淘汰。当前，所谓的WDM已不再是以往意义上的简单复用，除非特别说明，WDM仅指1550nm波长区段内的密集复用。DWDM filter薄薄 膜膜 光光 学学前言前言filter薄薄 膜

17、膜 光光 学学前言前言多信道点对点多信道点对点WDM系统系统WDM filter 工作原理薄薄 膜膜 光光 学学前言前言JDS Uniphase等公司称之为Interleaver的示意图 100GHz的频率间隔通过两个分别频率间隔为目标间隔两倍的普通复用/解复用器的组合使用，一个专门配合偶数的频道数，一个专门配合奇数频道数。再配合一个可以将信号按奇偶分开的Interleaver，就可以实现50GHz的频率间隔。薄薄 膜膜 光光 学学前言前言DWDM filter 主要技术指标中心波长：1550nm;带宽4nm(100GHz)温漂：1pm/0C=0.1nm/ 1000C插入损耗：0.2db 透过

18、率约为95%隔离度高薄薄 膜膜 光光 学学前言前言DWDM filter 制作部分参数层数大于100（Corning 3腔108层，100GHz)镀膜机口径1.1m,有用面积小于100mmAPS1104/DWDM;光控：OM3000工件旋转速度3000转/分薄薄 膜膜 光光 学学前言前言DWDM filter 制作关键技术的解决例如：解决无温漂、基板测温、低损耗基底材料、镀膜材料（k-4,T67%或1.87dB;k-5,T95%或0.2dB)温度监控：热像仪、激光测温工艺手段德国Leybold ：APS源、电子枪日本Optorun：电子枪+离子辅助美国Ion-tech：离子束溅射薄薄 膜膜 光光 学学前言前言本学期课程安排v光学薄膜的基础理论v分析光学薄膜的几种有效方法v几种典型膜系介绍v成膜机理及工艺简介v常用的薄膜材料特性薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论光学薄膜基础理论几个条件：工作波段：光学薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级薄膜的面积与波长相比可认为无限大薄膜材料各向均匀、同性薄膜材料为非铁磁性材料光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论 Dr. Angus Macleod has over 200 publications in the field of optics including