薄膜光学-基础讲义ppt课件

1、R& D dept. /Andy YuFundamentals Of Optical Coating & ApplicationNewton(1666年) -光的微粒說(Corpuscular theory)光是由發光物體發射出來的,以非常微小的粒子做高速運動用微粒說解釋光在均勻介質中的直線傳播,光在界面上的反射,折射;確無法解釋光的繞射,干涉,偏振現象Huygens(1679年)-波動說(wave theory)光是在整個空間介質ether中傳播的某種彈性波用波動說解釋光的傳播速度;用波動說推出反射定律與折射定律,並解釋方解石的雙折射現象,發現了光的偏振現象Young(180

2、1年)-楊氏雙狹縫干涉實驗出現明暗相間的條紋(微粒說無法解釋)(波動說確可圓滿解釋)光是甚麼光是甚麼? ?SS1S2M r1r2DPxO =r2-r1 (波程差波程差) d sin = (2k-1) /2d(相差 ) =2/=2k k=0,1,2,3兩束光在P點振幅最大,形成明亮條紋(相差 ) =2/=(2k-1) k=0,1,2,3兩束光在P點振幅最小,形成暗紋楊氏雙狹縫干涉楊氏雙狹縫干涉光的干涉光的干涉Constructive interference, R increasedDestructive interference, R decreased兩列頻率,振幅及振動方向相同,但傳播方向

3、相反的波,疊加形成駐波(Standing Wave)對光波來說,滿足一定條件的兩束光疊加時,在疊加區域,光的強度或明暗有一穩定分佈RFVideo FrequencyMicro WaveInfra RedVisibleUVX-Ray -Ray /Hz /m10410810121016102031043100310-4310-8310-12400760nm 1014 1015 Hz760nm6 104nm 1012 1014 Hz電磁波譜薄膜光學薄膜光學 (Thin Film Optics)光學薄膜是一種用於改變光波傳遞特性的光學元件光學薄膜是由特定光學常數和厚度的分層介質所組成,薄膜光學的理論基

4、礎是干涉光學(Interference),光束將在每一個界面 上多次反射,因此涉及到大量光束疊加問題;有效的計算方法:(1)矩陣法(2)等效導納遞推法-將所有膜層等效成一個界面,用總的反射反射係數和位相來表示理想的光學薄膜: (1) 光學薄膜層與層之間相互平行 (2) 介面光滑且界線分明aaratrtAtr3tAtr5tAtr7tatrAtr3Atr5Atr7atAtr2Atr4Atr6dattAttr2Attr4Attr6123451234薄膜干涉薄膜干涉透射光振幅反射光振幅炫麗的彩色膜,因薄膜的兩個表面反射光互相干涉而產生的Optical AdmittanceY(光導納光導納)=H/E(電

5、磁波的磁場與電場之比電磁波的磁場與電場之比)Y=N Yo=(n-ik) YoYo (自由空間之導納自由空間之導納)單層光學薄膜的特徵矩陣:cos i sin /YiY sin cos I=-1(相厚度 phase thickness)=2 nd cos/D=膜層的幾何厚度EaHa=EbHb薄膜的特徵矩陣薄膜的特徵矩陣cos i sin /NiN sin cos BC=1NsQuarter wave (1/4)o = /2M=0 i/NiN 0Half wave (1/2)o = 1 00 1M=Absentee layerY(光導納光導納)=H/E(電磁波的磁場與電場之比電磁波的磁場與電場之比

6、)=C/B1NsNE=C/B= N2/Ns1NsEquivalent admittance(等效導納)YE=C/BB和C分別正比於電場(E)及磁場(B)反射光振幅反射光振幅 (amplitude of reflection coefficient)=Er/Ei =(Y0-Y1 ) /(Y0+Y1 ) = (N0-N1 ) / (N0+N1 )反射率反射率 R= = (Y0-Y1/Y0+Y1 )2 R=(N0-N1 ) / (N0+N1 ) 2(Er/Ei ;反射強度與入射強度之比)For dielectric Ns=nse.g BK7 ns=1.52R=(n0-n1 ) / (n0+n1 )

7、2=4.26%For metal Ns=ns-iksNs=0.82-i5.99 550nmR=(n0-n1 ) 2+k 2 / (n0+n1 ) 2+k 2 ) =91.6%穿透光振幅穿透光振幅 (amplitude of transmission coefficient)穿透率穿透率T=4 0 s / ( 0 B + C) ( 0 B + C)=Et/Ei =2Y0 /(Y0+Y1 ) =2 N0/ (N0+N1 )=20 / 0 B + CT=4 n0 n s /(n0 +n s )21 = T + R +L(S+A)n1n2n3n1-n2n1+n2n2-n3n2+n3=Single La

8、yer ARC若薄膜的兩個表面光振幅相等,相位相反,則兩反射光相互抵消,透射光就增強了n2 = (n1n3)1/2n1 =1, n3 =1.5n2=1.225y0y1y21/ysubysub Without ARC R=(y0-ys ) / (y0+ys ) 2BK7=1.52=(1-1.52)/1+1.52) 2=4.26%Without ARCSingle Layer ARCR=(y0-y12/ysub)/ (y0+y12/ysub)2Idea ARC ,R=0,y0-y12/ysub=0, y1=(y0ysub)1/2y0 =1.0 Air, ysub =1.52y1 =1.23R=(y

9、0-y2f/ys)/ (y0+y2f/ys)2R=(1.00-1.382/1.52)/ (1.00+1.382/1.52)R=1.23%yH=y5yH=y3yH=y1yL=y4yL=y2y2Hy2Hy2H y2Ly2LysubyoysubY1=y2H/ y subY2=y2L/ Y1= y2L ys/y2HY3=y2H/ Y2= y4H/ y2Lysy21y23y25 y22y24ysOdd layer y0yE y0yE =等效導納等效導納(遞推法遞推法)nairnLnHnS123NairnL ns光密介質進入光疏介質;相位沒有變化HL雙層減反射膜,反射率可降至0.05%以下2.3521.4

10、52121.52N=1.38n=2.20.501.522+2.2221.521+1.3822 1圓心2.352=圓心1.452=通過(1.52,0)通過(1,0)導納軌跡圖導納軌跡圖ARC with Two Layer R=(y0-y12ysub/y22)/ (y0+y12 ysub/y22)Idea ARC R=0,y0- y12ysub/y22 =0; y12/y22=y0/ ysub Y2=y1 (ys/y0) 1/2=(1.38 1.23) 1/2y2=1.7R=(y0-y12ysub/y22)/ (y0+y12 ysub/y22)R=(1.00-1.382 1.52/1.72)/ (

11、1.00+ 1.382 1.52/1.72)=(1-1.00162) /(1+1.00162)=0.81%High Reflected MirrorHigh Reflection Mirrorys/HLHLHLHLH.H/ y0= ys/ (HL)PH/ y0yE =yH 2(p+1) /= yL 2p ysR= (y0 -yE / y0+ yE ) 2ys =1.52, yH =2.3,yL=1.46,yo=1 ,p=8 R=? 99.92% g=4/ Sin-1(yH - yL/yH + yL)G= 0/ = g/g=170nmHigh Reflection MirrorHigh Refl

12、ection MirrorS 分量分量P分量分量稜鏡偏振鏡稜鏡偏振鏡:1.65/(HL)5 H/1.650=500nm,=45W=R+G+BM=R+BY=R+GC=G+BC=W-RY=W-BM=W-GColor(加法三原色加法三原色)Color(減法三原色減法三原色 )C*Y*M=BLR=Y*MG=Y*CB=M*CDichroic MirrorCOLOR：REDWavelength 50%：632nmYELLOWWavelength 50%：530nmColor FilterCOLOR：GREENWavelength 50%：494/554nmBLUEWavelength 50%：515nmC

13、OLOLIGHT BLUEWavelength 50%：546nmPURPLEWavelength 50%：469/644nmCOLPINKWavelength 50% 452/621nmCOLOR：LIGHT PINKWavelength 50%：487/578nmIncident RayReflected RayRefracted or Transmitted RaySSSPPPSurfaceNs = cos Np= /cos Oblique incidence10 0 Is given by Snells law P偏振光(TE偏振光)-電場平行於入射平面的偏振光S偏振光(TM偏振光)-

14、電場垂直於入射平面的偏振光RsTp=45n0nHnLnHnLn0n0n0MacNeille PBSHHLPBSPBS偏振分光鏡偏振分光鏡隨入射角添加,P偏振光高低折射率比nH/ nL愈來愈小,S偏振光高低折射率比愈來愈大,呵斥/4膜堆P偏振光和S偏振光之高反射區,使P偏振光愈來愈窄S偏振光愈來愈寬;出現S偏振光R很大P偏振光R很小的波域利用 Brewster angle B ,RP=0 , P偏振光之反射為0H =nH/cos H= L =nL/cos LSin2 H=nL2/(nH+nL),tan H = nL/ nHnHsin H=nLsin L依 Snells law當Prism AOI

15、=45,sin H=ngsin 45 / nHng2=2nH2nL2/ (nH2 +nL2)PBSPBS偏振分光鏡偏振分光鏡020406080100400420440460480500520540560580600Transmittance (%)Wavelength (nm)pbs-blue-2: TransmittancePBS Range:430nm490nm Ts85% AOI :45degree020406080100540560580600620640660680700720740760Transmittance (%)Wavelength (nm)pbs-RED: Transmi

16、ttancePBS Range:600nm670nm Ts89% AOI :45degreeWhat are Optical Thin film can do for an optical system(1)Reduce reflectance or increase transmittance(2) Increase reflectance reduce transmittance (3)Acts as a beam splitter: Neutral beam splitter Dichroic Beam Splitter Polarizer(P-polar light& S- -

17、polar light separation)(4)Spectral Band pass filter(WDM) (5)Long Pass(Cold-Light Mirror) & Short Pass Filter(Hot Mirror)(6)Energy Control(Solar energy,Absorber)(7)Phase control(8) Wave guiding(Integrated optics)(9)Optical compensation(Photograph used filter)(10)Anticounterfeiting(11)Display (Col

18、or reflector)(12)Transparent Conductive(ITO)(13)Decoration (UV&IR sunglasses,window illumination)其它熱門鍍膜產品其它熱門鍍膜產品(1)UV ARC&UV High Transmission film(2)Rugate Filter (3)Gradient Index Film(4)Mosaic Filter(5)Diamond Like Carbon Film(6)X-Ray multi-film投影顯示器用各式分合色片投影顯示器用各式分合色片 Dichroic Mirror R.

19、 G. B.分合色用分合色用 適用不同角度分色適用不同角度分色 適用適用 S 或或 P 偏極偏極 穿透區平均穿透率穿透區平均穿透率 95% 反射區平均反射率反射區平均反射率 99% Gradient Dichroic Mirror R. G. B. 分合色用分合色用 適用不同角度分色適用不同角度分色 梯度可調整從梯度可調整從 0.1nm / 1mm 到到 1nm / 1mm 適用適用S或或P偏極偏極 穿透區平均穿透率穿透區平均穿透率95% 反射區平均反射率反射區平均反射率99% 窄波域反射窄波域反射mirror 適用於適用於 R.G.B. 各區各區 適用不同角度適用不同角度 適用各種偏極適用各

20、種偏極 平均反射率平均反射率99% 寬波域反射寬波域反射mirror 適用於可見光區適用於可見光區 適用不同角度適用不同角度 適用各種偏極適用各種偏極 平均反射率平均反射率99% polarized x prismLCD PanelDichroic mirrorlens array platesp-s converterLayout of Reflective LCD ProjectorLCD PanelLCD PanelDichroic mirrormirrormirrormirrorpolarized x prismpolarized x prismlampProjection lens(

21、1)多層減反射膜(2)截止濾光片(3)減色濾光片 (4)條帶彩色濾光片(5)增加熱負載之雙色鏡(6)非偏振介質分光鏡(7)非偏振截止濾光片(8)位相控制鍍膜(9)低耗損雷射鏡(10)塑膠減反射膜(11)可見光及紅外線雙波減反射膜性能靈敏度較高鍍膜性能靈敏度較高鍍膜( (價位高價位高) )(12)寬帶熱線反射鏡(13)低發射率鍍膜價格靈敏度較高鍍膜價格靈敏度較高鍍膜( (價位低價位低) )前表面反射鏡熱線及冷光鏡人造珠寶太陽眼鏡鍍膜顯像器之防炫膜防仿造鍍膜建築玻璃鍍膜光學相關薄膜光學相關薄膜PC PC 太陽眼鏡彩色鍍膜太陽眼鏡彩色鍍膜7 7 種顏色種顏色 ( (金黃、紫、紅寶石、藍、金黃、紫、紅

22、寶石、藍、橘、翡翠、大紅橘、翡翠、大紅) ) MIL-M13508 MIL-M13508 附著性測試及附著性測試及 DIN 58196 DIN 58196 鹽水煮沸測試鹽水煮沸測試 PMMA PMMA 鏡片抗反射鍍膜鏡片抗反射鍍膜 硬氧化膜硬氧化膜 平均反射率平均反射率1.5% 1.5% MIL-M13508 MIL-M13508 附著性測試附著性測試 同相位分光鏡同相位分光鏡 穿透率穿透率 = 50 / 50 = 50 / 50 反射率反射率 = 70 / 30 = 70 / 30 雙色濾光鏡雙色濾光鏡 穿透率穿透率 90% 90% 阻光率阻光率 5% 5%； 過渡波域過渡波域 10nm 1

23、0nm 近紅外穿透鏡近紅外穿透鏡 0.40.40.75m 0.75m 平均穿透率平均穿透率 0.05% 0.05% 0.80.81.60m 1.60m 平均穿透率平均穿透率 95% 95% 玻璃基材可見光域穿透增強膜系玻璃基材可見光域穿透增強膜系 0.40.40.75m 0.75m 穿透率穿透率 98.5% 98.5% R.G.B. R.G.B. 彩色濾光鏡彩色濾光鏡 CIE CIE 色座標規格誤差：色座標規格誤差：XX， Y0.01Y0.01鋁反射鏡 0.3m0.8m, 反射率90% 熱鏡 具備多層膜系保護膜 0.7m2.5m, 反射率95% 0.35m0.65m, 反射率 2.0% 冷光鏡

24、 0.35m反射率 2.0% 光纖衰減器鍍膜 SiO2TiO2保護膜 金屬 / 介質結構 於1.3m， 反射率 0.5%， 穿透率=50% 導電塑膠及玻璃鍍膜 適用於 LCD 用之 ITO 鍍膜 採用低溫 (85% 阻抗值：50 / cm2 適用於大面積基板 ( PET：直徑1m； glass：0.25m2 ) WDM 濾光片鍍膜 膜層堆疊：全氧化介質多層膜 100GHz產品規格200GHz 產品規格波長範圍：C-Band&L-Bband,S-BandCWDMWWDMBPF電腦護目鏡 鏡片大小 1421 反射率：平均 0.60.4% (430640nm) 電磁輻射干擾： 113% (1

25、0500KHz) 靜電防護：可 截紫外線：可 耐刮傷測試：滿足 MIL-C-675C It transmits the UV rays and reflects the visible to make special fluorescent effects. Application：Fluorescent effects for lighting and stageUltraviolet Transmission FilterUltraviolet Blocking Filters is to transmit much of the visible and infrared. At the

26、same time, efficiently reflecting the ultraviolet region of the spectrum. It is normally used to block the ultraviolet from the visible and near infrared. It also enables the use of a broader range of light sources and reduces photo chemical degradation.Application：Natural History MuseumsCommercial Art GalleriesThe Arts Museums Ultraviolet Blocking MirrorCold Mirrors (Heat Transm