第二篇-第十章 分光镜

1、薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础第十章第十章 分光镜分光镜曹建章曹建章薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 在光学系统或光学实验中，通常需要将一在光学系统或光学实验中，通常需要将一光源的光束分成两束，两束光光源的光束分成两束，两束光一束作为参考光一束作为参考光，另一束作为另一束作为测试光。测试光。一般的方法是用一般的方法是用分光镜，分光镜，使一部分光能量反射，而另一部分光能量透射，使一部分光能量反射，而另一部分光能量透射，透射光与反射光的比称之为透射光与反射光的比称之为分光比分光比，用，用T/R表表示。由于反射率和透射率随入射角变化，所以示。由于反射率和透射率随入射角变化，

2、所以分光分光最简单的方法是将玻璃倾斜放置最简单的方法是将玻璃倾斜放置，就可分就可分离出反射光和透射光离出反射光和透射光。固定玻璃的倾斜角后，。固定玻璃的倾斜角后，随着入射光入射角的不同，也可得到不同的的随着入射光入射角的不同，也可得到不同的的分光比分光比T/R。但是当玻璃的倾角和入射光的入。但是当玻璃的倾角和入射光的入射角确定之后，分光比就是确定的值。一般情射角确定之后，分光比就是确定的值。一般情薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础况下，应用中对分光镜的反射角（也称况下，应用中对分光镜的反射角（也称分离角分离角）和分光比都有特定的要求，和分光比都有特定的要求，如果玻璃倾斜放置如果玻璃倾

3、斜放置并改变入射角也不能满足应用中的分光要求，并改变入射角也不能满足应用中的分光要求，这时就需要在玻璃表面镀膜，以得到所需的分这时就需要在玻璃表面镀膜，以得到所需的分光比光比。 依据光谱特性来区分，分光镜可分为依据光谱特性来区分，分光镜可分为中性中性分光镜和双色分光镜分光镜和双色分光镜。中性分光镜即将一束光。中性分光镜即将一束光分成光谱成分相同而传播方向不同的两束光。分成光谱成分相同而传播方向不同的两束光。中性分光镜仅改变光强，而不改变颜色中性分光镜仅改变光强，而不改变颜色。双色双色分光镜则将谱成份分成两部分分光镜则将谱成份分成两部分，一部分反射，一部分反射，一部分透射。依据光的偏振特性，将光

4、束分成一部分透射。依据光的偏振特性，将光束分成薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础为为S-偏振光和偏振光和P-偏振光，这种分光镜称之为偏振光，这种分光镜称之为偏偏振分光镜振分光镜。偏振分光属于中性分光。偏振分光属于中性分光,即使即使 和和 值差异很大值差异很大,但在但在 角入射时角入射时,如果如果 接近于垂直入射的反射率，这种情况也属于中接近于垂直入射的反射率，这种情况也属于中性分光。按性分光。按分光镜的几何构型分光镜又分为平分光镜的几何构型分光镜又分为平板分光镜和棱镜分光镜板分光镜和棱镜分光镜，在斜入射时这两种分，在斜入射时这两种分光镜都存在偏振效应，大多数实际应用中偏振光镜都存在偏

5、振效应，大多数实际应用中偏振效应会造成光学系统性能的劣变，所以需要消效应会造成光学系统性能的劣变，所以需要消偏振，由此又产偏振，由此又产生消偏振分光镜生消偏振分光镜。10.1 10.1 中性分光镜中性分光镜 常用的中性分光镜有两种几何形式：一种常用的中性分光镜有两种几何形式：一种薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础分光形式是在透明的平行平板基底上镀一层膜，分光形式是在透明的平行平板基底上镀一层膜，如图如图10-1（a）所示；另一种分光形式是在）所示；另一种分光形式是在 直角棱镜斜面上镀膜，然后两直角棱镜再胶合直角棱镜斜面上镀膜，然后两直角棱镜再胶合成立方体，如图成立方体，如图10-1（

6、b）所示。平板分光透）所示。平板分光透射光束经过平板，而反射光束未经过平板，两射光束经过平板，而反射光束未经过平板，两束光存在光程差。立方棱镜分光反射光束和透束光存在光程差。立方棱镜分光反射光束和透射光束不存在光程差，这是立方棱镜分光的优射光束不存在光程差，这是立方棱镜分光的优点，所以在高性能光学系统中常采用立方棱镜点，所以在高性能光学系统中常采用立方棱镜分光。另外，立方棱镜分光在光学仪器中装配分光。另外，立方棱镜分光在光学仪器中装配方便，且膜层不暴露在空气中，不易损害和腐方便，且膜层不暴露在空气中，不易损害和腐蚀，因而对膜层材料的机械性能和化学性能要蚀，因而对膜层材料的机械性能和化学性能要薄

7、膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础求比较低。为了减小光学系统中的杂散反射求比较低。为了减小光学系统中的杂散反射光，分光镜的自由表面一般都镀有增透膜。光，分光镜的自由表面一般都镀有增透膜。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 由于基底介质和薄膜都存在色散和吸收，由于基底介质和薄膜都存在色散和吸收，入射角变化会引起入射角变化会引起R和和T的变化，且的变化，且 和和 、 和和 也会随入射角的变化而变化，这些都也会随入射角的变化而变化，这些都是设计中性分光镜需要考虑的因素。是设计中性分光镜需要考虑的因素。10.1.1 10.1.1 金属膜中性分光金属膜中性分光 在平板基底表面或直角棱镜

8、基底斜面上镀在平板基底表面或直角棱镜基底斜面上镀金属膜就构成金属膜中性分光镜。在可见光区，金属膜就构成金属膜中性分光镜。在可见光区，金属银的吸收最小，所以可用作金属分光。但金属银的吸收最小，所以可用作金属分光。但由于银膜的中性较差，在蓝光波段反射率降低，由于银膜的中性较差，在蓝光波段反射率降低，且机械强度和化学稳定性都不好，因此在平板且机械强度和化学稳定性都不好，因此在平板分光中很少使用银膜，一般都用在棱镜分光镜分光中很少使用银膜，一般都用在棱镜分光镜薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础中。中。 金属铬由于机械强度和化学稳定性都非常金属铬由于机械强度和化学稳定性都非常好，且其中性也比较

9、好，分光比随波长的变化好，且其中性也比较好，分光比随波长的变化也很小，因此金属膜中性分光镜常用铬膜。在也很小，因此金属膜中性分光镜常用铬膜。在可见光区铬膜分光反射光束呈白色，透射光束可见光区铬膜分光反射光束呈白色，透射光束略带棕色。略带棕色。 由于金属膜都存在吸收，分光效率偏低。由于金属膜都存在吸收，分光效率偏低。为了减小吸收损耗，可在金属膜分光镜上加镀为了减小吸收损耗，可在金属膜分光镜上加镀一层四分之一波长厚度的介质膜，如图一层四分之一波长厚度的介质膜，如图10-2所所示。图中数据是在光垂直入射时，入射光波示。图中数据是在光垂直入射时，入射光波长长 ，玻璃基底（，玻璃基底（n=1.52）表面

10、镀铬膜）表面镀铬膜薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础的反射率的反射率R、透射率、透射率T和吸收率和吸收率A的测量数值的测量数值以及在铬膜（以及在铬膜（Cr: =2-j3）和玻璃表面之间加）和玻璃表面之间加镀硫化锌（镀硫化锌（ZnS：n=2.35）膜的反射率）膜的反射率R、透、透射率射率T和吸收率和吸收率A的测量值。由图中数据可以的测量值。由图中数据可以看出，光正向入射的情况下，加镀硫化锌膜之看出，光正向入射的情况下，加镀硫化锌膜之后，吸收降低；反向入射，吸收增加。在铬膜后，吸收降低；反向入射，吸收增加。在铬膜的前表面加玻璃片，光正入射时，吸收大大降的前表面加玻璃片，光正入射时，吸收大

11、大降低，反射率和透射率都有提高；光反向入射时，低，反射率和透射率都有提高；光反向入射时，反射降低，吸收增加，透射不变。根据图中数反射降低，吸收增加，透射不变。根据图中数据也可以看出，单层铬膜的据也可以看出，单层铬膜的T+R约为约为60%，加，加镀四分之一波长硫化锌介质膜后，镀四分之一波长硫化锌介质膜后，T+R提高到提高到82%。铬膜前表面加玻璃片，单层铬膜的。铬膜前表面加玻璃片，单层铬膜的T+R薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础约为约为51%，加镀硫化锌膜后，加镀硫化锌膜后，T+R提高到提高到75%。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 在玻璃和铬膜之间镀高折射率介质膜可以在

12、玻璃和铬膜之间镀高折射率介质膜可以减小铬膜的吸收，以增加膜层的透明度。在玻减小铬膜的吸收，以增加膜层的透明度。在玻璃与金属膜之间镀金属膜也可以减小金属膜的璃与金属膜之间镀金属膜也可以减小金属膜的吸收，比如为了减小铝膜的吸收，在玻璃（玻吸收，比如为了减小铝膜的吸收，在玻璃（玻璃的温度必须加热到璃的温度必须加热到 左右）基底的表面左右）基底的表面镀一层银膜，然后将铝膜加镀在银膜上，则铝镀一层银膜，然后将铝膜加镀在银膜上，则铝膜的透明度在波长膜的透明度在波长 处可增加到处可增加到3.5倍，在倍，在 处可增加处可增加2.5倍，而铝膜与空气界面的反倍，而铝膜与空气界面的反射率仍然保持不变。射率仍然保持不

13、变。 除此之外，欲使分光的效果更佳，也可选除此之外，欲使分光的效果更佳，也可选耐热镍铬合金膜（耐热镍铬合金膜（Ni-80%,Cr-20%）、镍铬合）、镍铬合薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础金膜（金膜（Ni-90%,Cr-10%）和镍铬铁合金膜）和镍铬铁合金膜（Ni-80%,Cr-14%，Fe-6%）。在）。在 的波段范的波段范围内，镍铬合金具有非常平坦的分光特性。由围内，镍铬合金具有非常平坦的分光特性。由于镍铬的蒸发温度不同，蒸镀时温度的高低很于镍铬的蒸发温度不同，蒸镀时温度的高低很重要，因为温度高低决定镍、铬的百分比，重要，因为温度高低决定镍、铬的百分比， 是比较适合的合金温度。

14、此外，为了提高合金是比较适合的合金温度。此外，为了提高合金膜的性能，蒸镀时基底温度需大于膜的性能，蒸镀时基底温度需大于 ，蒸，蒸镀后在空气中以镀后在空气中以 的温度进行老化处理的温度进行老化处理12小时。铂和铑用作中性分光金属膜，中性小时。铂和铑用作中性分光金属膜，中性特性很好，机械强度和化学稳定性也很好。图特性很好，机械强度和化学稳定性也很好。图10-3是在偏振光和非偏振光入射情况下得到的是在偏振光和非偏振光入射情况下得到的薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础镍铬铁合金分光膜实测光谱透射和反射曲线。镍铬铁合金分光膜实测光谱透射和反射曲线。 有时由于膜厚不易控制，在入射角给定的有时由于

15、膜厚不易控制，在入射角给定的情况下，要得到合适的分光比情况下，要得到合适的分光比T/R很难。解决很难。解决问题的办法是把膜层用如图问题的办法是把膜层用如图10-4所示的马赛克所示的马赛克图案代替（微波技术中称之为频率谐振表面）。图案代替（微波技术中称之为频率谐振表面）。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础黑区是不透明的高反射金属膜，即高反射区，黑区是不透明的高反射金属膜，即高反射区，白区是高透射区。通过控制黑白区面积之比可白区是高透射区。通过控制黑白区面积之比可得到所需的分光比得到所需的分光比T/R，而且，而且T+R值很高。应值很高。应该注意的是黑白间隔要大于波长两个数量级以该注意的是

16、黑白间隔要大于波长两个数量级以避免引起衍射效应，尤其是间隔小于可见光波避免引起衍射效应，尤其是间隔小于可见光波长会产生色差。长会产生色差。 金属膜平板分光的反射率与入射光的方向金属膜平板分光的反射率与入射光的方向有关有关,T和和R的取值取决于具体的应用。比如的取值取决于具体的应用。比如,对对于非偏振显微镜上的双目镜于非偏振显微镜上的双目镜,要求要求 ，见图见图10-5(a)；对于垂直反光镜，；对于垂直反光镜， 应该应该取最大值，见图取最大值，见图10-5(b)；在某些干涉仪中；在某些干涉仪中,最最薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础大条纹可见度要求大条纹可见度要求 和和 ，见，见图图1

17、0-5(c)。这些条件对于介质膜立方棱镜分光。这些条件对于介质膜立方棱镜分光和金属膜立方棱镜分光自然是满足的。和金属膜立方棱镜分光自然是满足的。 对于对于X-射线区域分光镜的研究目前仅限射线区域分光镜的研究目前仅限于接近垂直入射的情况，并在很窄的波长范围于接近垂直入射的情况，并在很窄的波长范围内才有效。内才有效。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础X-射线区域分光镜是由沉积在膜片或基底上射线区域分光镜是由沉积在膜片或基底上的多层反射膜系构成，膜片或基底要薄，以增的多层反射膜系构成，膜片或基底要薄，以增强透射分量。图强透射分量。图10-6给出的是给出的是X-射线分光的实射线分光的实测反射

18、和透射曲线，测反射和透射曲线，X-射线分光镜的构成是射线分光镜的构成是在在0.03厚的厚的 薄膜上镀薄膜上镀11个周期个周期Mo和和Si膜层，入射角为膜层，入射角为 。10.1.2 10.1.2 介质膜中性分光介质膜中性分光 在光学系统中使用分光镜，通常采用有效在光学系统中使用分光镜，通常采用有效透射率描述其分光效果和性能。透射率描述其分光效果和性能。有效透射率定有效透射率定义为分光镜的反射率与透射率的乘积义为分光镜的反射率与透射率的乘积,用用 表表示示。如果。如果 ， ， ，这是，这是 的的薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础最佳值，因而对应的也是分光效果和性能最佳最佳值，因而对应的

19、也是分光效果和性能最佳的分光镜。因而对应的也是分光效果和性能最的分光镜。因而对应的也是分光效果和性能最佳的分光镜。大多数金属分光镜佳的分光镜。大多数金属分光镜 值在值在.0到到.之间。之间。 介质膜分光与金属膜分光相比较，其优点介质膜分光与金属膜分光相比较，其优点在于介质膜吸收很小，所以分光效率高。但介在于介质膜吸收很小，所以分光效率高。但介质膜存在色散，且其偏振效应明显，要产生中质膜存在色散，且其偏振效应明显，要产生中性分光比较困难。即使如此，介质膜分光都比性分光比较困难。即使如此，介质膜分光都比金属膜分光性能要好。金属膜分光性能要好。 在透明平板基底上镀四分之一波长厚的高在透明平板基底上镀

20、四分之一波长厚的高折射率膜，可以增加反射率，减小透射率。因折射率膜，可以增加反射率，减小透射率。因薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础此，选择不同折射率的介质作为分光膜，就可此，选择不同折射率的介质作为分光膜，就可得到不同的分光比。得到不同的分光比。 假设玻璃基底（假设玻璃基底（ ）上镀四分之一波）上镀四分之一波长高折射率介质膜（长高折射率介质膜（ ），入射介质为空气），入射介质为空气（ ），根据式（），根据式（3-39），斜入射时中心），斜入射时中心波长波长 处的反射率为处的反射率为光学等效导纳光学等效导纳(10-1)(10-2)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础而而 为入

21、射角，为入射角， 和和 分别为膜层和玻璃基底中分别为膜层和玻璃基底中的透射角的透射角。玻璃平板玻璃平板 角放置角放置,入射角入射角 ，取不同折射率取不同折射率 ，分光膜的反射率极值曲线如，分光膜的反射率极值曲线如图图10-7所示。所示。(10-3)(10-4)(10-5)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 硫化锌是常用的分光镀膜材料，折射率硫化锌是常用的分光镀膜材料，折射率 ，由图可知，在，由图可知，在 时，时，-波偏波偏振的有效透射率为振的有效透射率为-波偏振的有效透射率为波偏振的有效透射率为由此得到非偏振情况下的有效透射率为由此得到非偏

22、振情况下的有效透射率为薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 可以看出，介质膜分光的有效透射率比金可以看出，介质膜分光的有效透射率比金属膜分光的有效透射率大，分光效果和性能更属膜分光的有效透射率大，分光效果和性能更好。同样，由图中好。同样，由图中 和和 值数据可计算出二氧值数据可计算出二氧化铈的有效透射率为化铈的有效透射率为 。如果分光膜。如果分光膜用二氧化铈，比硫化锌分光膜更加牢固。用二氧化铈，比硫化锌分光膜更加牢固。 在可见光波段，介质膜的折射率通常小于在可见光波段，介质膜的折射率通常小于2.5，因此，对自然光进行分光，要达到分光，因此，对自然光进行分光，要达到分光比比T/R=1，单

23、层介质分光膜很难实现，必须采，单层介质分光膜很难实现，必须采用多层介质膜分光。用多层介质膜分光。 对于平板分光，通常采用膜系对于平板分光，通常采用膜系(10-6)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础作为分光膜，其中入射介质作为分光膜，其中入射介质A为空气，为空气， ，基底基底G为玻璃，为玻璃， ,高低折射率介质选择高低折射率介质选择硫化锌硫化锌(ZnS: )和氟化镁和氟化镁(MgF: )。图图10-8就是分光膜（就是分光膜（10-6）计算特性曲线，图）计算特性曲线，图10-8（a）对应于入射角）对应于入射角 ，图，图10-8（b）对应于入射角对应于入射角 （设计角），图（设计角），图1

24、0-8（c）对应于入射角对应于入射角 。 在某些光学系统中平板分光的背面反射会在某些光学系统中平板分光的背面反射会造成双像并引进像差，因而必须采用立方棱镜造成双像并引进像差，因而必须采用立方棱镜分光镜。如果采用四分之一波长单层高折射率分光镜。如果采用四分之一波长单层高折射率介质膜分光，立方棱镜分光的反射率比平板分介质膜分光，立方棱镜分光的反射率比平板分薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础光的反射率还要低，所以棱镜分光必须采用多光的反射率还要低，所以棱镜分光必须采用多层介质膜。在两直角棱镜间胶合多层膜系层介质膜。在两直角棱镜间胶合多层膜系(10-7)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技

25、术基础构成非偏振分光镜。图构成非偏振分光镜。图10-9就是立方棱镜分光就是立方棱镜分光镜（镜（10-7）计算特性曲线，计算参数：玻璃棱）计算特性曲线，计算参数：玻璃棱镜镜 ，低折射率膜，低折射率膜 ，中等折射率，中等折射率膜膜 ，高折射率膜，高折射率膜 ，膜层厚度，膜层厚度四分之一波长四分之一波长,分光设计入射角分光设计入射角 。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础10.1.3 10.1.3 金属金属- -介质膜中性分光介质膜中性分光 金属膜中性分光和介质膜中性分光各有优金属膜中性分光和介质膜中性分光各有优缺点。对于理想中性分光，希望分光色散小、缺点。对于理想中性分光，希望分光色散小、

26、R和和T随入射角的变化小、偏振效应小和吸收随入射角的变化小、偏振效应小和吸收小，要做到这一点可采用金属膜加介质膜构成小，要做到这一点可采用金属膜加介质膜构成金属金属-介质中性分光膜。比如在介质中性分光膜。比如在BK7玻璃上镀玻璃上镀银并加镀硫化锌（银并加镀硫化锌（ZnS）介质膜构成中性分光）介质膜构成中性分光镜镜 为空气折射率，为空气折射率， 为玻璃折射率为玻璃折射率。(10-8)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 如果是如果是BK7玻璃直角棱镜斜面间胶合金属玻璃直角棱镜斜面间胶合金属-介质多层膜构成立方棱镜分光镜介质多层膜构成立方棱镜分光镜,设计角设计角 ，可采用下列四种分光形式可

27、采用下列四种分光形式(10-9)(10-10)(10-11)(10-12)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 图图10-10就是分光镜（就是分光镜（10-12）反射率和透）反射率和透射率特性曲线。与纯金属分光膜和介质分光膜射率特性曲线。与纯金属分光膜和介质分光膜相比较，性能改善很明显。相比较，性能改善很明显。 薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 图图10-11是深圳飞莱特光电技术有限公司是深圳飞莱特光电技术有限公司自聚焦中性分光镜产品及特性曲线，其分光比自聚焦中性分光镜产品及特性曲线，其分光比为为 ，最大误差小于，最大误差小于 。该产品。该产品双窗口分光，入射光波长在双窗口

28、分光，入射光波长在1260nm1630nm，分光中心波长分光中心波长 =131050和和 =155050；单窗口分光波长范围单窗口分光波长范围1500nm1630nm。该分。该分光镜适用于网络监控等，具有波长相关损耗小、光镜适用于网络监控等，具有波长相关损耗小、性能稳定等优点。性能稳定等优点。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础10.2 10.2 双色分光镜双色分光镜 在光电彩色显示系统及应用中，都需要将在光电彩色显示系统及应用中，都需要将光的三原色（红、绿、蓝）分离出来，比如彩光的三原色（红、绿、蓝）分离出来，比如彩色投影电视、显示器、扫描仪、投影显示、彩色投影电视、显示器、扫描仪、

29、投影显示、彩色印刷以及纺织品检验等，采用的方法是双色色印刷以及纺织品检验等，采用的方法是双色分光。分光。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 根据光谱特性，一束白光是由红（根据光谱特性，一束白光是由红（R）、）、绿（绿（G）、蓝（）、蓝（B）三种波长的光构成的复色）三种波长的光构成的复色光，波长顺序逐渐变短，所以可由两个长波通光，波长顺序逐渐变短，所以可由两个长波通截止滤光片或者两个短波通截止滤光片分离出截止滤光片或者两个短波通截止滤光片分离出三原色，图三原色，图10-12所示为长波通截止滤光片分所示为长波通截止滤光片分离出三原色。离出三原色。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基

30、础 图图10-13所示为短波通截止滤光片分离出所示为短波通截止滤光片分离出三原色，图三原色，图10-13（a）是平板分光几何构型，）是平板分光几何构型，图图10-13（b）为两个具有不同截止波长的短波）为两个具有不同截止波长的短波通截止滤光片透射特性曲线。通截止滤光片透射特性曲线。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 由于截止滤光片可把光的光谱成分分离成由于截止滤光片可把光的光谱成分分离成两部分，所以称图两部分，所以称图10-12（a）和图）和图10-13（a）构型的分光为双色分光镜。实际上双色分光镜构型的分光为双色分光镜。实际上双色分光镜是由两个截止滤光片构成的，所以也有作者将是由两

31、个截止滤光片构成的，所以也有作者将双色分光的内容放在截止滤光片一章的应用部双色分光的内容放在截止滤光片一章的应用部分。分。 双色分光除采用平板构型外，也可采用棱双色分光除采用平板构型外，也可采用棱镜构型。但光在镜构型。但光在 角入射时角入射时,不管是平板双色不管是平板双色分光还是棱镜双色分光都会产生偏振效应，由分光还是棱镜双色分光都会产生偏振效应，由此可影响色彩合成质量，且棱镜分光更为明显。此可影响色彩合成质量，且棱镜分光更为明显。图图10-14给出相同膜系构成的平板分光给出相同膜系构成的平板分光(a)图图)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础和棱镜分光和棱镜分光(b)图图)在入射角为

32、在入射角为 时透射特时透射特性偏振效应曲线。为了便于比较，图中也给出性偏振效应曲线。为了便于比较，图中也给出入射角入射角 时的非偏振透射特性曲线。因为时的非偏振透射特性曲线。因为棱镜折射率大于空气折射率棱镜折射率大于空气折射率,相同角度相同角度 入入射，棱镜中膜系的折射角比平板分光镜中的折射，棱镜中膜系的折射角比平板分光镜中的折射角大，所以棱镜分光偏振效应更为明显。射角大，所以棱镜分光偏振效应更为明显。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 减小棱镜分光偏振效应的方法是合理设计减小棱镜分光偏振效应的方法是合理设计分光棱镜的构型，使入射到膜层的入射角尽可分光棱镜的构型，使入射到膜层的入射角

33、尽可能小。图能小。图10-15所示为投影电视中使用的棱镜所示为投影电视中使用的棱镜分光实际光路图，图分光实际光路图，图10-15（a）是投影电视系）是投影电视系统中利用统中利用X棱镜进行双色分光的光路图，图棱镜进行双色分光的光路图，图10-15（b）是飞利浦（）是飞利浦（Philips）棱镜在投影电）棱镜在投影电视系统中用作双色分光光路图。这两种分光系视系统中用作双色分光光路图。这两种分光系统偏振效应很小，角偏移也很小。统偏振效应很小，角偏移也很小。 实际上，双色分光通常都选择介质多层膜实际上，双色分光通常都选择介质多层膜干涉截止滤光片，因为介质膜几乎无损耗，其干涉截止滤光片，因为介质膜几乎无

34、损耗，其次，介质多层膜可任意选择截止波长。对于大次，介质多层膜可任意选择截止波长。对于大薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础多数彩色分光元件一般都是在入射角多数彩色分光元件一般都是在入射角 的的倾斜情况下使用，而彩色扩印机及彩色放大倾斜情况下使用，而彩色扩印机及彩色放大机的彩色镜头则是在入射角机的彩色镜头则是在入射角 的情况下使的情况下使用，下面分别给出这两组双色分光介质膜系用，下面分别给出这两组双色分光介质膜系的构成实例及透射特性曲线。的构成实例及透射特性曲线。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础1.1.低色偏短波通分光膜系（低色偏短波通分光膜系（ ）（a）反绿透蓝膜系）反绿

35、透蓝膜系膜系参数取膜系参数取其透射特性曲线见图其透射特性曲线见图10-16（a）。）。（b）反红透蓝膜系）反红透蓝膜系(10-13)(10-14)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础膜系参数取膜系参数取其膜系透射特性曲线见图其膜系透射特性曲线见图10-16（b）。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础2. 2. 低色偏长波通分光膜系（低色偏长波通分光膜系（ ）（a）反蓝透红膜系）反蓝透红膜系膜系参数取膜系参数取其膜系透射特性曲线见图其膜系透射特性曲线见图10-17（a）。）。（b）反绿透红膜系）反绿透红膜系(10-15)(10-16)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础膜

36、系参数取膜系参数取其膜系透射特性曲线见图其膜系透射特性曲线见图10-17（b）。）。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础3. 3. 红、绿、蓝三基色分光膜系（红、绿、蓝三基色分光膜系（ ）（a）透蓝反红绿膜系（短波通截止滤光片）透蓝反红绿膜系（短波通截止滤光片）膜系参数取膜系参数取其膜系透射特性曲线见图其膜系透射特性曲线见图10-18。(10-17)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础（b）透绿反红蓝膜系（带通滤光片）透绿反红蓝膜系（带通滤光片）(10-18)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础膜系参数取膜系参数取其膜系透射特性曲线见图其膜系透射特性曲线见图10-18。

37、（c）透红反蓝绿膜系（长波通截止滤光片）透红反蓝绿膜系（长波通截止滤光片）膜系参数取膜系参数取其膜系透射特性曲线见图其膜系透射特性曲线见图10-18。(10-19)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 图图10-19是深圳飞莱特光电技术有限公司是深圳飞莱特光电技术有限公司产生红、绿、蓝三基色截止滤光片和带通滤光产生红、绿、蓝三基色截止滤光片和带通滤光片产品及实测滤光片透射特性曲线。产品应用片产品及实测滤光片透射特性曲线。产品应用领域包括领域包括: 数码相机，数码摄像机；投影机，数码相机，数码摄像机；投影机， 投影电视；投影电视； CCD成像系统用滤光片等。产品成像系统用滤光片等。产品优

38、点优点: 波长精确，通带透过率高，温度稳定性波长精确，通带透过率高，温度稳定性好。产品技术参数：好。产品技术参数： 红滤光片：红滤光片：薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础绿滤光片：绿滤光片：蓝滤光片：蓝滤光片：薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础10.3 10.3 偏振分光偏振分光 光学各向异性晶体具有很好的偏振特性，光学各向异性晶体具有很好的偏振特性，比如单轴晶体方解石、石英、红宝石等，这些比如单轴晶体方解石、石英、红宝石等，这些晶体制成偏振光学器件在光学系统中广泛使用。晶体制成偏振光学器件在光学系统中广泛使用。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础但由于光学晶体偏振

39、特性适用的波长范围有限，但由于光学晶体偏振特性适用的波长范围有限，且孔径小，损耗大，某些实际应用中在特定波且孔径小，损耗大，某些实际应用中在特定波段选择光学晶体就不能满足光学系统中的要求，段选择光学晶体就不能满足光学系统中的要求，而多层膜偏振分光可以在紫外、可见光和红外而多层膜偏振分光可以在紫外、可见光和红外都可获得偏振光，具有低损耗和宽带特性，因都可获得偏振光，具有低损耗和宽带特性，因此给光学系统的设计提供了方便。此给光学系统的设计提供了方便。10.3.1 10.3.1 偏振特性的描述偏振特性的描述 根据光的偏振状态可把光分为根据光的偏振状态可把光分为自然光自然光、部部分偏振光和线偏振光分偏

40、振光和线偏振光，自然光也称，自然光也称非偏振光非偏振光，线偏振光也称线偏振光也称全偏振光全偏振光。为了衡量光偏振程度。为了衡量光偏振程度的大小，通常用的大小，通常用偏振度偏振度P来描述来描述，其定义为，其定义为薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 反射光：反射光： 透射光：透射光：式中式中 、 分别为分别为P-波偏振的反射率和波偏振的反射率和S-波偏波偏振的反射率，振的反射率， 、 分别为分别为P-波偏振的透射波偏振的透射率和率和S-波偏振的透射率。波偏振的透射率。 实际上就是实际上就是两个相互垂直的反射偏振分量的光强之和，两个相互垂直的反射偏振分量的光强之和，而而 是两个相互垂直的透

41、射偏振分量的光是两个相互垂直的透射偏振分量的光(10-20)(10-21)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础强之和，强之和， 和和 分别为两个相互垂直分别为两个相互垂直的反射偏振分量的光强之差和透射偏振分量的的反射偏振分量的光强之差和透射偏振分量的光强之差。光强之差。 有时也把有时也把偏振度称之为消光比偏振度称之为消光比， 为消为消光比的最大值，属完全消光，表明在垂直于传光比的最大值，属完全消光，表明在垂直于传播方向的横平面内仅存在一个方向的线偏振光，播方向的横平面内仅存在一个方向的线偏振光，相互垂直的另外一个方向的偏振光消失；相互垂直的另外一个方向的偏振光消失；而而 ，表明无消光。

42、如果，表明无消光。如果 ，则属，则属于部分消光，表明两个相互垂直方向偏振光的于部分消光，表明两个相互垂直方向偏振光的强度不等。强度不等。 对于自然光，由于在垂直于光传播的方向对于自然光，由于在垂直于光传播的方向薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础上电场振幅大小相等，即光强的横向分布具有上电场振幅大小相等，即光强的横向分布具有轴对称性，因此，轴对称性，因此，自然光的偏振度自然光的偏振度 。 当自然光斜入射到两介质分界面或膜系时，当自然光斜入射到两介质分界面或膜系时，一般情况下一般情况下P-波偏振和波偏振和S-波偏振的反射率波偏振的反射率 、 和透射率和透射率 、 并不相等，即并不相等，即

43、 ， ，由定义式（，由定义式（10-20）和式（）和式（10-21）可知，可知， ，这种光称之为，这种光称之为部分偏振光部分偏振光。 特殊情况是：反射光特殊情况是：反射光 ，偏振度，偏振度 ，则反射光也是自然光；透射光，则反射光也是自然光；透射光 ， ，表明透射光也是自然光；反射光，表明透射光也是自然光；反射光 或或 ， ，即反射光为线偏振光；，即反射光为线偏振光；薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础透射光透射光 或或 ， ，则透射光，则透射光为线偏振光。为线偏振光。10.3.2 10.3.2 平板偏振分光镜平板偏振分光镜1.1.单层膜平板偏振分光单层膜平板偏振分光 当自然光入射到两种

44、介质分界面时，如果当自然光入射到两种介质分界面时，如果入射角满足布儒斯特条件（入射角满足布儒斯特条件（2-207）式或（）式或（2-208）式，即）式，即 或或式中式中 和和 分别为入射介质和透射介质的折分别为入射介质和透射介质的折射率，射率， 为布儒斯特角。那么，为布儒斯特角。那么，P-波偏振的反波偏振的反（10-22）薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础射率为零，射率为零，S-波偏振的反射率不为零，透射率波偏振的反射率不为零，透射率也不为零，即也不为零，即S-波偏振部分反射，部分透射。波偏振部分反射，部分透射。 如果玻璃平板表面不镀膜，自然光由空气如果玻璃平板表面不镀膜，自然光由空

45、气（ ）入射到玻璃（）入射到玻璃（ ），由式（），由式（10-22）计算可得）计算可得P-波反射为零的条件是波反射为零的条件是 ，而光从玻璃（而光从玻璃（ ）入射到空气（）入射到空气（ ），），P-波反射为零的条件是波反射为零的条件是 ，如图，如图10-20（a）所示。所示。 因为单片平板玻璃产生的透射偏振光偏振因为单片平板玻璃产生的透射偏振光偏振度很低，为了获得偏振度接近于度很低，为了获得偏振度接近于1的透射偏振的透射偏振光，通常的做法是把许多玻璃平板叠放在一起，光，通常的做法是把许多玻璃平板叠放在一起，薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础当自然光以布儒斯特角入射到玻璃表面时，每当自

46、然光以布儒斯特角入射到玻璃表面时，每片玻璃的两个表面都反射片玻璃的两个表面都反射S-波偏振分量，致使波偏振分量，致使最后透射的光趋于偏振度接近于最后透射的光趋于偏振度接近于1的线偏振光，的线偏振光，这就是这就是片堆偏振器或称片堆偏振分光镜片堆偏振器或称片堆偏振分光镜。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础玻璃片堆偏振分光存在两个缺点：即使玻璃玻璃片堆偏振分光存在两个缺点：即使玻璃片叠放的数目很大，透射光的偏振度也不会很片叠放的数目很大，透射光的偏振度也不会很高，且随玻璃片数目的增加透射偏振光的强度高，且随玻璃片数目的增加透射偏振光的强度变小；玻璃片叠放的数目越多，偏振分光镜变小；玻璃片叠

47、放的数目越多，偏振分光镜的体积越大。的体积越大。 为了克服玻璃片堆分光镜的缺点，通常是为了克服玻璃片堆分光镜的缺点，通常是在玻璃平板的两个表面镀膜，如图在玻璃平板的两个表面镀膜，如图10-20（b）所示。假设入射介质为空气，所示。假设入射介质为空气， ，膜层折，膜层折射率为射率为 ，基底玻璃折射率为，基底玻璃折射率为 ，取，取单层膜光学厚度单层膜光学厚度(10-23)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础则相位厚度则相位厚度根据式（根据式（3-61）可写出膜系）可写出膜系 在斜入射时的特在斜入射时的特征向量为征向量为对于对于P-波波(10-24)(10-25)(10-26)薄膜光学与薄膜

48、技术基础薄膜光学与薄膜技术基础由此可写出单层膜系光学等效导纳为由此可写出单层膜系光学等效导纳为欲使单层膜系的欲使单层膜系的P-波反射为零，根据式（波反射为零，根据式（3-65），有），有对于对于P-波波利用折射定律利用折射定律(10-27)(10-28)(10-29)(10-30)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础联立求解，可得膜系偏振角联立求解，可得膜系偏振角 满足的方程为满足的方程为比如比如 代入式（代入式（10-31），可得），可得求解可得求解可得 图图10-21给出了平板玻璃和三种镀膜平板给出了平板玻璃和三种镀膜平板玻璃分光叠放数目与透射玻璃分光叠放数目与透射P-波偏振光偏振

49、度波偏振光偏振度(10-31)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础的关系曲线。由图可见，玻璃表面镀膜构成的的关系曲线。由图可见，玻璃表面镀膜构成的平板偏振分光镜比玻璃平板偏振分光的效果要平板偏振分光镜比玻璃平板偏振分光的效果要好，且薄膜材料的折射率越大，偏振分光的效好，且薄膜材料的折射率越大，偏振分光的效果越好，需要叠放的平板数目也越少。果越好，需要叠放的平板数目也越少。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础2.2.对称周期多层膜平板偏振分光对称周期多层膜平板偏振分光 对称周期多层膜平板偏振分光是在玻璃平对称周期多层膜平板偏振分光是在玻璃平板表面镀高低折射率对称周期多层膜，其构型

50、板表面镀高低折射率对称周期多层膜，其构型如图如图10-22所示，膜系基本结构为所示，膜系基本结构为或或通常入射介质为空气通常入射介质为空气 。(10-32)(10-33)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 与单层膜平板偏振分光不同，对称周期多与单层膜平板偏振分光不同，对称周期多层膜平板偏振分光入射角层膜平板偏振分光入射角 可供选择，比如可可供选择，比如可取基底介质界面的布儒斯特角取基底介质界面的布儒斯特角,也可取膜系顶也可取膜系顶层介质界面的布儒斯特角。此外层介质界面的布儒斯特角。此外,单层膜平板单层膜平板偏振分光膜层光学厚度取偏振分光膜层光学厚度取 包含了因子包含了因子 ，而对称周

51、期多层膜平板偏振分光膜层光学厚度而对称周期多层膜平板偏振分光膜层光学厚度可取可取式中式中 为中心波长。当膜层周期数很大时，在为中心波长。当膜层周期数很大时，在中心波长中心波长 处及其邻近透射光的偏振度很高，处及其邻近透射光的偏振度很高，(10-34)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础而远离中心波长处的偏振度很小。要使偏振而远离中心波长处的偏振度很小。要使偏振光具有宽带特性，应选择比值光具有宽带特性，应选择比值 尽量大的材料尽量大的材料配对以及增大入射角。配对以及增大入射角。 图图10-23是对称周期多层膜平板偏振分光是对称周期多层膜平板偏振分光膜系膜系的透射特性曲线，其中的透射特性曲

52、线，其中 ， ， ， ，中心波长，中心波长 ， 膜层的光学厚度可选择大于膜层的光学厚度可选择大于 。(10-35)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础由图可见，对称周期多层膜平板偏振分光偏振由图可见，对称周期多层膜平板偏振分光偏振带宽很窄，这是一大缺点。带宽很窄，这是一大缺点。 图图10-24是用于倍频激光器的平板偏振分是用于倍频激光器的平板偏振分光镜实测透射特性曲线，分光膜系为光镜实测透射特性曲线，分光膜系为薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础(10-36)其中其中 ， ，高折射率材料选择二氧，高折射率材料选择二氧化铈（化铈（ ） ，低折射率材料选择氟，低折射率材料选择氟化镁

53、（化镁（ ） ,中心波长选择中心波长选择 和和 。当光以。当光以 入射时，平板偏入射时，平板偏振分光在基波波长振分光在基波波长 处和倍频波长处和倍频波长 处透射光出现接近于处透射光出现接近于1的线偏振光。的线偏振光。10.3.3 10.3.3 棱镜偏振分光棱镜偏振分光 棱镜偏振分光镜是在两个底角为棱镜偏振分光镜是在两个底角为 的玻的玻璃直角棱镜斜面上镀高低折射率四分之一周期璃直角棱镜斜面上镀高低折射率四分之一周期薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础多层膜，然后胶合在一起，其构型如图多层膜，然后胶合在一起，其构型如图10-25所示。所示。 棱镜偏振分光镜棱镜偏振分光镜看作是入射介质和基看

54、作是入射介质和基底介质为玻璃的膜系，底介质为玻璃的膜系，可表为可表为或者或者(10-37)(10-38)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础其中其中 为玻璃的折射率，两介质折射率分别为玻璃的折射率，两介质折射率分别为为 和和 。 棱镜偏振分光与玻璃平板分光一样，也是棱镜偏振分光与玻璃平板分光一样，也是利用布儒斯特条件。如果构成膜系的两介质分利用布儒斯特条件。如果构成膜系的两介质分界面上都满足布儒斯特角条件，由式（界面上都满足布儒斯特角条件，由式（2-39）可知，可知，P-波产生零反射的条件为波产生零反射的条件为 和和 分别为高低折射率介质分界面两侧的光分别为高低折射率介质分界面两侧的光

55、学等效导纳。根据式（学等效导纳。根据式（2-38），有），有(10-39)(10-40)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础式中式中 和和 分别为高低折射率介质中的透射分别为高低折射率介质中的透射角，满足折射定律角，满足折射定律其中其中 为入射角。式（为入射角。式（10-40）和式（）和式（10-41）联立求解，可得联立求解，可得这就是这就是棱镜偏振分光所必须满足的条件棱镜偏振分光所必须满足的条件。当构。当构成膜系的介质确定之后，成膜系的介质确定之后， 和和 取定值，满足取定值，满足布儒斯特条件需要确定入射介质的折射率布儒斯特条件需要确定入射介质的折射率 和和(10-41)(10-42

56、)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础入射角入射角 。这就需要分两种情况考虑：。这就需要分两种情况考虑： (1). 假设入射角假设入射角 ，由式（，由式（10-42）可）可得得比如比如 ， ，则满足布儒斯特条件需，则满足布儒斯特条件需要选用棱镜玻璃的折射率为要选用棱镜玻璃的折射率为 。在此需。在此需要说明的是即使入射角取要说明的是即使入射角取 ，只要，只要 ， ，由式（，由式（10-42）得到的）得到的 一定大于一定大于1.0。对于对称周期多层膜平板偏振分光，入射介质对于对称周期多层膜平板偏振分光，入射介质为空气，为空气， ，不可能满足式（，不可能满足式（10-42），），(10-43

57、)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础所以对称周期多层膜平板偏振分光不能利用布所以对称周期多层膜平板偏振分光不能利用布儒斯特条件。儒斯特条件。 2. 假设选择棱镜玻璃折射率假设选择棱镜玻璃折射率 ，由式，由式（10-42），有），有比如高折射率介质选择硫化锌比如高折射率介质选择硫化锌(ZnS) ，低折射率介质选择冰晶石低折射率介质选择冰晶石( ) ，计算可得计算可得 ，这就是满足布儒斯特条件，这就是满足布儒斯特条件需要选用的入射角。需要选用的入射角。(10-44)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础 图图10-26（a）是选择）是选择 ，玻璃棱镜折，玻璃棱镜折射率射率 ,高折射

58、率材料选择硫化锌高折射率材料选择硫化锌 ，低折射率材料选择冰晶石低折射率材料选择冰晶石 ，中心波长，中心波长 ，由膜系，由膜系计算得到的棱镜偏振分光透射特性曲线。为了计算得到的棱镜偏振分光透射特性曲线。为了便于比较，图便于比较，图10-26（b）是）是 时的计算时的计算结果。由图可见，当入射光以结果。由图可见，当入射光以 入射时，入射时，在可见光波段，透射光的偏振度很高，在可见光波段，透射光的偏振度很高， 。可是当入射角变化到可是当入射角变化到 时，可见光波段时，可见光波段P-(10-45)薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础波透射率产生明显变化，出现有一定深度的反波透射率产生明显变化

59、，出现有一定深度的反射带，致使在可见光波段的偏振度降低。由此射带，致使在可见光波段的偏振度降低。由此说明，棱镜偏振分光镜对入射角特别敏感。说明，棱镜偏振分光镜对入射角特别敏感。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础图图10-27为深圳飞莱特光电技术有限公司偏振为深圳飞莱特光电技术有限公司偏振分光棱镜产品及特性曲线。该产品具有分光比分光棱镜产品及特性曲线。该产品具有分光比高，角度精确，性能稳定等特点，可应用于投高，角度精确，性能稳定等特点，可应用于投影仪等。影仪等。薄膜光学与薄膜技术基础薄膜光学与薄膜技术基础10.3.4 10.3.4 宽角宽带偏振分光宽角宽带偏振分光 平板偏振分光带宽很窄

60、，而棱镜偏振分光平板偏振分光带宽很窄，而棱镜偏振分光对入射角非常敏感，两者都不具有宽角和宽带对入射角非常敏感，两者都不具有宽角和宽带特性。但是在实际应用中，比如液晶投影电视、特性。但是在实际应用中，比如液晶投影电视、光开关、光环形器和光隔离器等光学元件中都光开关、光环形器和光隔离器等光学元件中都要求偏振分光具有高的消光比、宽角度入射和要求偏振分光具有高的消光比、宽角度入射和宽带特性。因此，研究体积小且具有宽角宽带宽带特性。因此，研究体积小且具有宽角宽带特性的偏振分光镜仍然是需要解决的技术难点。特性的偏振分光镜仍然是需要解决的技术难点。下面介绍两种方法。下面介绍两种方法。1. 1. 两个高低折射