物理光学与应用光学——4学习教案

1、会计学1物理光学物理光学(w l un xu)与应用光学与应用光学4第一页，共74页。 三十年代中期德国的鲍尔和美国的斯特朗先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，这种简后用真空蒸发方法制备了单层减反射膜，这种简单单(jindn)的减反射膜至今在一般的光学装置上的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地应用。还被大量地应用。 折射率为折射率为152的玻璃敷有折射率为的玻璃敷有折射率为138的的氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从4.2%减少到减少到15%左右，例如左右，例如7块平板系统镀膜后，在参考波块平板系统镀膜后，在参考波长上

2、总的透射率可近似地估计为：长上总的透射率可近似地估计为： T(097)7807% 未镀膜：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这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25的透的透射能量射能量第2页/共74页第二页，共74页。与镀膜技术与镀膜技术(jsh)密切相关的产密切相关的产业业镀膜眼镜镀膜眼镜幕墙玻璃幕墙玻璃(b l)滤光片滤光片ITO膜膜车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片光通信领域：光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件、光纤薄膜器件红外膜红外膜投影显示投影显示第3页/共74页第三页，共74页。2.3 光学薄膜光学薄膜的反射(fnsh)特

3、性干涉(gnsh)滤光片第4页/共74页第四页，共74页。 在玻璃基片的光滑表面上镀上一层折射率和厚度都均匀(jnyn)的透明介质薄膜。 一、单层膜 光学薄膜的反射(fnsh)特性第5页/共74页第五页，共74页。rii21i2100e|e1errrrrEErirr1 薄膜上表面(biomin)的反射系数r2 薄膜下表面(biomin)的反射系数 类似(li s)于平行平板的多光束干涉，单层膜的反射系数： i0ii0re1)e1 (ERRERrrrt trr2221 相邻两个(lin )出射光束间的相位差 r 单层膜反射系数的相位因子光学薄膜的反射特性一、单层膜 第6页/共74页第六页，共74

4、页。则单层膜的反射率 R cos)1 ()1 (sin)1 (tan222221212rrrrrrrcos21cos2212221212221200rrrrrrrrEERir11cos4hn光学薄膜的反射(fnsh)特性一、单层膜 第7页/共74页第七页，共74页。10101nnnnr21212nnnnr反射率反射率 当光束(gungsh)正入射到薄膜上时，薄膜两表面的反射系数： 2sin2cos)(2sin2cos)(22112022202211202220nnnnnnnnnnnnR光学薄膜的反射(fnsh)特性一、单层膜 第8页/共74页第八页，共74页。介质膜反射率 R 随光学厚度(hu

5、d) n1h 的变化 光学薄膜的反射(fnsh)特性一、单层膜 第9页/共74页第九页，共74页。 n1 n2时，时，R R0，单层膜的反射率较未镀膜时减小，透过率增，单层膜的反射率较未镀膜时减小，透过率增大，具有增透的作用大，具有增透的作用(zuyng)，称为增透膜。，称为增透膜。 n1=n0 或或 n1=n2时，时，R = R0 4.3% 当n1 n2且 n1h =0/4 时，R = Rm，有最好(zu ho)的增透效果。最小反射率为 222102210221202120/nnnnnnnnnnnnRm 特别 时，Rm = 0 完全增透。 201nnn 光学薄膜的反射(fnsh)特性一、单层

6、膜 第10页/共74页第十页，共74页。光学薄膜的反射(fnsh)特性一、单层膜 单层氟化镁膜的反射率随波长(bchng)和入射角的变化 ？第11页/共74页第十一页，共74页。00110011001coscoscoscosnnnnEErisrss0011001110011001001coscoscoscoscoscoscoscosnnnnnnnnEEriprpp 光束斜入射到薄膜上时(shn sh)，薄膜上表面的反射系数： 则形式则形式(xngsh)(xngsh)上与正入射时的表上与正入射时的表达式相同，达式相同，n称为有效折射率。cosns 分量以 代替ncos/np分量以 代替n光学薄膜

7、的反射(fnsh)特性一、单层膜 1010nnnn1010nnnn第12页/共74页第十二页，共74页。 n1 n1 n2n2时，时，R R R0R0，反射率比未镀膜时增大，即该，反射率比未镀膜时增大，即该单层膜具有增反的作用单层膜具有增反的作用(zuyng)(zuyng)，称为增反膜。，称为增反膜。 当n1 n2 且 n1h = 0/4 时，R = RM，有最好(zu ho)的增反效果，其最大反射率 222102210221202120/nnnnnnnnnnnnRM 尽管RM与Rm形式(xngsh)上相同，但因 n1 取值不同，对应的反射率 R ，一个是最大，一个是最小。 光学薄膜的反射特性

8、一、单层膜 第13页/共74页第十三页，共74页。这说明(shumng)，对于波长0的光，膜层厚度增加 (或减小) 0/2，对反射率没有影响。 对于n1h = 0/2的半波长膜，不管(bgun)膜层折射率比基片折射率大还是小，单层膜对0 的反射率都和未镀膜时的基片反射率相同，R = 4.3%，即 22020nnnnR光学薄膜的反射(fnsh)特性一、单层膜 第14页/共74页第十四页，共74页。1.结构(jigu)0/4 膜系示意图 采用光学厚度均为 0/4的高折射率膜层和低折射率膜层称为0/4 膜系，通常采用符号(fho)表示为 HAHLGLHAGHLHLHp)( p = 1, 2, 3,二

9、、多层膜光学薄膜的反射(fnsh)特性第15页/共74页第十五页，共74页。 0/4 膜系 每层膜的光学厚度是0/4，其优点是计算和制备工艺简单，镀制时容易采用极值法进行(jnxng)监控；缺点是层数多，R不能连续改变。 非0/4 膜系 每层膜的光学(gungxu)厚度不是0/4，具体厚度要由计算确定。其优点是只要较少膜层就能达到所需要的反射率，缺点是计算和制备工艺较复杂。 只讨论(toln) 0/4 膜系。光学薄膜的反射特性二、多层膜第16页/共74页第十六页，共74页。 高反射膜反射率的一般计算十分复杂，对于0/4 膜系，由于膜层光学(gungxu)厚度已经选定，可以简单地采用等效折射率法

10、，把一个多层膜的问题变成单层膜的问题。2. 反射率R（膜系的反射率）光学薄膜的反射(fnsh)特性二、多层膜第17页/共74页第十七页，共74页。 把单层膜系看成(kn chn)是具有折射率为 nI 的一个“新基片”， nI 为等效折射率。“新基片”与 n0 的新界面称为等效面。 （1）单层的0/4 膜等效(dn xio)折射率 (空气到玻璃)等效界面等效界面n0n1nG等效于等效于n0nI（等效折射率）（等效折射率）GA光学薄膜的反射(fnsh)特性二、多层膜第18页/共74页第十八页，共74页。正入射时，对于给定(i dn)的波长 0，其反射率为则222102210221202120/nn

11、nnnnnnnnnnRM200IIMnnnnR引入等效(dn xio)折射率221nnnI光学薄膜的反射(fnsh)特性二、多层膜（1）单层的0/4 膜等效折射率 (空气到玻璃)等 效 界等 效 界面面n0n1n2n0nI（等效折射率）（等效折射率）第19页/共74页第十九页，共74页。（2）多层 0/4膜系的等效(dn xio)折射率和反射率第一层：n0nHnGn0nLnI第二层：GHInnn2GHLILIInnnnnn22光学薄膜的反射(fnsh)特性二、多层膜第20页/共74页第二十页，共74页。 依此类推，当膜层为偶数(u sh)(2p)层时，(HL)p膜系的等效折射率为 相应(xin

12、gyng)的反射率为 GpHLpnnnn222222pApApnnnnR光学薄膜的反射(fnsh)特性二、多层膜（2）多层 0/4膜系的等效折射率和反射率第21页/共74页第二十一页，共74页。 当膜层为奇数(j sh)(2p+1)层时，(HL)p膜系的等效折射率为 相应(xingyng)的反射率为 GHpLHpnnnnn22122121212pApApnnnnR光学薄膜的反射(fnsh)特性二、多层膜（2）多层 0/4膜系的等效折射率和反射率第22页/共74页第二十二页，共74页。 表2-1 多层膜的反射率和透射率与真实(zhnsh)折射率不同，等效折射率可以小于1，其取值范围可以很大。光学

13、薄膜的反射(fnsh)特性二、多层膜第23页/共74页第二十三页，共74页。 要获得高反射率，膜系的两侧(lin c)最外层均应为高折射率层(H层)，因此，高反射率膜一定是奇数层。结论(jiln) ： 0/4膜系为奇数(j sh)层时，层数愈多，反射率 R 愈大。 上述膜系的全部结果只对一种波长 0 成立，这个波长称为该膜系的中心波长。当入射光偏离中心波长时，其反射率相应地下降。光学薄膜的反射特性二、多层膜第24页/共74页第二十四页，共74页。 几种(j zhn)不同层数的0/4膜系的反射率曲线光学薄膜的反射(fnsh)特性二、多层膜第25页/共74页第二十五页，共74页。 R 下降到1/2

14、处时的宽度(kund)为反射带宽。LHLHnnnngarcsin42式中g = 0/ 。由此可见，反射(fnsh)带宽g只与nH/nL有关， nH/nL愈大，带宽就愈大。 光学薄膜的反射(fnsh)特性二、多层膜第26页/共74页第二十六页，共74页。干涉(gnsh)滤波器（干涉(gnsh)滤光片） 滤光片的作用滤光片的作用只让某一波段范围只让某一波段范围(fnwi)的光通过。的光通过。 性能指标 中心波长(bchng)0 透光率最大(TM)时的波长(bchng)； 透射带的波长(bchng)半宽度透过率为最大值一半处的波 长范围 1/2 ； 峰值透过率TM 吸收滤光片利用物质对光波的选择性吸

15、收进行滤光。 干涉滤光片利用多光束干涉原理实现滤光。滤光片的分类第27页/共74页第二十七页，共74页。1、法布里-珀罗型干涉(gnsh)滤光片全介质干涉滤光片全介质干涉滤光片金属反射膜干涉滤光片金属反射膜干涉滤光片 干涉(gnsh)滤波器（干涉(gnsh)滤光片）第28页/共74页第二十八页，共74页。正入射时，透射光产生(chnshng)极大的条件为 滤光片的中心(zhngxn)波长 2nh = m m = 1, 2, 3, 滤光片的中心(zhngxn)波长 mnh2相邻干涉级 (m = 1) 的中心波长差 nh22i2t2sin11IFI = 2m m = 1, 2, 3, 干涉滤波器（

16、干涉滤光片）1、法布里-珀罗型干涉滤光片第29页/共74页第二十九页，共74页。RRmnhRRnh1212222/1m、R 愈大，1/2愈小，干涉(gnsh)滤光片的输出单色性愈好。 透射(tu sh)带的波长半宽度 FmRRm212/1或RmnhRcmmcos)1 (2)(222/ 12/ 1干涉(gnsh)滤波器（干涉(gnsh)滤光片）1、法布里-珀罗型干涉滤光片第30页/共74页第三十页，共74页。 对应于透射率最大的中心(zhngxn) 波长的透射光强与入射光强之比考虑膜层的吸收损耗，透射光干涉(gnsh)图样强度2)11 (RAIITMitM 峰值(fn zh)透射率 TM 2si

17、n111122FRAIIit(2.4-3)得干涉滤波器（干涉滤光片）1、法布里-珀罗型干涉滤光片第31页/共74页第三十一页，共74页。一种典型的多层介质膜干涉(gnsh)滤光片透射率曲线 1、法布里-珀罗型干涉(gnsh)滤光片干涉(gnsh)滤波器（干涉(gnsh)滤光片）第32页/共74页第三十二页，共74页。几种干涉(gnsh)滤光片的特性 1、法布里-珀罗型干涉(gnsh)滤光片干涉(gnsh)滤波器（干涉(gnsh)滤光片）第33页/共74页第三十三页，共74页。膜厚变化对截止带的影响膜厚变化对截止带的影响 干涉(gnsh)滤波器（干涉(gnsh)滤光片）2、红外滤光片 依据多层高

18、反射膜的反射率光谱特性(txng)，膜厚的变化将改变截止带的位置。 如果(rgu) nh = 0.22m，则反射红外线而透过可见光。 如果 nh = 0.13m，膜系反射可见光而透过红外光。 第34页/共74页第三十四页，共74页。 在玻璃上镀高折射率薄膜，可以增大反射率，当光束斜入射时，其反射率的大小(dxio)因 p 分量和 s 分量而异，并且在某个入射角上，反射光中的p分量可以变为零。所以，与只有玻璃板的情况相似，这种高反膜也可以起到偏振元件的作用， 干涉(gnsh)滤波器（干涉(gnsh)滤光片）3、偏振(pin zhn)滤光片第35页/共74页第三十五页，共74页。 利用物质对光波的

19、选择性吸收(xshu)进行滤光。例如：红、绿玻璃以及各种有色液体等。 如果光的 吸收较大，且吸收系数随波长有显著变化(binhu)，称为选择性吸收。 如对红光和橙光吸收少，而对绿光、蓝光和紫光几乎全部(qunb)吸收。 干涉滤波器（干涉滤光片）4、吸收滤光片第36页/共74页第三十六页，共74页。2 . 4 典 型(dinxng)干涉仪迈克尔逊干涉仪马赫(mh)-泽德干涉仪法布里-珀罗干涉仪第37页/共74页第三十七页，共74页。SLDG1CEM 2M1M2G2PIII第38页/共74页第三十八页，共74页。 因此，迈克尔逊干涉仪可以产生厚的或者薄的平行平板(M1和M2 平行)和楔形平板(M1

20、和M2 有一小的夹角)的干涉现象。扩展光源(gungyun)可以是单色性很好的激光，也可以是单色性很差的(白光)光源(gungyun)。迈克尔逊干涉仪第39页/共74页第三十九页，共74页。2/迈克尔逊干涉仪 根据条纹消失(xiosh)的数目，可确定M1移动的距离。根据(2-26)式，此时条纹变粗(因为h变小，eN变大)，同一视场中的条纹数变少。 M1与M2完全重合时，各个(gg)方向入射光的光程差均相等，所以视场均匀。M1逐渐离开M2时，条纹不断从中心冒出，且随虚平板厚度的增大，条纹越来越细越密。第40页/共74页第四十页，共74页。迈克尔逊干涉仪 如果调节M2，使M2与M1相互倾斜一个很小

21、的角度，且当M2与M1比较(bjio)接近，观察面积很小时，所观察到的干涉图样近似是定域在楔表面上或楔表面附近的一组平行于楔边的等厚条纹。在扩展光源照明下，如果M1与M2的距离增加，则条纹将发生弯曲，弯曲的方向是凸向楔棱一边，同时条纹可见度下降。 第41页/共74页第四十一页，共74页。2cos2nh迈克尔逊干涉仪 由图2-33可见，靠近楔板边缘的点对应的入射角较大，因此，干涉条纹(tio wn)越靠近边缘，越偏离到厚度更大的地方，即弯曲方向是凸向楔棱一边。在楔板很薄的情况下，光束入射角引起的光程差变化不明显，干涉条纹(tio wn)仍可视作一些直线条纹(tio wn)。对于楔形板的条纹(ti

22、o wn)，与平行平板条纹(tio wn)一样，M1每移动一个 /2 距离，条纹(tio wn)就相应地移动一个。 第42页/共74页第四十二页，共74页。对于单色光照明，这种补偿(bchng)并非必要；观察白光条纹时，补偿(bchng)板不可缺少。迈克尔逊干涉仪第43页/共74页第四十三页，共74页。激光(jgung)比长仪示意简图 M1M2干涉仪干涉仪可移动平台可移动平台光电显微镜光电显微镜记录仪记录仪光电计数器光电计数器激光器激光器待测物体待测物体1. 激光(jgung)比长仪应用(yngyng)举例迈克尔逊干涉仪第44页/共74页第四十四页，共74页。光纤迈克尔逊测长干涉仪原理图 M1

23、DLPM22. 光纤迈克尔逊干涉仪应用(yngyng)举例迈克尔逊干涉仪第45页/共74页第四十五页，共74页。马赫(mh)-泽德干涉仪马赫(mh)-泽德干涉仪SPW1A2G2A1G1L2M1M2L1W 1W2NP 第46页/共74页第四十六页，共74页。马赫(mh)-泽德干涉仪第47页/共74页第四十七页，共74页。马赫-泽德光纤干涉仪的定域温度传感器 激光激光器器扩束器分束分束器器显微物镜显微物镜单模光纤单模光纤温度温度干涉干涉应用(yngyng)举例马赫(mh)泽德干涉仪第48页/共74页第四十八页，共74页。hG2G1L1SPL2 为了得到尖锐的条纹，两镀膜面应精确保持平行，平行度一般

24、要达到(1/201/100)。每块玻璃板两表面通常制成一个(y )小楔角(110)，以避免无镀膜表面的反射光干扰。法布里-珀罗干涉仪第49页/共74页第四十九页，共74页。两板之间的距离(jl)可以调节法布里-珀罗干涉仪两板间的距离固定不变（两板间放殷钢制成的空心(kng xn)圆柱形间隔器）法布里-珀罗标准具1. 法布里珀罗干涉仪的结构(jigu)hG2G1L1SPL2法布里-珀罗干涉仪第50页/共74页第五十页，共74页。(a) 迈克尔逊干涉仪 (b) F-P干涉仪两种干涉仪中干涉条纹(tio wn)的比较2. 法布里珀罗干涉仪的光强两种条纹的角半径和角间距(jin j)计算公式相同。法布

25、里-珀罗干涉仪第51页/共74页第五十一页，共74页。2. 法布里珀罗干涉仪的光强法布里-珀罗干涉仪第52页/共74页第五十二页，共74页。 R + T + A = 1 R + T + A = 12. 法布里珀罗干涉仪的光强法布里-珀罗干涉仪第53页/共74页第五十三页，共74页。2sin111122itFRAII2cos4nh 光在金属(jnsh)内表面反射时的相位变化，R金属(jnsh)膜内表面反射率。可见，由于金属(jnsh)膜的吸收，干涉图样强度降低了1A/(1R)2 倍，严重时，峰值强度只有入射光强的几十分之一。2. 法布里珀罗干涉仪的光强法布里-珀罗干涉仪第54页/共74页第五十四

26、页，共74页。法布里-珀罗干涉仪应用(yngyng)举例1. 研究(ynji)光谱线的超精细结构 分光元件的三个技术指标： 自由光谱范围 分辨本领 角色散第55页/共74页第五十五页，共74页。F-P标准具的两套干涉圆环 2 1干涉级干涉级 mm+1m+2法布里-珀罗干涉仪应用(yngyng)举例(1) 自由光谱范围(fnwi)标准具常数 当波长为1和2 (2 1)的光入射至标准具，由于两种波长的同级条纹(tio wn)角半径不同，因而将得到两组干涉圆环。 允许的最大分光波长差，称为自由光谱范围()f 。 1. 研究光谱线的超精细结构第56页/共74页第五十六页，共74页。)() 1(121f

27、mmmnhmf2)(211因此因此(ync)法布里-珀罗干涉仪应用(yngyng)举例(1) 自由光谱范围标准具常数例如：对于h = 5mm的标准具，入射光波长 = 0.5461m， n = 1 时， ()f = 0.310-4m1. 研究光谱线的超精细结构第57页/共74页第五十七页，共74页。m1)(A分辨本领分辨本领法布里-珀罗干涉仪应用(yngyng)举例(2) 分辨本领1. 研究(ynji)光谱线的超精细结构第58页/共74页第五十八页，共74页。法布里-珀罗干涉仪应用(yngyng)举例(2) 分辨本领两个波长的亮条纹刚好(gngho)被分辨开时的强度分布 I00.81IMIM G

28、F1. 研究光谱线的超精细结构第59页/共74页第五十九页，共74页。2sin12sin122i 212i 1FIFII 1和和 2是在干涉场上同一点是在干涉场上同一点(y din)的两波长条纹所对应的相的两波长条纹所对应的相位差。位差。法布里-珀罗干涉仪应用(yngyng)举例(2) 分辨本领1. 研究光谱线的超精细结构第60页/共74页第六十页，共74页。4sin122imFII因此因此(ync)极小值强度极小值强度:在合强度在合强度(qingd)极大值处，极大值处，1 = 2m， 2 = 2m ，2sin12iiMFIII法布里-珀罗干涉仪应用(yngyng)举例设设I1i=I2i=Ii

29、， 1 2= ，则在合强度极小值处，则在合强度极小值处 1 = 2m /2, 2 = 2m /2(2) 分辨本领因此极大值强度因此极大值强度:1. 研究光谱线的超精细结构第61页/共74页第六十一页，共74页。%8181. 0MMmIII因此因此(ync)有有:(2) 分辨本领法布里-珀罗干涉仪应用(yngyng)举例2sin181. 04sin122ii2iFIIFI由于 很小，sin/2 /2，则 NF07. 215. 4N 条纹的精细度。条纹的精细度。1. 研究光谱线的超精细结构第62页/共74页第六十二页，共74页。2cos4|2mhmNmNAm97. 007. 22)( 由于此时两波长刚被分辨由于此时两波长刚被分辨(fnbin)开，开， = ，所以标，所以标准具的分辨准具的分辨(fnbin)本领为：本领为：法布里-珀罗干涉仪应用(yngyng)举例(2) 分辨本领由由 ，略去，略