第2章 介质膜系及其应用

1、第第2章章 介质膜系及其应用介质膜系及其应用教学内容教学内容教学目的和要求教学目的和要求减反膜减反膜高反膜高反膜中性分束膜中性分束膜截止滤光片截止滤光片带通滤光片带通滤光片偏振分束膜偏振分束膜消偏振膜消偏振膜作用作用应用背景应用背景设计基础设计基础结构特点结构特点了解常用膜系的了解常用膜系的应用背景、掌握应用背景、掌握其光学特性、结其光学特性、结构特点及其设计构特点及其设计的基本知识，为的基本知识，为以后发展打下基以后发展打下基础。础。补充：光学膜系基本知识补充：光学膜系基本知识规整膜系：规整膜系： 非规整膜系：非规整膜系：膜系分类膜系分类设计波长（参考波长、中心波长）设计波长（参考波长、中心

2、波长）各层膜的光学厚度为设计波长四分之一的整数倍。各层膜的光学厚度为设计波长四分之一的整数倍。有一层薄膜的光学厚度不是设计波长的四分之一整有一层薄膜的光学厚度不是设计波长的四分之一整数倍。数倍。一般可以表示为：一般可以表示为： G/xMyHzL/A S/xMyHzL/A 膜系表示方法膜系表示方法其中：其中： G代表基底，也可以用代表基底，也可以用S表示基底表示基底H（L、M）代表高（低、中）折射率膜层）代表高（低、中）折射率膜层A代表入射介质（一般为空气）代表入射介质（一般为空气）x、y、z表示各层膜厚度为表示各层膜厚度为/4的倍数的倍数备注：当备注：当x、y、z全为整数时则为规整膜系全为整数

3、时则为规整膜系 当当x、y、z之一为非整数时则为非规整膜系之一为非整数时则为非规整膜系G/M1.8HL/A膜系表示实例膜系表示实例G/MH/A G/2MH/A G/M2HL/A G/M1.8H/AG/1.8MHL/A非规整膜系非规整膜系 规整膜系规整膜系 非规整膜系非规整膜系 规整膜系规整膜系 非规整膜系非规整膜系 规整膜系规整膜系 2.1 减反射膜（增透膜）减反射膜（增透膜）减反膜的作用：减少介质间界面反射。减反膜的作用：减少介质间界面反射。一、作用和应用背景一、作用和应用背景(2)加剧光学系统的杂散光干扰，加剧光学系统的杂散光干扰，加大系统噪声加大系统噪声；一般情况下界面反射的危害：一般情

4、况下界面反射的危害：(1)引起光学系统的光引起光学系统的光能量损失能量损失;(3)在高功率激光系统中，界面反射可能引起在高功率激光系统中，界面反射可能引起反激光，反激光，损伤光学元件。损伤光学元件。色中性好：色中性好： 膜系的透过率与波长的关系曲线比较平坦。膜系的透过率与波长的关系曲线比较平坦。减反膜的关键技术指标减反膜的关键技术指标透过率：透过率： 透过率越大越好，或者反射率越小越好。透过率越大越好，或者反射率越小越好。应用：为减少光能损耗，提高成像质量，照相机、电视机、应用：为减少光能损耗，提高成像质量，照相机、电视机、显微镜等等中的光学镜头都镀减反膜。为尽量减弱反激光，显微镜等等中的光学

5、镜头都镀减反膜。为尽量减弱反激光，高功率激光系统中的透射光学元件表面也镀减反膜。高功率激光系统中的透射光学元件表面也镀减反膜。单层减反膜和多层减反膜单层减反膜和多层减反膜分析：分析：n0、n1越接近，表面反射率就越低。越接近，表面反射率就越低。eg：对于从空气入射介质场合，：对于从空气入射介质场合， n0 1。n11.441.92, R=3.2510%（在可见和近红外区）（在可见和近红外区）;在红外区域（硅和锗基底）在红外区域（硅和锗基底）, R31%22011022011011nnn nRnnn n界面界面n0n1入射入射反射反射光垂直入射一光学界面光垂直入射一光学界面二、常见的减反膜的结构

6、二、常见的减反膜的结构1、单一界面反射率单一界面反射率在入射界面上镀一层低折射率（在入射界面上镀一层低折射率（ n0 nf ns ）的膜层减少反射率。）的膜层减少反射率。界面界面n0ns入射入射反射反射2002/,(/ 4)fsYRYYnn波长膜厚22020sfsfR 分析：反射率为零的条件为分析：反射率为零的条件为0fs 典型的单层典型的单层减反膜的减反膜的R 曲线呈曲线呈V型型，存在一个谷底，在此波长处具有最小存在一个谷底，在此波长处具有最小反射率。反射率。2、单层减反射膜单层减反射膜 单层减反膜理论上只能在一个波长处实现零反射单层减反膜理论上只能在一个波长处实现零反射率所以色中性差，即反

7、射率的波长相关性强率所以色中性差，即反射率的波长相关性强, 影响成影响成像系统的色平衡）；像系统的色平衡）； 实际上，满足实际上，满足 条件的光学玻璃并不存在，条件的光学玻璃并不存在，很难实现零反射，剩余反射率不理想很难实现零反射，剩余反射率不理想(常用的薄膜最常用的薄膜最低折射率材料氟化镁（低折射率材料氟化镁（1.38）)。0fs 单层减反膜的讨论：单层减反膜的讨论：为改善单层减反膜的不足：色中性差以及很难实现零为改善单层减反膜的不足：色中性差以及很难实现零反射，提出双层减反膜的设计。具体结构有反射，提出双层减反膜的设计。具体结构有:1）双层）双层 /4膜堆膜堆2） /2 /4膜堆膜堆3、双

8、、双层减反射膜层减反射膜1) 双层双层 /4膜堆膜堆22020202222200220/sfsfsfLsHLHsLsHRR 单层膜：，双层膜：，界面界面n0ns入射入射反射反射 224222321242222321kSSkYk为奇数k为偶数G L A变成变成GHLA 可以实现零反射，但不能克服色中性差的缺陷可以实现零反射，但不能克服色中性差的缺陷; R 曲线呈曲线呈V型，型，通带越来越窄（和单层膜比较通带越来越窄（和单层膜比较),适适用与工作波段较窄的场合用与工作波段较窄的场合.G/HL/A1.52/1.7,1.38/1单层减反射膜单层减反射膜G/L/A1.52/1.38/1G/L/A1.52

9、/1.38/1G 2HL A 膜系：基质膜系：基质 /2膜层膜层 /4膜层膜层空气空气基质基质n0ns入射入射反射反射 /2膜层膜层 /4膜层膜层22020sLsLR 膜系反射率为膜系反射率为2) /2 /4膜堆膜堆n0/4 n1 /2 n2基板基板 ns22020sLsLR 1）反射率在参考波长处与）反射率在参考波长处与 /2膜层光学参数无关，等膜层光学参数无关，等价与一单层减反膜系；价与一单层减反膜系；2） R 曲线呈曲线呈W型，型， /2膜层在偏离参考波长处影膜层在偏离参考波长处影响膜系的反射率，在参考波长两侧可望得到反射率的响膜系的反射率，在参考波长两侧可望得到反射率的极小值。极小值。

10、膜系特点：膜系特点：(1)在参考波长处反射率较双层在参考波长处反射率较双层 /4膜堆高膜堆高(2)该波长两侧该波长两侧R 曲线较平坦，色中性较好曲线较平坦，色中性较好两种膜系比较两种膜系比较G/HL/A1.52/1.7,1.38/1G/2HL/A目前大多采用的三层膜结构为目前大多采用的三层膜结构为GM2HL A，更多层的，更多层的膜系大多是以此为雏形发展而来的。膜系大多是以此为雏形发展而来的。(1)能提高参考波长处的反射率但色中性差能提高参考波长处的反射率但色中性差(双层双层 /4膜堆膜堆)(2)改善膜系的色中性但无法改善膜系中心波长反射率。改善膜系的色中性但无法改善膜系中心波长反射率。( /

11、2 /4膜堆膜堆)多层减反膜系多层减反膜系4、多层减反射膜、多层减反射膜多层减反膜系结构多层减反膜系结构双层减反膜缺点：双层减反膜缺点：基质基质n0ns入射入射反射反射 /4膜层膜层,nM /2膜层膜层, nH /4膜层膜层, nL组成组成: 基质折射率基质折射率ns，中等折射率，中等折射率nM 的的 /4膜层，高折射率膜层，高折射率nH 的的 /2膜层膜层, 折射率折射率nL的的 /4膜层，空气折射率膜层，空气折射率n0G M2HLA 母膜系特性母膜系特性基质基质n0ns入射入射反射反射 /4膜层膜层,nM /2膜层膜层, nH /4膜层膜层, nL /2膜层膜层等效界面等效界面1等效界面等

12、效界面2nHr1, R1, Y1r2, R2, Y2 选定中间层，外层膜与入射介质及内层膜与基底等效选定中间层，外层膜与入射介质及内层膜与基底等效为两个界面为两个界面;其振幅反射系数和反射率分别为其振幅反射系数和反射率分别为r1,r2及及R1，R2处理方法处理方法12012110222121201104(1)(1)2,1sin211/2,/2,2HHRRTRRTTFn dFRRRRn d，对于膜层于是(1) =m 时时(m为整数为整数) sin = 0 T=T max=T0(2) R1R2时，时，T01。(3)如如Fns，膜层起增反作用。，膜层起增反作用。1)在低折射率的基底上沉积一层高折射率

13、的薄膜，可在低折射率的基底上沉积一层高折射率的薄膜，可以有效地提高反射率。以有效地提高反射率。2)但单层膜可实现的高反射率一般不会超过但单层膜可实现的高反射率一般不会超过50%。E g:ns=1.52n1=2.1504.352.115.2221snnYn0n02201220125.5%ssnnnRnnn2、周期性多层膜堆的光谱特性、周期性多层膜堆的光谱特性G H(LH)SA形式形式G (HL)SHA形式形式表示方法：表示方法：nHnL空气空气n0基质基质nsnLnHnHnLnH或者或者G/L (HL)S/A.形式形式G/(L H)S L/A形式形式 在基底在基底G上镀了上镀了2S+1层薄层薄膜

14、，其中包含膜，其中包含S个个LH双层薄双层薄膜，且每层薄膜光学厚度均膜，且每层薄膜光学厚度均为为/4。以以GH(LH)SA形式形式G(HL)SHA形式为例分析：形式为例分析：2S+1层薄膜等效光学导纳：层薄膜等效光学导纳：2SHHLSnnYnn 222132224221322224kkSSkYk为奇数为偶数反射率：反射率：2220220(/)/(/)/SHLHsSHLHsnnnnnRnnnnn2020nYRnY2220220(/)/(/)/SHLHsSHLHsnnnnnRnnnnnmaxminB0g分析：理论上，分析：理论上，nH/nL越大、膜层数（越大、膜层数（2S+1）越多）越多反射率越高

15、。反射率越高。 ；相对波数注意：注意：1）膜层数增加到一定数量时，反射率不再增加，这）膜层数增加到一定数量时，反射率不再增加，这是由于材料吸收、散射等因素的影响。是由于材料吸收、散射等因素的影响。2）反射带宽内：膜层数增多，虽然反射率增加，带）反射带宽内：膜层数增多，虽然反射率增加，带宽不变；反射带宽外，反射率随波数出现明显的振宽不变；反射带宽外，反射率随波数出现明显的振荡。荡。G/(HL)4H/AG/(HL)H/AG/(HL)16H/AG/(HL)32H/AS: 2 g 不变，反射带外的振荡纹波数目增加.周期性膜堆周期性膜堆(LH)s的高反射带的高反射带(位置位置)S个个LH膜系的总特征矩阵

16、为膜系的总特征矩阵为1112S2122SmmMmm每个每个LH膜组合的特征矩阵为膜组合的特征矩阵为11122122mmMmmsinsincoscossincossincosLHLHLHLLLHHHiiMii如果如果 L= H= , 则则22112211cossin22HLLHnnmmnn重要结论重要结论的波长的波长位于高反射带内；高反射带位于高反射带内；高反射带以以g=1,3,5为中心的一系列波数区为中心的一系列波数区间间1212211mm1212211mm的波长的波长位于高透射带内；高透射带位于高透射带内；高透射带以以g=2,4,6为中心的一系列波数区为中心的一系列波数区间间1212211

17、mm的波长的波长是高反射带与高透射带的拐是高反射带与高透射带的拐点波长，即：截止波长点波长，即：截止波长满足满足H(LH)S 周期性多层膜的光谱特性周期性多层膜的光谱特性a. 在在 波段，高透波段，高透.高反带相间周期出现；高反带相间周期出现； 在在 波段，不再有高反带出现。波段，不再有高反带出现。1g 1g 透、反射光谱是波数的周期函数透、反射光谱是波数的周期函数b. 高反带中心波数为高反带中心波数为 1，3，5, ; 高透带中心波数为高透带中心波数为 2，4，6，.。 周期性膜堆周期性膜堆(LH )s的高反射带（宽度）的高反射带（宽度） 分析：分析： 按照结论按照结论3：当：当 的波长是高

18、反射带与高透的波长是高反射带与高透射带的拐点波长，即截止波长射带的拐点波长，即截止波长11222 1m m22112211cossin122HLLHnnmmnn设截止波长为设截止波长为 e，对应的相位厚为，对应的相位厚为 e, 则则22221cossin1cos2HLHLeeeLHHLnnnnnnnn 22221cossin1cos2HLHLeeeLHHLnnnnnnnn 0222(1)422cossin2eeeeggg1g 1g 222sinsin 11HLHLHLnngarcarcnnnn 222sinsin 11HLHLHLnngarcarcnnnn 1)当膜料一定的情况下，所有高反射带

19、的波数宽度相等；当膜料一定的情况下，所有高反射带的波数宽度相等；2) 高反射带波数宽度仅仅与构成多层膜的折射率比有关，高反射带波数宽度仅仅与构成多层膜的折射率比有关，nH /nL越大，越大， g就越大，高反射带宽越宽。就越大，高反射带宽越宽。分析分析3) 波数波数g表示的高反射区：表示的高反射区：当当s层薄膜的厚度均为层薄膜的厚度均为 时，在时，在g=1时，反射率最高时，反射率最高04复习：第一章中若一个膜系中复习：第一章中若一个膜系中 k 层膜的厚度均为层膜的厚度均为 0(1,3,5.)4cos0sin1jjmm各层膜的特征矩阵为各层膜的特征矩阵为 00jjii等效光学导纳均为：等效光学导纳

20、均为：222132224221322224kkSSkkY为奇数为偶数其反射率均相同其反射率均相同 2020YRY结论结论0=2k+1g与与g=1时反射率相同，且均取极大值时反射率相同，且均取极大值 g=2k时，反射率取极小值（透射率取极大值）时，反射率取极小值（透射率取极大值）高反射率区间：高反射率区间：1)用波数表示：用波数表示：1g，3g，5g，.（可（可以写成统一的公式：以写成统一的公式：(2k+1)g）0g2) 用波长表示：按照用波长表示：按照 0g求出相应的波长范围求出相应的波长范围00000011,3355,.gggggg分析：分析：1)各个高反射带宽具有相同的波数宽度（各个高反射

21、带宽具有相同的波数宽度（2g）2) 波长宽度不等。波长宽度不等。 10()2g30()2/9g， 3) 波数越大，对应的波长宽度越窄。波数越大，对应的波长宽度越窄。注意：注意：00sp0g = g = g0, ggspsp时，时1) 2) g只与只与 ,sp ，但但 还与中心波长有关还与中心波长有关 G/(LH)S/A膜系高反带中心波长的反射率膜系高反带中心波长的反射率R由等效光学导纳公式：由等效光学导纳公式： 222132224221322224kkSSkkY为奇数为偶数求出：求出：02SSHLY反射率反射率022211SHLSSHLSR G/(LH)S/A膜系与膜系与G/H(LH)S/A对

22、比对比G/(LH)S/A02SSHLY022211SHLSSHLSRG/H(LH)S/ASHSLHnnnnY2202220220(/)/(/)/SHLHsSHLHsnnnnnRnnnnn0HLRS与以及 成正比说明说明:由于工艺原因由于工艺原因,实用的高反射膜系实用的高反射膜系G/H(LH)S/A,其与其与G/(LH)S/A膜系有完全相同的通带膜系有完全相同的通带. 高反射带和带宽高反射带和带宽,只是只是中心波长处的反射率稍有差别中心波长处的反射率稍有差别.非等厚周期膜系非等厚周期膜系(增加带宽增加带宽)非等厚周期膜系出现反射带的条件：非等厚周期膜系出现反射带的条件：即基本周期的各层薄膜的光学

23、厚度之和是中心波长的即基本周期的各层薄膜的光学厚度之和是中心波长的12整数倍，下标整数倍，下标i代表基本周期中第代表基本周期中第i层薄膜，层薄膜，是可能出现是可能出现的反射带的中心波长。的反射带的中心波长。注意：但这个条件不是充分的。如果膜系满足上述条件，注意：但这个条件不是充分的。如果膜系满足上述条件，但各个膜层的光学厚也是但各个膜层的光学厚也是2的整数倍，那么各个膜层就的整数倍，那么各个膜层就变成虚设层，整个膜系都形同虚设。变成虚设层，整个膜系都形同虚设。定律：任意周期性膜系都存在反射带和透射带。定律：任意周期性膜系都存在反射带和透射带。为整数qqdnii, 2/对于每个周期都有对于每个周

24、期都有求求2:1膜堆膜堆ALHGm3234反射、透射的波长位置反射、透射的波长位置。分析：分析：含有含有m个双层薄膜即周期数为个双层薄膜即周期数为m，周期内双，周期内双层薄膜的厚度不相等：且层薄膜的厚度不相等：且 000423 43 42nd出现反射带的中心波长必须满足出现反射带的中心波长必须满足 012 3q, q= ， ， ，.如果周期内的每一层膜光学厚度满足如果周期内的每一层膜光学厚度满足3 6 9 .q ， ， ，时膜系为虚设层时膜系为虚设层 00143 42qk00223 42qk1 2 4,3 6 9,q= ， 5,7,8,10.反 射 带q= ， 12,15,18,.虚 设 层1

25、）1 4波堆的高反带对于波堆的高反带对于g1, 2, 3呈对称的，而非呈对称的，而非等厚的周期膜系不一定具有对称性。等厚的周期膜系不一定具有对称性。2）对于相同的折射率材料，）对于相同的折射率材料，1 4波堆的反射带宽比任波堆的反射带宽比任何非等厚的周期膜系的宽度大。何非等厚的周期膜系的宽度大。等厚周期膜相对非等厚周期膜优点等厚周期膜相对非等厚周期膜优点3）对于给定的膜层数、折射率值以及给定的干涉级）对于给定的膜层数、折射率值以及给定的干涉级次，次， 1 4波堆具有最高反射率。波堆具有最高反射率。高反射带的展宽高反射带的展宽(解决带宽不够的问题解决带宽不够的问题)高反射带的波数宽度仅仅与构成多

26、层膜的折射率比关。高反射带的波数宽度仅仅与构成多层膜的折射率比关。Eg:可见区材料折射率可见区材料折射率1.35 2.6; 红外区材料折射率红外区材料折射率 6。22sin 11HLgarcnn 为了突破材料折射率对带宽的限制，加宽反射带宽，可为了突破材料折射率对带宽的限制，加宽反射带宽，可以采用两种方法：以采用两种方法：使各膜系的光学厚度形成规则的递增或递减。其目的使各膜系的光学厚度形成规则的递增或递减。其目的是使相当宽的波段区域内任何波长光都具有足够多的是使相当宽的波段区域内任何波长光都具有足够多的膜层，其光学厚度均十分接近膜层，其光学厚度均十分接近 /4/4，所以这些光有足，所以这些光有

27、足够高的反射率。（各膜层的厚度可以成等差数列也可够高的反射率。（各膜层的厚度可以成等差数列也可以成等比数列设计）以成等比数列设计）方法一：方法一：算术级数递增算术级数递增(q层）：层）：, (1), (12 ), 1(2) , 1(1) t tk tktqk tqk 几何级数递增（几何级数递增（q层）：层）：221,qqt kt k tkt kt 方法二：方法二：将两个或多个中心波长不同的将两个或多个中心波长不同的 /4多层膜堆联合叠多层膜堆联合叠加使用。加使用。若每个膜堆都由奇数层组成，且最外层的折射率相若每个膜堆都由奇数层组成，且最外层的折射率相同，那么叠加之后将在展宽了的高反射带中心出现

28、同，那么叠加之后将在展宽了的高反射带中心出现一透射峰。一透射峰。注意：注意： /2膜层膜层等效界面等效界面1等效界面等效界面2nHr1, R1, Y1r2, R2, Y2HLAB 为为 的整数倍时的整数倍时, sin =0，透射率达到最大值，透射率达到最大值(T0)。且且R1R2时，时，T01。 在各自的中心波长处均为在各自的中心波长处均为 ，且，且=0，即中间层，即中间层消失，则透过率恒等于消失，则透过率恒等于1。将两个多层膜叠加在一起，使其特征曲线在两个监控波将两个多层膜叠加在一起，使其特征曲线在两个监控波长的平均值处相交，则在平均波长处始终存在一个透射率长的平均值处相交，则在平均波长处始

29、终存在一个透射率峰值。峰值。12, 1）在两多层膜的中间加入一层厚度为）在两多层膜的中间加入一层厚度为 /4平均波平均波长的低折射率介质膜；长的低折射率介质膜；2）两个中心波长不同的对称周期膜堆的组合成）两个中心波长不同的对称周期膜堆的组合成单一膜堆。单一膜堆。消透射峰方法：消透射峰方法：mmHHLLLH2222例如和G/0.9H(LH)41.1H(LH)4/AG/0.9H(LH)4L1.1H(LH)4/A倾斜入射的高反射带倾斜入射的高反射带全介质高反膜系用于斜入射时，其反射特性改变（反全介质高反膜系用于斜入射时，其反射特性改变（反射波段和反射率也有所变化）。射波段和反射率也有所变化）。反射特

30、性改变两个原因：反射特性改变两个原因：1） 斜入射导致光学厚度的改变；斜入射导致光学厚度的改变；2） 膜层的等效光学导纳和入射光的偏振态有关。膜层的等效光学导纳和入射光的偏振态有关。222arcsinarcsin 11/222arcsinarcsin 11/HSLSsHSLSHSLSHPLPPHPLPHPLPgg1） S光和光和P光的反射带宽不等。光的反射带宽不等。2） S光和光和P光的反射带往短波方向移动。光的反射带往短波方向移动。3）S光的反射带宽比光的反射带宽比P光的反射带宽宽。光的反射带宽宽。金属反射膜的特点：金属反射膜的特点：金属反射膜的常用材料：金属反射膜的常用材料：三、金属三、金

31、属高反射膜高反射膜1）反射带宽比较宽；）反射带宽比较宽；2）对入射角不敏感；）对入射角不敏感；3）反射率比较低；）反射率比较低；4）容易受损伤。）容易受损伤。1）铝膜；）铝膜；2）银膜；）银膜；3）金膜；）金膜；4）铜膜。）铜膜。铝膜铝膜 从紫外到红外都有较高的反射率从紫外到红外都有较高的反射率(88%)；牢固、稳定（铝膜表面在大气中能生成一层薄的氧牢固、稳定（铝膜表面在大气中能生成一层薄的氧化铝膜）。化铝膜）。保护层材料：氟化镁或氟化锂（紫外），一氧化硅保护层材料：氟化镁或氟化锂（紫外），一氧化硅或氧化铝（可见和红外）或氧化铝（可见和红外）银膜银膜 在可见光区和红外区都具有高的反射率在可见光

32、区和红外区都具有高的反射率(95%)； 光波在倾斜入射时引入的偏振效应较小；光波在倾斜入射时引入的偏振效应较小； 与玻璃基片的黏附性很差，同时易受硫化物的影响而与玻璃基片的黏附性很差，同时易受硫化物的影响而失去光着，故使用寿命较短。失去光着，故使用寿命较短。保护层材料：一氧化硅（抗潮气）和氧化铝组合保护层材料：一氧化硅（抗潮气）和氧化铝组合金膜金膜 在红外区具有高的反射率在红外区具有高的反射率(95%)；与玻璃基片的黏附性差，常用铬膜作为衬底。用离与玻璃基片的黏附性差，常用铬膜作为衬底。用离子束轰击辅助可提高金膜和玻璃基质的附着力度；子束轰击辅助可提高金膜和玻璃基质的附着力度；强度和稳定性都比

33、银膜好。不能擦洗。强度和稳定性都比银膜好。不能擦洗。在金属高反膜表面镀介质膜，其作用为：在金属高反膜表面镀介质膜，其作用为：四、金属四、金属介质介质高反射膜高反射膜1） 对金属膜层起到保护作用。对金属膜层起到保护作用。 在金属层和基质之间增加与金属层和基质之间都有在金属层和基质之间增加与金属层和基质之间都有较好附着能力的过渡层；较好附着能力的过渡层； 在金属膜层表面加镀高硬度透明膜层。在金属膜层表面加镀高硬度透明膜层。2） 提高反射率，但减少了带宽。提高反射率，但减少了带宽。 在金属膜层表面加镀在金属膜层表面加镀(LH)S膜堆膜堆(99%)金属膜层折射率金属膜层折射率 nik 则光垂直入射到金

34、属薄膜时，其反射率为：则光垂直入射到金属薄膜时，其反射率为： 211nikRnik 在金属薄膜层表面镀上在金属薄膜层表面镀上 膜堆，此时反射率膜堆，此时反射率()SLH 22211SHLSHLnniknRnnikn 2.3 中性分束膜中性分束膜2.3.1 金属分束镜金属分束镜2.3.2介质分束镜介质分束镜2.3.3 偏振分束镜偏振分束镜利用斜入射的偏振效应实现光的中性分束利用斜入射的偏振效应实现光的中性分束1、中性分束镜原理及定义、中性分束镜原理及定义原理：原理： 在一定的波长区域内，对各波长具有相同的透过在一定的波长区域内，对各波长具有相同的透过率、反射率比，因而反射光和透射光呈中性。率、反

35、射率比，因而反射光和透射光呈中性。中性分束：中性分束：1）在透明平板上镀膜（平板分束镜）在透明平板上镀膜（平板分束镜）2、常用中性分束镜结构、常用中性分束镜结构常见两种形式：常见两种形式：2）把膜层镀在）把膜层镀在45 直角棱镜斜面上，再胶合一个同样直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜，构成胶合立方体（棱镜分束镜）形状的棱镜，构成胶合立方体（棱镜分束镜）平板分束片：结构简单，装调方便，但引入像散，平板分束片：结构简单，装调方便，但引入像散，膜层暴露在空气中，易被腐蚀和损坏；膜层暴露在空气中，易被腐蚀和损坏；两种棱镜的比较两种棱镜的比较棱镜分束器：不引入像散，膜层不暴露在空气中，棱镜分束器：

36、不引入像散，膜层不暴露在空气中，不易被腐蚀和损坏，对膜层材料的机械和化学稳定不易被腐蚀和损坏，对膜层材料的机械和化学稳定性要求较低，结构也稍复杂，偏振效应比较明显。性要求较低，结构也稍复杂，偏振效应比较明显。应用：常应用在中低级光学装置上应用：常应用在中低级光学装置上应用：常应用于性能要求较高的光学系统应用：常应用于性能要求较高的光学系统说明：说明：(1) 平板分束镜、棱镜分束镜能够分束的原因平板分束镜、棱镜分束镜能够分束的原因均是因为镀了一层薄膜。均是因为镀了一层薄膜。(2) 薄膜的要求：在一定波长区域内，反射率薄膜的要求：在一定波长区域内，反射率几乎不变，即反射透射比一定。几乎不变，即反射

37、透射比一定。常用中性分束镜分类常用中性分束镜分类金属分束镜金属分束镜介质分束镜介质分束镜2.3.1 金属分束镜金属分束镜(1)色中性好，在很宽的光谱范围内都能实现以近似色中性好，在很宽的光谱范围内都能实现以近似同样的分束比工作。同样的分束比工作。1、特点：、特点：(2)入射光的偏振态对分束比的影响没有介质膜中性入射光的偏振态对分束比的影响没有介质膜中性分束器敏感。分束器敏感。(3)吸收严重，吸收损耗接近三分之一。吸收严重，吸收损耗接近三分之一。(4)使用时具有方向性。使用时具有方向性。吸收膜分光镜的透过率与入吸收膜分光镜的透过率与入射光的方向无关，但反射率与入射光的方向有关。射光的方向无关，但

38、反射率与入射光的方向有关。从从空气一侧入射具有较高的反射率。空气一侧入射具有较高的反射率。注意：正确安装，见图注意：正确安装，见图350最常用的是最常用的是镍铬合金镍铬合金，其特点为在很宽的光谱范围内，其特点为在很宽的光谱范围内（0.245 m）都能实现色中性分束。化学性能和机械）都能实现色中性分束。化学性能和机械性能都很好。性能都很好。2、金属分束镜中金属膜层材料：、金属分束镜中金属膜层材料：银：在可见区吸收最小，但色中性较差，在光谱的蓝色银：在可见区吸收最小，但色中性较差，在光谱的蓝色端反射率下降，化学性能和机械性能都不好，一般仅用端反射率下降，化学性能和机械性能都不好，一般仅用在立方胶合

39、棱镜中。在立方胶合棱镜中。铬：化学性能和机械性能都很好，色中性比较理想，在铬：化学性能和机械性能都很好，色中性比较理想，在可见光区，长波端的反射率比短波端高出可见光区，长波端的反射率比短波端高出10。其它有铝、锗、铀等。其它有铝、锗、铀等。G/Ag(5nm)/AG/Cr(15nm)/AG/Cr(16nm)Ni(6nm)/A方法：吸收与周围介质有关，通过改变周围介质是吸方法：吸收与周围介质有关，通过改变周围介质是吸收损失减小，收损失减小，eg：在铬膜和基片之间插入一层在铬膜和基片之间插入一层4的硫的硫化锌膜化锌膜3、金属分束镜吸收损耗改善、金属分束镜吸收损耗改善G/Ag(5nm)/AG l Zn

40、S-Ag-ZnS l A 可见光的中性可见光的中性1：1分光，分光，R+T90%. 厚度为：厚度为：280，1.2，120(1)分光效率高（无吸收）分光效率高（无吸收）(2)偏振效应明显偏振效应明显(3)分光特性色散明显。分光特性色散明显。(1)单层膜系结构单层膜系结构2201201/ggR2.3.2 介质分束镜介质分束镜1、特点：、特点：2、膜系反射率、膜系反射率在在ng上镀一层上镀一层0/4的薄膜，在的薄膜，在中心波长处的反射率中心波长处的反射率对对p分量分量000110gg0ncos,ncos,ncos 对对s分量分量000110cos,cos,cosgggnnn 对自然光的反射率对自然

41、光的反射率2/PSRRR2201201/ggR注意注意:单层介质膜的反射率在可见区较低，达不到单层介质膜的反射率在可见区较低，达不到50。2220220(/)/(/)/SHLHsSHLHsnnnnnRnnnnn用周期性多层膜系用周期性多层膜系(LH)s(2)多层介质膜多层介质膜平板分束镜：平板分束镜： G/H/A ；G|HLHL|A或者或者G|2LHLHL|A棱镜分束镜：棱镜分束镜： G/HLH/G；G/HLHL/G；G/LHLHL/G单层分光膜单层分光膜G/H/AG/TiO2/A 平板型介质分束膜平板型介质分束膜多层分光膜多层分光膜G/HLHL/A入射角入射角45度度多层分光膜多层分光膜G/

42、2LHLHL/Aa曲线膜系由两层（曲线膜系由两层（HL），最大反射率为），最大反射率为46；b曲线膜系比曲线膜系比a曲线膜系多一层虚设层，呈曲线膜系多一层虚设层，呈M型结构，型结构，最大反射率为最大反射率为50，中性特性比较好。，中性特性比较好。 分析：分析：棱镜介质分束膜棱镜介质分束膜从从空气空气|膜层膜层|玻璃玻璃变为变为玻璃玻璃|膜层膜层|玻璃玻璃，单层膜反射，单层膜反射率更低。需用多层膜结构。率更低。需用多层膜结构。基本的三层膜结构：基本的三层膜结构：色中性比较差。最色中性比较差。最大反射率为大反射率为53(1) 基于基于0/4使膜系使膜系,使其在中心波长处的反射率约使其在中心波长处的

43、反射率约50(2) 改进结构，提高两端光谱的反射率。改进结构，提高两端光谱的反射率。曲线平滑，改曲线平滑，改变色中性变色中性问题：怎样才能得到中性程度好，且问题：怎样才能得到中性程度好，且R/T=1的介质膜的介质膜分束镜？分束镜？方法：增加膜层数，逐步修改膜系，设计出特性良好方法：增加膜层数，逐步修改膜系，设计出特性良好地分束镜地分束镜设计步骤：设计步骤：S/HLHL2H/SS/HLHL/SS/2LHLHL/SS/LH(2/3)L1.5HL2H/S增加增加2H层可显著改善色中性层可显著改善色中性,而增加而增加2L层效果不大。层效果不大。 利用斜入射时光的利用斜入射时光的偏振效应偏振效应来实现来

44、实现50/50的中性的中性分光。分光。即反射分量是即反射分量是S分量，透射分量是分量，透射分量是P分量分量(1)偏振中性分光膜只适应于自然光和圆偏振光的中偏振中性分光膜只适应于自然光和圆偏振光的中性分束；性分束；(2)偏振中性分光膜分出的两束光，光强相等，但偏偏振中性分光膜分出的两束光，光强相等，但偏振状态不同，是两束振动方向互相垂直的线偏振振状态不同，是两束振动方向互相垂直的线偏振光。因此，也将其称为光。因此，也将其称为偏振分光（束）膜偏振分光（束）膜。2.3.3 偏振分束镜偏振分束镜原理原理说明：说明：偏振中性分光膜偏振中性分光膜布儒斯特角原理布儒斯特角原理Rp=0的条件：的条件：RsRp

45、n1,n2界面反射率随入射角的变化1.0R0.50B0 30 60 90 00)()(coscoscoscos121212211221tgtgnnnnrpo90212121coscosnn所以有：1221sinsinnn又因为：消去2,得Rp=0的入射角1=BB叫布儒斯特角或偏振角。12nnarctgB增加S偏振光的反射率对于偏振中性分束棱镜对于偏振中性分束棱镜 结构特点为：两块棱镜布儒斯特角入射的膜层；结构特点为：两块棱镜布儒斯特角入射的膜层； 膜层为布儒斯特角入射的膜层为布儒斯特角入射的(LH)S膜堆；膜堆； 透射光为透射光为P光，反射光为光，反射光为S光；光； 分束比与入射光的偏振态有光

46、。只有对于自然光和分束比与入射光的偏振态有光。只有对于自然光和y圆偏振光，分束比才圆偏振光，分束比才50/50.棱镜介质分束器和平板分束片：透射和反射光均有棱镜介质分束器和平板分束片：透射和反射光均有P光和光和S光，而偏振中性分束棱镜透射光为光，而偏振中性分束棱镜透射光为P光，反光，反射光为射光为S光。光。2.4 2.4 干涉截止滤光片干涉截止滤光片截止滤光片截止滤光片q某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长的某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射（抑制）的波段选择截止光束骤然变化为高反射（抑制）的波段选择截止滤光片。滤光片。吸收型吸收型薄膜干涉型薄膜干涉型吸收与干涉

47、组合型吸收与干涉组合型分类分类: :利用多光束干涉原理，让某一波长范围的光束高透，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。而让偏离这一波长区域的光束变为高反的光学膜片。长波通滤光片长波通滤光片 ：透射长波波段，滤掉短波波段。：透射长波波段，滤掉短波波段。1、什么叫干涉截止滤光片：、什么叫干涉截止滤光片：2、种类：、种类：2.4.1 干涉滤光片概述干涉滤光片概述短波通滤光片：透射短波波段，滤掉长波波段。短波通滤光片：透射短波波段，滤掉长波波段。带通滤光片：让某窄光波段通过，滤掉此波段区以外带通滤光片：让某窄光波段通过，滤掉此波段区以外的光束。的

48、光束。长波通滤光片长波通滤光片抑制短波波段，透射长波波段抑制短波波段，透射长波波段短波通滤光片短波通滤光片抑制长波波段，透射短波波段抑制长波波段，透射短波波段带通滤光片带通滤光片让某窄光波段通过，滤掉此波段区以外的光束。让某窄光波段通过，滤掉此波段区以外的光束。3、截止滤光片的特性参数、截止滤光片的特性参数n截止波长；截止波长；n高透射带的光谱宽度，高透射带的光谱宽度，平均透射率，最小允许平均透射率，最小允许透射率；透射率；n反射带光谱宽度，平均反射带光谱宽度，平均反射率，最大允许透射反射率，最大允许透射率；率；n过渡区曲线陡度过渡区曲线陡度/ /过渡过渡区的波长宽度。区的波长宽度。4、膜层特

49、性介绍、膜层特性介绍干涉截止滤光片的基本膜系类型是周期性多层膜干涉截止滤光片的基本膜系类型是周期性多层膜系系(LH)s。这类膜系的基本特征是一连串的高反。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。带间隔以一连串的高透带。高反高反短波通短波通长波通长波通1）并不能实现以某一波长为界，一侧高透，另一）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，限的波段，实现以某一波长为界实现一侧高透，另一侧高反。另一侧高反。既要关心它的反射特性，又要注意它的透射特性。既要关心它的

50、反射特性，又要注意它的透射特性。2）同一种周期性的膜堆）同一种周期性的膜堆(LH)s，也是既可以做短，也是既可以做短波通滤光片，也可以做长波通滤光片。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，）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。而滤光片是既用它的反射带，又用它的透射带。结论：结论：(LH)s干涉截止滤光膜系设计的主要任务就是消除和干涉截止滤光膜系设计的主要任务就是消除和减小通带波纹。减小通带波纹。 n改进结构改进结构:在在(LH)S的两侧各加一个的两侧各加一个 膜层。膜层。 n 干涉截止滤光片的基本膜系结构：干涉截止滤光片

51、的基本膜系结构：n通带光学性能通带光学性能 与与(LH)S具有相同的高反射带和高透射带分布具有相同的高反射带和高透射带分布 ，而，而且，高反射带的宽度也与且，高反射带的宽度也与(LH)S的相同。的相同。mmLHLHLH）或（22)22(多层膜系多层膜系(LH)S改造后成对称膜系基本周期改造后成对称膜系基本周期2LH2L22和HLH8（1）对称多层膜系的性能）对称多层膜系的性能-等效特性等效特性n等效定理：等效定理：一个任意多层膜可等效于双层膜；具有一个任意多层膜可等效于双层膜；具有对称结构的多层膜可等效于一个单层膜。对称结构的多层膜可等效于一个单层膜。注注：a“等效界面等效界面” 与任意多层膜

52、组合导纳相对应。与任意多层膜组合导纳相对应。 b“等效膜层等效膜层” 不含基底的多层膜与有确定折射不含基底的多层膜与有确定折射 率和厚度的介质膜相对应。率和厚度的介质膜相对应。 c“等效等效”是数学的，也是光学效果的。是数学的，也是光学效果的。nsnFn0（2）单层膜的特征矩阵）单层膜的特征矩阵11122122mmcosisinmmi sincos 特征矩阵特点：特征矩阵特点：1） 对于无吸收介质膜，对于无吸收介质膜，m11m22均为实数；均为实数；2） m12、m21均为纯虚数；均为纯虚数；3） m11m22 m12m211(3).(3).对称介质膜系的特征矩阵对称介质膜系的特征矩阵1112

53、2122cossincossincossinsincossincossincosppqqpppqppqppppqqqpppiiiMMMMMiii以最简结构以最简结构(p q p)为例：为例：1112211cos2 cossin2 sin ,211sin2 coscos2 sinsin2211sin2 coscos2 sinsi22qppppqpqqpqppqpqqppqpqqpqpppqpqpqpqMiMMinq对膜系（对膜系（pqp）的特征矩阵也存在下列特征：）的特征矩阵也存在下列特征：1） 对于无吸收介质膜，对于无吸收介质膜， M11M22均为实数；均为实数；2） M12、M21均为纯虚数

54、；均为纯虚数；3） M11M22 M12M211。因此，膜系因此，膜系(p q p)在数学上与一个单层介质膜等同在数学上与一个单层介质膜等同(4). (4). 等效折射率和等效位相厚度等效折射率和等效位相厚度n设：设：(p q p)的等效层的折射率为的等效层的折射率为E，位相厚度为，位相厚度为 21122211MsinEiMsinEiMMcos 可得：可得：111cosM 1221MME 解得：解得：pqppqp22211211MMMMMcossinEisinEicos 由由2/1222222)(cos)()(cos)(qpqqpqpqqppmEqpqqpqmm22sin)(21cosarcc

55、os(pqp)m的等效层的折射率为的等效层的折射率为Em，位相厚度为，位相厚度为m结论性说明：结论性说明：A. 对称周期性膜系对称周期性膜系(pqp)m的等效折射率和等效位相厚的等效折射率和等效位相厚度与基本周期度与基本周期(pqp)的等效折射率和等效位相厚度的的等效折射率和等效位相厚度的关系为：关系为：pqpmEE pqpmm (5) 通带和截止带的特性通带和截止带的特性n 以以 或或 为例：为例：m2HL2H m2LH2L g1234E 2HL2H 2LH2L4 . 14 . 24 . 1n4 . 2nLH 截止带：高反射带截止带：高反射带na. a. 阻带出现在阻带出现在 g=1 g=1

56、，3 3，5 5，为中心的波段；为中心的波段； nb. b. 阻带宽度阻带宽度 nc. c. 阻带内：阻带内： nd. d. 过渡区的曲线陡度随过渡区的曲线陡度随 的增大，或周期数的增大，或周期数 m m 的增加的增加, , 而变陡。而变陡。 LHLH1sin4g2 20ggg2 mR,nnRLH LHnn 通带：高透射带通带：高透射带n a. 通带出现在通带出现在 g=2, 4, 6, 为中心的波段；为中心的波段；n b. 通带内：其等效单层膜有：通带内：其等效单层膜有： 212q2pq2qp2q2pq2qpPcoscosE q2pqqpq21sin21osccosm 显然，显然， 随波长的

57、变化情况，将决定膜系通随波长的变化情况，将决定膜系通带内反射率随波长的变化特性。带内反射率随波长的变化特性。200YYR 200EE 22S022S022S022S0sinEEcossinEEcosR即即： ,E m2HL2H m2LH2L g1234E 2HL2H 2LH2L4 . 14 . 24 . 1n4 . 2nLH 2HL2H 2LH2L52. 14 . 14 . 2SLHnnn设计波长：设计波长：550nm膜系适合膜系适合于短波通于短波通滤光片滤光片膜系适合膜系适合于长波通于长波通滤光片滤光片2.4.2. 通带波纹的压缩通带波纹的压缩“波纹波纹”通带内的反射率极大值群。通带内的反射

58、率极大值群。1.1.波纹产生原因：波纹产生原因：E 由于由于都是波长的函数都是波长的函数,.3 , 2 , 1 , 0,212kkma. 满足满足波长点将出现反射次峰波长点将出现反射次峰 2S202S20nEnER b. 反射次峰的大小为：反射次峰的大小为：次峰的高低取决于次峰的高低取决于 值趋近于值趋近于 的程度。的程度。 显然显然，反射次峰的出现，是由于反射次峰的出现，是由于位相耦合和折射位相耦合和折射率失配同时存在率失配同时存在而造成的。而造成的。S2nE0 越小；，愈RnES12越大。愈远，偏离RnES1210 当当时时 2S202S20nEnER 反射次峰的大小为：反射次峰的大小为：

59、2、压缩波纹的方法、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率等于基质的折射率即使R1=R2，本质是选膜层材料，本质是选膜层材料，要求要求基片表面的反射损耗要小，但对于不同的基底不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。一定有合适的膜层材料。 改变基本周期的膜层厚度，使等效折射率更接近于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。种方法可可见光可以，红外区损耗大

60、。 在多层膜的每一侧加镀匹配层（在多层膜的每一侧加镀匹配层（ /4层层 ），使它与），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。减反膜。方法三：方法三：n0 E E E” nsEn01Ens3基本思想基本思想: 由于单层膜只可能一个零反射点，故常用多层膜或相由于单层膜只可能一个零反射点，故常用多层膜或相似的基本周期匹配。似的基本周期匹配。减反射膜2.4.3 通带的展宽和压缩通带的展宽和压缩 方法：方法：在不改变基本周期膜层总厚度的前提下，改在不改变基本周期膜层总厚度的前提下，改变基本周期中膜层的厚度比。变基本周期中膜层的厚度比。