薄膜光学第二章

1、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。了解常用膜系的应用了解常用膜系的应用背景、掌握其光学特背景、掌握其光学特性、结构特点及其设性、结构特点及其设计的基本知识，为以计的基本知识，为以后发展打下基础。后发展打下基础。第二章第二章 介质膜系及其应用介质膜系及其应用2.1 减反膜（增透膜）减反膜（增透膜）作用和应用背景作用和应用背景减反膜的作用减

2、反膜的作用：减少介质间界面反射。：减少介质间界面反射。一般情况下界面反射的危害：引起光学系统的光一般情况下界面反射的危害：引起光学系统的光能量损失能量损失；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；在高功率激光；在高功率激光系统中，界面反射可能引起系统中，界面反射可能引起反激光，损伤光学元件反激光，损伤光学元件，所以为，所以为减少光能损耗，提高成像质量，照相机、电视机、显微镜等减少光能损耗，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，高功率激等中的光学镜头都镀减反膜。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

3、镀减反膜。光系统中的透射光学元件表面也镀减反膜。减反膜的关键技术指标：透过率和色中性减反膜的关键技术指标：透过率和色中性色中性好，膜系的透过率与波长的关系曲线比较平坦色中性好，膜系的透过率与波长的关系曲线比较平坦。常见的减反膜的结构：常见的减反膜的结构： 单层减反膜和多层减反膜；单层减反膜和多层减反膜；常见的减反膜常见的减反膜n0、n1越接近，表面反射率就越低。越接近，表面反射率就越低。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%220

4、11022011011nnnnRnnnn界面界面n0n1入射入射反射反射光垂直入射一光学界面，其光垂直入射一光学界面，其反射率：反射率：单层减反膜单层减反膜在光的入射界面上镀一层低折射率在光的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 反射率为零的条件为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。单层减反膜的讨论：单层减反膜的讨论：

5、单层减反膜理论上只能在单层减反膜理论上只能在一个波长处实现零反射率所以一个波长处实现零反射率所以色中性差，即反射率的波长相关性强色中性差，即反射率的波长相关性强, 影响成像系统的色影响成像系统的色平衡）；平衡）； 实际上，满足实际上，满足 条件的光学玻璃并不存在，很难条件的光学玻璃并不存在，很难实现零反射，剩余反射率不理想实现零反射，剩余反射率不理想(常用的薄膜最低折射率常用的薄膜最低折射率材料氟化镁（材料氟化镁（1.38）)。0fs 如果入射光偏离正入射，那么最小反射率对应的波长向短如果入射光偏离正入射，那么最小反射率对应的波长向短波方向移动。为什么？波方向移动。为什么？双层减反膜双层减反膜

6、为改善单层减反膜的不足：为改善单层减反膜的不足：色中性差以及很难实现零反射，提色中性差以及很难实现零反射，提出双出双层减反膜的设计。具体结构有层减反膜的设计。具体结构有:1）双层）双层 /4膜堆膜堆2） /2 /4膜堆膜堆界面界面n0ns入射入射反射反射1) 双层双层 /4膜堆膜堆22020202222200220/sfsfsfLsHLHsLsHRR 单层膜：，双层膜：，GL A变成变成G HL A， 可以实现零反射，但不能克服色中性差可以实现零反射，但不能克服色中性差的缺陷的缺陷, R 曲线呈曲线呈V型，适用与工作波段较窄的场合。型，适用与工作波段较窄的场合。 2) /2 /4膜堆膜堆G2H

7、L 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 1）反射率在参考波长处与）反射率在参考波长处与 /2膜层光学参数膜层光学参数无关，等价与一单层减反膜系；无关，等价与一单层减反膜系；2） /2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极小值。得到反射率的极小值。R 曲线呈曲线呈W型。所以在参考波长处反射率较型。所以在参考波长处反射率较双双层层 /4膜堆高，但该波长两侧膜堆高，但该波长两侧R 曲线较平坦，色中性较好。（通

8、过调曲线较平坦，色中性较好。（通过调整虚设层的折射率实现，虚设层起到平滑膜系反射透射特性的作用）整虚设层的折射率实现，虚设层起到平滑膜系反射透射特性的作用）膜系反射率为膜系反射率为膜系特点：膜系特点：多层减反膜系结构多层减反膜系结构膜层增加，有利于灵活选取膜的参数满足多项要求（反射率、膜层增加，有利于灵活选取膜的参数满足多项要求（反射率、色中性等）。目前大多采用的三层膜结构为色中性等）。目前大多采用的三层膜结构为GM2HLA，更多，更多层的膜系大多是以此为雏形发展而来的。层的膜系大多是以此为雏形发展而来的。多层减反膜多层减反膜双双层减反膜要么能提高参考波长处的反射率但色中性差，要么层减反膜要么

9、能提高参考波长处的反射率但色中性差，要么改善膜系的色中性但无法改善膜系反射率。改善膜系的色中性但无法改善膜系反射率。多层减反膜系多层减反膜系基质基质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膜膜层，层，空气空气折射率折射率n0GM2HL A 膜系特性膜系特性基质基质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

10、效界面2nHr1, R1, Y1r2, R2, Y2等价于一个平行平板干涉仪等价于一个平行平板干涉仪12012110222121201104(1)(1)2,1sin211/ 2,/ 2,2HHR RTRRTTFn dFR RR Rn d，对于膜层于是 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)。 R1R2时，时，T01。 如如Fns，膜层起增反作用。但单层增反膜起的作用有限，所，膜层起增反作用。但单层增反膜起的作用有限，所以要多层膜增反。以要多层膜增反。采用厚度均为采用厚度均为 /4的高、低折射率交替的介质多层膜可以提的高、低折射率交替的介质多层膜

11、可以提高反射率。高反射率。单层介质反射膜单层介质反射膜空气空气n0膜层膜层n1基质基质ns周期性多层膜堆的反射率周期性多层膜堆的反射率GH(LH)S A膜系膜系22220220,(/)/(/)/SHHLSSHLHsSHLHsnnYnnnnnnnRnnnnn 膜系等效反射率为nHnL空气空气n0基质基质nsnLnHnHnLnHS个个 /4膜厚的膜厚的LH膜堆的等效光膜堆的等效光学导纳为学导纳为理论上理论上，n nH H/ /n nL L越大或膜层数越多，则反射率越高。但由于材越大或膜层数越多，则反射率越高。但由于材料吸收、散射等因素的影响，膜层数增加到一定数量时，反料吸收、散射等因素的影响，膜层

12、数增加到一定数量时，反射率不再增加。膜层数增多，虽然反射率增加，但反射带宽射率不再增加。膜层数增多，虽然反射率增加，但反射带宽不变，而且反射带宽外，反射率随波数出现明显的振荡。不变，而且反射带宽外，反射率随波数出现明显的振荡。高反射的带宽特性高反射的带宽特性对于对于G H(LH)S A膜系，如果每个膜系，如果每个LH膜组合的特征矩阵为膜组合的特征矩阵为那么那么S个个LH膜系的总特膜系的总特征矩阵为征矩阵为1112S2122SmmMmm11122122mmMmm而且而且LH膜系的特征矩阵由上一章的讨论可知膜系的特征矩阵由上一章的讨论可知sinsincoscossincossincosLHLHLH

13、LLLHHHiiMii22112211cossin22HLLHnnmmnn如果如果 L= H= , 则则112211222121mmmm对于让的波长位于高反射带内，高反射带是以g=1,3,5.为中心的分离区间。对于让的波长位于高透射带内，高透射带是以g=2,4,6.为中心的分离区间。经过数学分析，这种经过数学分析，这种膜系的反射特征为（膜系的反射特征为（g= 0/ ）112221mm根据可以计算出高反射带与高透射带的拐点波长，称为截止波长。2221cossin1cos2HLHLeeeLHHLnnnnnnnn 如果截止波长如果截止波长 e对应的相位厚为对应的相位厚为 e, 则则2202,coss

14、in4222eeeggg222sinsin 11HLHLHLnngarcarcnnnn 高反射带的波数宽度仅仅与构成多层膜的折射率比有关。高反射带的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。高反射带用波长表示的区域为高反射带用波长表示的区域为00000011,33,55,.gggggg各个高反射带宽具有相同的波数宽度，但波长宽度不等。各个高反射带宽具有相同的波数宽度，但波长宽度不等。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。,.55 ,33 ,11gggggg高反射带的区域为高反射带的区域为注意：这里

15、注意：这里 L= H= 在在 0处为处为 /2,意味高低折射率膜层均意味高低折射率膜层均为为 0 /4膜厚。膜厚。非等厚周期膜系非等厚周期膜系(增加带宽增加带宽)（周期性的，但一个周期内的各膜层不是等光学厚的）（周期性的，但一个周期内的各膜层不是等光学厚的）任意周期性膜系都存在反射带和透射带。出现反射带的条任意周期性膜系都存在反射带和透射带。出现反射带的条件为对于每个周期都有件为对于每个周期都有为整数qqdnii, 2/但这个条件不是充分的。如果膜系满足上述条件，但各个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膜层的光学厚也是2的整数倍，那么各个膜层就变成虚设的整数倍，

16、那么各个膜层就变成虚设层，整个膜系都形同虚设。层，整个膜系都形同虚设。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。000000001212423 43 4212 342(),3 63 423 429 .12 4,3 6 9,ndqkqkkkq解：，满足出现反射带的基本条件。出现反射带的中心波长必须满足：q, q= ， ， ，.然而如果满足同时、 为正整数 即 ， ，时膜系为虚设层。所以q= ， ，5,7,8,10.反射带q= ， ，12,15,18,.虚设层分析和计算表明：对于相同的折射率材料，分析和计算表明：对于相同的折射率材料，1 4波堆的反射波堆的反射

17、带宽比任何非等厚的周期膜系的宽度大。带宽比任何非等厚的周期膜系的宽度大。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高反射带的波数宽度仅仅与构成多层膜的折射率比有关。层膜的折射率比有关。 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 三点结论：三点结论：1）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，而非等厚的呈对称的，而非等厚的周期膜系不一定具有对称性。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

18、射带宽比任何非等波堆的反射带宽比任何非等厚的周期膜系的宽度大。厚的周期膜系的宽度大。3）对于给定的膜层数、折射率值以及给定的干涉级次，）对于给定的膜层数、折射率值以及给定的干涉级次， 1 4波堆具有最高反射率。波堆具有最高反射率。方法之二：方法之二：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多层膜堆联合叠加使用。多层膜堆联合叠加使用。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膜层，其光学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厚度均十分接近 /4，所以

19、这些光有足够高的反射率。（各，所以这些光有足够高的反射率。（各膜层的厚度可以成等差数列也可以成等比数列设计）膜层的厚度可以成等差数列也可以成等比数列设计）但若每个膜堆都由奇数层组成，且最外层的折射率相同，但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那么叠加之后将在展宽了的高反射带中心出现一透射峰高反射带中心出现一透射峰。为了突破材料折射率对带宽的限制，加宽反射带宽，采用为了突破材料折射率对带宽的限制，加宽反射带宽，采用方法之一：方法之一：H LAB 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)。而。而且且R1R2时，时，T0

20、1。 /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, Y2R120mmHHLLLH2222例如和例如例如G 0.8(LH)71.2(LH)7A膜系膜系:0.8倍的倍的 /4厚周期性膜堆厚周期性膜堆1.2倍的倍的 /4周期性厚膜堆。周期性厚膜堆。为什么说这是两个、中心波长不同的为什么说这是两个、中心波长不同的 /4多层膜堆联合叠多层膜堆联合叠加？加？消透射峰方法：消透射峰方法：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平均波长的低折射率介质膜；平均波长的低折射率介质膜；2）两个中心波长不同）两个中心波长不同的对称周期膜堆的组合

21、。的对称周期膜堆的组合。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（反射波全介质高反膜系用于斜入射时，其反射特性（反射波段和反射率也有所变化）。这是由于：段和反射率也有所变化）。这是由于：1） 斜入射导致光学厚的变换；斜入射导致光学厚的变换；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光的光的反射带往短波方反射带往短波方

22、向移动。向移动。（为什（为什么）么）3） S光的反射光的反射带宽比带宽比P光的反光的反射带宽宽。射带宽宽。等效光学导纳等效光学导纳不同，它们之不同，它们之比也不同。比也不同。（小结一下）（小结一下）金属反射膜金属反射膜金属反射膜的特点：金属反射膜的特点：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。金属反射膜的常用材料：金属反射膜的常用材料：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

23、（铝膜表面在大气中能生成一层薄的氧化牢固、稳定（铝膜表面在大气中能生成一层薄的氧化铝膜）。铝膜）。 保护层材料：氟化镁或氟化锂（紫外），一氧化硅或氧保护层材料：氟化镁或氟化锂（紫外），一氧化硅或氧化铝（可见和红外）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区和红外区都具有高的反射率(95%)； 在倾斜使用时引入的偏振效应较小；在倾斜使用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失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。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

24、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。用离子束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；轰击辅助可提高金膜和玻璃基质的附着力度； 强度和稳定性都比银膜好。强度和稳定性都比银膜好。 不能擦洗。不能擦洗。金属金属介质介质反射膜反射膜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：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较好附着能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

25、过渡层；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%)222211)(,11,iknnniknnnRLHikniknRiknSLHSLHS膜堆后变为加镀则单层金属膜反射率金属膜层折射率偏振中性分束膜偏振中性分束膜1）应用场合）应用场合;2）种类及其特点；）种类及其特点；2）常见膜层设计思路。）常见膜层设计思路。偏振中性分束器作用：利用斜入射的偏振效应实现光的中偏振中性分束器作用：利用斜入射的偏振效应实现光的中性分束。常见两种形式：性分束

26、。常见两种形式：1）在透明平板上镀膜（薄膜分束）在透明平板上镀膜（薄膜分束片）和片）和2）把膜层镀在）把膜层镀在45 直角棱镜的斜面上，再胶合一个直角棱镜的斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜（胶合立方棱镜分束器）。同样形状的棱镜（胶合立方棱镜分束器）。两种棱镜比较：两种棱镜比较： 薄膜分束片：结构简单，装调方便，但引入像散，膜层暴露薄膜分束片：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；在空气中，易被腐蚀和损坏； 棱镜分束器：不引入像散，膜层不暴露在空气中，不易被腐棱镜分束器：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性要求较低，结构也蚀和

27、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。稍复杂，偏振效应比较明显。 膜层种类：金属膜和介质膜。膜层种类：金属膜和介质膜。中性分束器：中性分束器：在某个波段将一束光以同样的比例分成两束。在某个波段将一束光以同样的比例分成两束。比较常用的分束比为比较常用的分束比为50/50。介质膜堆中性分束片介质膜堆中性分束片: 分光效率高（无吸收），偏振效应分光效率高（无吸收），偏振效应明显，分光特性色散明显。明显，分光特性色散明显。膜系结构膜系结构22020/FsFsR对于单层介质膜对于单层介质膜对对p分量分量对对s分量分量00000cos,cos,cosssFFnnn00

28、00cos,cos,cosFFSSSnnn 对自然光的反射率对自然光的反射率2/PSRRR介质膜中性分束片介质膜中性分束片2220220(/)/(/)/SHLHsSHLHsnnnnnRnnnnn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。多层介质膜多层介质膜用周期性多层膜系用周期性多层膜系(LH)s，而且工作波段也是膜系的反射，而且工作波段也是膜系的反射波段，只是膜层少，所以反射率控制在波段，只是膜层少，所以反射率控制在50。（与高反膜比较）（与高反膜比较）a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曲线膜系曲线膜系比比

29、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，最大反射率为型结构，最大反射率为50，中性特性比较好。，中性特性比较好。 介质膜胶合立方棱镜分束器（无引入像散）介质膜胶合立方棱镜分束器（无引入像散）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，单层膜反射率更低。，单层膜反射率更低。需用多层膜结构。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。最大色中性比较差。最大反射率为反射率为53设计第一步是使膜系在中心波长处的反射率约设计第一步是使膜系在中心波长处的反射率约50设计第二步改进结构，提高两端光谱的反射率。设计第二步改进结构，提高两端光谱

30、的反射率。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。先采用基本的三层膜先采用基本的三层膜结构使中心波长反射结构使中心波长反射率达到率达到50。增加膜层、改变膜增加膜层、改变膜厚度或周期性改善厚度或周期性改善色中性。色中性。偏振分束棱镜偏振分束棱镜偏振中性分束棱镜利用斜入射的偏振效应实现对光束的分束偏振中性分束棱镜利用斜入射的偏振效应实现对光束的分束,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。LGLHLHnntgnntg布儒斯特角入射：o布儒斯特角入射，反射光全是布儒斯特角入射，反射光全是s分分量，而折射光有量，而折射

31、光有S分量和分量和P分量。分量。原理介绍：原理介绍：S显然，只要在布儒斯特角入射，使膜层对于 分量100反射就能达到目的。问题就转化为设计在布儒斯特入射条件下的高反膜。根据问题就转化为设计在布儒斯特入射条件下的高反膜。根据高反膜的结构特点，可以采用高反膜的结构特点，可以采用(LH)m膜堆，当膜层足够多膜堆，当膜层足够多就可实现。就可实现。21212S/1sin/1mgHgHLmgHgHLHLsHLsRarc0中心波长反射率4用波长表示为=P光的反射率低于光的反射率低于S 光的反射率，偏振效应明显。光的反射率，偏振效应明显。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

32、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。只有对于自然光和园偏分束比与入射光的偏振态有光。只有对于自然光和园偏振光，分束比才振光，分束比才50/50.介质膜胶合立方棱镜分束器和偏振分束片：透射和反射光介质膜胶合立方棱镜分束器和偏振分束片：透射和反射光均有均有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，反射光光，反射光为为S光。光。金属膜中性分束片：金属膜中性分束片：金属膜的特点决定的。金属膜的特点决

33、定的。特点：特点： 色中性好，在很宽的光谱范围内都能实现以近似同样的色中性好，在很宽的光谱范围内都能实现以近似同样的 分束比工作。分束比工作。 入射光的偏振态对分束比的影响没有介质膜中性分束器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。敏感。 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。 使用时具有方向性。使用时具有方向性。金属材料的折射率是复数，即对通金属材料的折射率是复数，即对通过膜层的光存在吸收。这种吸收膜分光镜的透过率与入射过膜层的光存在吸收。这种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。光的方向无关，但反射率与入射光的方向有关。

34、从空气一从空气一侧入射具有较高的反射率。侧入射具有较高的反射率。正确正确不正确不正确退偏现象严重。由于金属薄膜对退偏现象严重。由于金属薄膜对P光和光和S光附加的相位不光附加的相位不同，会改变光的原偏振态。同，会改变光的原偏振态。使用膜层材料：使用膜层材料： 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。化学性能和机械性能）都能实现色中性分束。化学性能和机械性能都很好。都很好。 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，

35、一般仅用在端反射率下降，化学性能和机械性能都不好，一般仅用在立方胶合棱镜中。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、其它有铝、锗、铀等。锗、铀等。改善金属膜层的吸收损耗：改善金属膜层的吸收损耗：改善金属层和周围介质的匹配改善金属层和周围介质的匹配。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的硫化锌膜的硫化锌膜1）什么叫干涉截止滤光片：）什么叫干涉截止滤光片：利用多光束干涉原理，让某一波利用多光束干涉原理，让某一波长范围的光束高

36、透，而让偏离这一波长区域的光束变为高反长范围的光束高透，而让偏离这一波长区域的光束变为高反的光学膜片。的光学膜片。2）种类：）种类：u 长波通滤光片：让比某波长长的光束通过而滤掉比那波长长波通滤光片：让比某波长长的光束通过而滤掉比那波长短的光束。短的光束。u 短波通滤光片：让比某波长短的光束通过而滤掉比那波长短波通滤光片：让比某波长短的光束通过而滤掉比那波长长的光束。长的光束。u 带通滤光片：让某窄区段的波长光束通过而滤掉此区以外带通滤光片：让某窄区段的波长光束通过而滤掉此区以外的光束。的光束。截止滤光片截止滤光片1）作用和）作用和应用场合应用场合；2）种类及其特点）种类及其特点;3）常见膜层

37、特点。）常见膜层特点。干涉截止滤光片分类干涉截止滤光片分类带通滤光片带通滤光片短波通滤光片短波通滤光片长波通滤光片长波通滤光片3）指标：）指标： 透射曲线开始或者下降时的波长，以及上升或者下降的透射曲线开始或者下降时的波长，以及上升或者下降的许可斜率；许可斜率； 高透射带宽的光谱宽度、平均透过率以及在此透射带内高透射带宽的光谱宽度、平均透过率以及在此透射带内许可的最小透过率；许可的最小透过率； 反射带（或压制带）的光谱宽度以及在此范围内许可的反射带（或压制带）的光谱宽度以及在此范围内许可的最小透过率。最小透过率。膜层特性介绍膜层特性介绍干涉截止滤光片的基本膜系类型也是干涉截止滤光片的基本膜系类

38、型也是周期性多层膜系周期性多层膜系(LH)s。这类膜系的基本特征是一连串的高反带间隔以一。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。连串的高透带。高反高反短波通短波通长波通长波通所以，这类膜系：所以，这类膜系：1）并不能实现以某一波长为界，一侧高透，另一侧高反）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）。只是在某一有限的波段，实（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现以某一波长为界实现一侧高透，另一侧高反。一侧高透，另一侧高反。2）即使是同一种周期性的膜堆）即使是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

39、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，而滤光片是既）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。用它的反射带，又用它的透射带。既要关心它的反射特性，又要注意它的透射特性。既要关心它的反射特性，又要注意它的透射特性。,HssLHLsHHLHLHLHLH.LHL或HLHLH.LH可统称为2222（0.5pq0.5p）周期性膜系,即HHLL或2222这两种膜系的反射特性与相同。干涉截止滤光片的基本膜系是干涉截止滤光片的基本膜系是周期性多层膜系周期性多层膜系(LH)s。实际。实际使用时往往将该膜系的两侧各

40、加一使用时往往将该膜系的两侧各加一 /8膜层，即两种可能结膜层，即两种可能结构构:滤光片截止带的波长和带宽（即反射带的波长和带宽）已经滤光片截止带的波长和带宽（即反射带的波长和带宽）已经在介绍高反膜时介绍过了。在介绍高反膜时介绍过了。222sinsin 11HLHLHLnngarcarcnnnn0024222eegggg当用于滤波片时，透射带的波当用于滤波片时，透射带的波纹问题必须得到控制。纹问题必须得到控制。波纹产生的根源波纹产生的根源产生波纹的原因：产生波纹的原因：1）等效光学导纳失配）等效光学导纳失配(波纹的幅度波纹的幅度)(R1-R2 0)；2）等效位相厚度随波长变化。）等效位相厚度随

41、波长变化。为了了解透射带的波纹产生原因，先了解为了了解透射带的波纹产生原因，先了解对称膜等对称膜等效理论：任何对称的周期性多层膜都可以等效成单效理论：任何对称的周期性多层膜都可以等效成单层膜层膜。nsnFn0单层膜的特征矩阵单层膜的特征矩阵cossinsincos22211211iiMMMM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透射带的波纹问题。透射带的波纹问题。对膜系（对膜系（pqp）的特征矩阵）的特征矩阵也存在下列特征：也存在下列特征：1） 对于无吸

42、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。11211222cossinsincosMMiEMMiE等效折射率等效折射率等效相位厚等效相位厚对周期性的（对周期性的（pqp）膜系的）膜系的特征矩阵：特征矩阵：11211222cossinsincosSMMSiSEMMiESS对比单层膜特征矩阵，可得周期性的（对比单层膜特征矩阵，可得周期性的（pqp）膜系的等效折射）膜系的等效折射率和等效相位厚率和等效相位厚22222222coscos1arccos cossin,22pqqpqppqqpqpqqqqp

43、qpES 这 里干涉截止滤光片的基本膜系是干涉截止滤光片的基本膜系是周期性多层膜系周期性多层膜系(LH)s，该膜，该膜系不是对称膜系。如果将该膜系的两侧各加一系不是对称膜系。如果将该膜系的两侧各加一 /8膜层，即膜层，即两种可能结构两种可能结构:,HHLHLHLHLH.LHL或HLHLH.LH可统称为2222（0.5pq0.5p）周期性膜系。1） 这两种膜系与这两种膜系与(LH)S具有相同的高反带和高透带分布。但具有相同的高反带和高透带分布。但由于其结构的对称性，可用等效成单层膜理论进行分析。由于其结构的对称性，可用等效成单层膜理论进行分析。2） (0.5pq0.5p)膜系在整个反射带都不存在

44、等效膜层。这是由膜系在整个反射带都不存在等效膜层。这是由于按照等效成单层膜理论所求得的等效光学导纳为纯虚数。于按照等效成单层膜理论所求得的等效光学导纳为纯虚数。3） 在整个透射带可等效成一个具有确定的折射率在整个透射带可等效成一个具有确定的折射率E和相位厚和相位厚度度 的单层膜。的单层膜。在整个透射带，在整个透射带，透过率透过率在两个极值之间振荡：在两个极值之间振荡：22001200,ggggRR22E+E产生波纹的原因：产生波纹的原因：1）等效光学导纳失配）等效光学导纳失配(波纹的幅度波纹的幅度)(R1-R2 0)；2）等效位相厚度随波长变化。）等效位相厚度随波长变化。膜厚膜厚4的偶数倍，的

45、偶数倍，膜层变为虚设层膜层变为虚设层膜厚膜厚4的奇数倍的奇数倍压缩波纹的方法压缩波纹的方法22001200,ggggRR22E+E 选取适当的对称膜系，使得在透射带内的等效折射率等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于基质的折射率即使R1=R2，本质是选膜层材料，要求，本质是选膜层材料，要求基片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。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预期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。这种方法可值

46、。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。可见光可以，红外区损耗大。 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 ），使它与基质），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减反膜。以及入射介质匹配。插入层相当于多层膜界面的减反膜。EEg301,改进后的长波通滤光片改进后的长波通滤光片改进后的短波通滤光片改进后的短波通滤光片截止波长和截止带中心的透过率截止波长和截止带中心的透过率(了解了解)对周期性膜系对周期性膜系(0.5LH0.5L)S或或(0.5HL0.5H)S，由等效界面理论，由等效界面理论求特征矩阵求特征矩阵112112

47、22SMMMM其透过率公式为其透过率公式为*0004CBCBTg计算截止波长处透过率的关键：怎么从特征矩阵出发确定截计算截止波长处透过率的关键：怎么从特征矩阵出发确定截止波长？也就是说在截止波长处的特征矩阵有什么特征？止波长？也就是说在截止波长处的特征矩阵有什么特征？112112221SgMMBMMC cos1,sin0,0SSand Eor 视具体膜系组合而定视具体膜系组合而定计算截止带中心的透过率（了解）计算截止带中心的透过率（了解）在截止带中心，膜层在截止带中心，膜层可表示为：可表示为：2222sppppqpqpqqpqpqq根据根据4膜厚和膜厚和2膜厚的特征矩阵，总膜系的特征矩阵膜厚的

48、特征矩阵，总膜系的特征矩阵为：为：2122210000.0000212221ppppqqppqqppiiiiiiiiiiii12SSSSpqgpqqppqpSSSSpqpqgpqpqpiBCi 设计截止滤光片的步骤设计截止滤光片的步骤:1) 根据要求，决定选什么膜系结构；根据要求，决定选什么膜系结构；2) 选择膜层材料；选择膜层材料；3) 计算截止波长、截止带宽、通带；计算截止波长、截止带宽、通带；4) 计算通带的透过率以及截止和过渡特性；计算通带的透过率以及截止和过渡特性；5) 检验这些参数是否满足要求，并且进一部修改设计或得检验这些参数是否满足要求，并且进一部修改设计或得出适当的结论。出适

49、当的结论。20202016ppggSLHgSSTSHLLH足够大，有3）应用）应用彩色分光膜：将一束光分为不同颜色的几个部分。彩色分光膜：将一束光分为不同颜色的几个部分。两种彩色分光系统两种彩色分光系统关键：减少偏振效应。关键：减少偏振效应。方法：减小入射角方法：减小入射角(22.5 )。TTT应用应用：彩色电视、彩色印刷、彩色打印（复印）等。：彩色电视、彩色印刷、彩色打印（复印）等。反热镜和冷光镜反热镜和冷光镜反热镜反热镜又称反红外滤光片又称反红外滤光片: 透过可见光，透过可见光，滤去红外辐射，消除热效应。属短波通滤去红外辐射，消除热效应。属短波通滤光片。截止波长在滤光片。截止波长在0.7

50、m附近附近。硅酸盐吸热玻璃、磷酸盐吸热玻璃、光致变色玻璃等。硅酸盐吸热玻璃、磷酸盐吸热玻璃、光致变色玻璃等。介质膜系：光学性能好，但膜层多、工艺复杂，不实用。介质膜系：光学性能好，但膜层多、工艺复杂，不实用。金属膜：膜层大大减少。金属膜：膜层大大减少。TiO2|Ag|TiO2导电反射膜。导电反射膜。金属氧化膜薄膜：銦锡氧化物薄膜（金属氧化膜薄膜：銦锡氧化物薄膜（ITO）。）。关注点：关注点：透射光的色中性、色平衡。透射光的色中性、色平衡。制作（构成）：制作（构成）：吸热玻璃吸热玻璃 镀膜。镀膜。应用：应用：精密光学系统，如背投电视系统、数字投影仪器数精密光学系统，如背投电视系统、数字投影仪器数

51、码像机、码像机、CCD成像探测系统。用于抑制红外光热辐射的干成像探测系统。用于抑制红外光热辐射的干扰，提高光学质量。扰，提高光学质量。 典型的反热镜技术指标：典型的反热镜技术指标：近红外反射大于近红外反射大于95%（典型值（典型值97%）可见光透射大于可见光透射大于90%（典型值（典型值93%）冷光镜冷光镜：反射可见光，透过近红外，属于长波通滤光片。：反射可见光，透过近红外，属于长波通滤光片。太阳能电池滤紫外（免受紫外辐射）太阳能电池滤紫外（免受紫外辐射）CCD摄像系统的红外介质滤光片摄像系统的红外介质滤光片：隔离红外噪声，改善图：隔离红外噪声，改善图像的信噪比，提高成像质量。像的信噪比，提高

52、成像质量。带通滤光片：带通滤光片：在一定的波段内，只有中间一小段是高透过在一定的波段内，只有中间一小段是高透过率的通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。率的通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。主要参数主要参数： 中心波长（峰值波长）；中心波长（峰值波长）； 中心波长处的透过率；中心波长处的透过率； 通带宽度：透射率降为峰值透过率一半的波长宽度。通带宽度：透射率降为峰值透过率一半的波长宽度。两种典型结构：两种典型结构：1）由一长波通膜系和一短波通膜系的重叠带波段形成的通由一长波通膜系和一短波通膜系的重叠带波段形成的通带。其特点为较宽的截止带和较深的截止度，但不易得到窄带。其特点为较宽的截止

53、带和较深的截止度，但不易得到窄的通带宽度。的通带宽度。2）Fabry-perot（F-P）干涉仪式的滤光膜系。其特点为可得干涉仪式的滤光膜系。其特点为可得到很窄的通带宽度，但截止带也较窄，截止度也浅。到很窄的通带宽度，但截止带也较窄，截止度也浅。带通滤光片带通滤光片金属介质金属介质F-P滤光片滤光片金属层金属层介质层介质层结构：结构：两个金属反射膜夹一个薄膜介质层。薄两个金属反射膜夹一个薄膜介质层。薄膜介质层的厚度很薄，使得滤光片工作于较低膜介质层的厚度很薄，使得滤光片工作于较低的干涉级次（的干涉级次（4级级）。）。制作的精度要求远小于标准具的要求。制作的精度要求远小于标准具的要求。由平行平板

54、多光束干涉理论可得到该滤光片的由平行平板多光束干涉理论可得到该滤光片的通带宽度通带宽度0012221112arcsinarcsin,222RRR RmmRR干涉级数干涉级数:m透射峰位置：由等效相位厚为波长的整数倍决定。透射峰位置：由等效相位厚为波长的整数倍决定。02ndm介质折射率介质折射率特点：特点： 干涉级数越高，通带宽越窄（干涉级数越高，通带宽越窄（510nm）；）； 当级数大于当级数大于4时，膜层厚度就开始变得粗糙，影响了通带宽时，膜层厚度就开始变得粗糙，影响了通带宽继续变窄。继续变窄。 反射率越高，通带宽越窄。反射率越高，通带宽越窄。 反射膜的反射率越高，吸收、散射越大，则滤光片的

55、峰值透反射膜的反射率越高，吸收、散射越大，则滤光片的峰值透过率越低过率越低（3540）。 介质层两侧的膜层透过率不相等会导致滤光片通带透过率降介质层两侧的膜层透过率不相等会导致滤光片通带透过率降低。低。峰值透过率：峰值透过率：212max12max22,11T TTTTTTRR如果，则考虑到金属膜的吸收有：考虑到金属膜的吸收有：2max221111A TTTARTR，其中制备金属介质制备金属介质F-P滤光片：将金属膜蒸镀在冷的介质基滤光片：将金属膜蒸镀在冷的介质基片上。片上。 可见区或红外区：金属膜材料为银和冰晶石；可见区或红外区：金属膜材料为银和冰晶石； 紫外区：铝和氟化镁或冰晶石的组合。紫

56、外区：铝和氟化镁或冰晶石的组合。全介质全介质F-P滤光片滤光片结构：结构：将金属膜用介质膜取代。将金属膜用介质膜取代。特点：特点：与金属介质与金属介质F-P滤光片比较，滤光片比较， 吸收小，透过率大，效率高；吸收小，透过率大，效率高； 截止带窄，通带旁边容易出现另外透射峰。截止带窄，通带旁边容易出现另外透射峰。介质膜介质膜介质层介质层单半波型单半波型介质膜介质膜介质层介质层 /2整数倍整数倍多半波型多半波型介质膜介质膜介质层介质层 /2整数倍整数倍多半波型：多半波型： 改善通带光透过率；改善通带光透过率； 使通带光具有陡的光使通带光具有陡的光谱形状。谱形状。单半波型单半波型带宽的计算（如果介质

57、层两边反射膜对称）带宽的计算（如果介质层两边反射膜对称）012212241,2arcsin1RFmFRF越大，通带宽越窄；越大，通带宽越窄；级数级数m越大，越大，通带宽越窄。通带宽越窄。两种常见的膜系结构两种常见的膜系结构.;.H L HH LL HH L HH L HH L HH LH L H带宽可表示为带宽可表示为2102222arcsin,xLgxHnnxmn为多层反射膜高折射层的总数。控制短波通带的方法：在滤波片上加一长波通滤光片。控制短波通带的方法：在滤波片上加一长波通滤光片。控制长波通带的方法：在滤波片上加一诱导透射滤光片。控制长波通带的方法：在滤波片上加一诱导透射滤光片。（短波通

58、滤光片不易制作。）（短波通滤光片不易制作。）多半波型：多半波型： 改善通带光透过率；改善通带光透过率； 使通带光具有陡的光谱形状。使通带光具有陡的光谱形状。多半波型基本结构：反射膜多半波型基本结构：反射膜 半波层反射膜半波层反射膜 半波层半波层反射膜反射膜 半波层半波层两种设计方法（自学）：两种设计方法（自学）：1 1） 史密斯分析法；史密斯分析法；2 2） 泰伦分析法。泰伦分析法。诱导透射滤光片诱导透射滤光片22ndmndm对于透射峰波长对于透射峰波长F-P滤光片的介质层光学厚滤光片的介质层光学厚要控制长波通，要控制长波通，m最好为最好为1。一级金属介质一级金属介质F-PF-P滤光片可以控制长波旁通带，但峰值滤光片可以控制长波旁通带，但峰值透过率低或通带太宽。透过率低或通带太宽。诱导透射滤光片特点：诱导透射滤光片特点：1 1）高峰值透过率；）高峰值透过率；2 2）宽的截止带宽度。）宽的截止带宽度。但是，通带宽度不如但是，通带宽度不如F-P滤光片窄。滤光片窄。什么是诱导透射？什么是诱导透射？金属薄膜的光学特性：金属薄膜的光学特性：吸收吸收 反射反射 透射透射1）势透过率决定于金属膜的光学常数和出射介质的光学导纳，）势透过率决定于金属膜的光学常数和出射介质的光学导纳，而与入射介质无关；而与入射