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文档简介

1、薄膜光学技术高劲松中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薄 膜 光 学薄 膜 光 学参考书光学薄膜技术,H.A.麦克劳德著,周九林、尹树百译,国防工业出版社1974 应用光学薄膜,唐晋发、郑权著,上海科学技术出版社,1984玻璃镀膜, H.K.普尔克尔著,仲永安等译,科学出版社,1988光学薄膜原理,林永昌、卢维强著,国防工业出版社1990薄膜科学与技术手册,田民波、刘德令,机械工业出版社,1991OPTICAL THIN FILMS USER HANDBOOK,JAMES D.RANCOUNT薄 膜 光 学基础理论你所知道的关于薄膜镀膜镜片滤光片、反射镜牛顿环类金刚石膜薄 膜 光 学前言 前

2、言- 人类生活在周围充满着光的世界里,光是一种人们无时无刻不遇到的自然现象。更为重要的是:光是信息的重要载体,研究光的本性及其传播规律的学科就是光学。 和光打交道,离不开光学薄膜, 薄膜光学是现代光学必不可少的基础技术,它是物理光学的一个重要分支。专项技术 另一方面,由于光学薄膜的制备过程与真空技术、表面物理、材料科学、等离子体技术等等密切相关,所以光学薄膜又可以称得上是一门综合学科 近年来,薄膜光学技术随着现代科学技术的发展而迅速发展,特别是计算机技术给薄膜理论分析带来巨大方便。薄 膜 光 学前言 前言 光学薄膜这门学科已成为现代光学不可缺少的一个重要组成部分,没有光学薄膜,许多现代光学装置

3、便无法发挥效能,失去作用,无论在提高或降低反射率、吸收率与透射率方面,在使光束分开或合并方面,或者在分色方面,在使光束偏振或检偏方面,以及在使某光谱带通过或阻滞方面,在调整位相方面等等,光学薄膜均起着至关重要的作用。 总之,薄膜在许多场合都扮演关键脚色。薄膜器件的轻巧灵便、稳定给它带来更广阔的应用 :窄带滤光片光栅单色仪什么是光学薄膜Optical coatings 一般来讲薄膜敷于光学玻璃、塑料、晶体等基底上;Optical thin films 通常意义的光学薄膜;Optical layers 光学薄膜的一个特点是分层结构;可以用三个常用的英文来形象的解释:薄 膜 光 学前言薄膜光学课程目

4、的了解光学薄膜的基础理论, 掌握简单的设计了解薄膜制作方法及相关工艺, 了解常用薄膜的性能指标及相关的检测方法 薄 膜 光 学前言薄膜光学课程目的对于今后有志于从事薄膜领域工作的同学起到一个抛砖引玉的作用对于从事其他学科研究、应用的同学起到一个了解光学薄膜、了解如何用光学薄膜、如何用好薄膜的作用薄 膜 光 学前言光学薄膜的发展历史 人类最早发现的五光十色的肥皂泡,水面上彩色斑烂的油膜,两玻璃片间的空气层中常呈现出色彩鲜艳的光环,所有这些现象早在十七世纪就引起了许多自然科学家的注意,他们各自部提出了一些初步解释,但均不令人满意 ,直到一百五十年以后,即1801年托马斯 杨干涉实验结果以及菲涅耳对

5、此进一步发扬光大以后,上述现象才彻底为人们弄清,物理光学的基础才从此建立起来今天我们可以说,整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉。 薄 膜 光 学前言光学薄膜的发展历史 夫琅和费早在1827年制成了可以说是第一批减反射膜,他将经过精细地抛光的平面玻璃一半放在浓硫酸或浓硝酸中腐蚀。将玻璃上的酸液清洗干净之后发现,经酸腐蚀的表面所反射的光强远低于另一半表面的反射光强,即酸经过的那部分玻璃表面失掉了某种成分,形成薄薄一层折射率比玻璃基底折射率低的失泽层,不过玻璃还未遭刻蚀,“因为其适时光仍和另一半表面一样(实际上更高),以致在透射光中仔细检查也不能找出它们的分界线来,”经过硫酸或硝酸的这种处理之后,有

6、些牌号的玻璃表面呈现美丽鲜艳的色彩;使光沿各种不同的角度入射,则色彩婉如肥皂泡一样变幻无穷。薄 膜 光 学前言光学薄膜的发展历史 1886年瑞利在英国皇家协会报告说:“失泽”的冕玻璃平板,其反射比刚抛光更低原因是玻璃形成了薄薄的一层膜。1891年丹尼斯.泰勒(Dennis Taylor)在它的文章中写到,在使用几年后的普通物镜的火石玻璃透镜上“失泽”现象是十分明显的。我们很高兴的是,能够使这种火石玻璃的拥有者放心,通常用怀疑眼光看待的这层使玻璃“失泽”的薄膜,却正是观测者的“挚友”,因为它增加了物镜的透射率。薄 膜 光 学前言 事实上,泰勒发展了一种用化学侵蚀产生“失泽”而制作化学减反膜的方法

7、。 目前制备光学应用的薄膜的主要方法是真空蒸发法和溅射法,后者在十九世纪中叶就发现了,而前者可追朔到二十世纪初。但在1930年以前,它们不能作为实用的镀膜方法,因为没有获得高真空的真正适用的抽气机,直到1930年出现了油扩散泵机械泵抽气系统以后,制造实用的真空镀膜机才成为可能。 光学薄膜的发展历史薄 膜 光 学前言 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,这种简单的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地应用。 折射率为152的玻璃敷有折射率为138的氟化镁薄膜后,单面的反射损失可从4.2%减少到15%左右,例如7块平板系统镀膜后,在参考波长上总的透射率可近似

8、地估计为: T(097)7807% 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25的透射能量光学薄膜的发展历史薄 膜 光 学前言 薄膜可分成两大部分,第一部分是光学薄膜,第二部分是光学波导及其相应器件,前者的特点是光横穿过薄膜而进行传播;后者的特征是光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播,对于光学薄膜,在一块基片上淀积五、六十层膜并非罕见,涂镀工艺是比较成熟的;而对光学波导,则膜层层数一般不多,通常仅用一层膜,其镀制工艺仍处在发展初期。本课程讲的是第一种情况。光学薄膜的发展历史薄 膜 光 学前言前言光学薄膜的应用 薄膜光学是物理光学的一个重要分支,它研究的对象是膜层

9、对光的反射、透射、吸收以及位相特性、偏振效应等,简而言之,它主要研究光在分层媒质中的传播规律性。薄 膜 光 学基础理论 光在通过分层媒质时,来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向产生光的干涉现象,人们正是利用这种干涉现象,通过改变材料及其厚度等特性来人为的控制光的干涉,根据需要来实现光能的重新分配。前言光学薄膜的应用薄 膜 光 学前言前言光学薄膜的应用光学薄膜在光学系统中的作用:提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。 实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片、 长波

10、通、短波通滤光片。实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等 薄 膜 光 学基础理论与镀膜技术密切相关的产业镀膜眼镜幕墙玻璃滤光片ITO膜车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片光通信领域:DWDM、光纤薄膜器件红外膜投影显示薄 膜 光 学前言前言光学薄膜的应用目前光学薄膜两个重要的应用领域:光通信:以DWDM(dense wavelengh division multiplexer)filter为代表的光无源器件信息显示技术:LCD、LCOS投影显示技术薄 膜 光 学前言光学薄膜在液晶投影显示中的应用薄 膜 光 学前言光学薄膜在液晶投影显示中的应用高效率的减反射膜与高反射膜冷光镜及红外、紫外截止滤光

11、片 偏振光转换用膜分色与合色光学薄膜 液晶投影显示系统中,几乎所有的典型的光学薄膜都得到了应用。-唐晋发薄 膜 光 学前言光学薄膜在光通信领域的应用以光通信中DWDM filter位代表的光学薄膜应用是目前光学薄膜技术最高水平的代表。光通信曾经给光学薄膜技术带来了前所未有的商机薄 膜 光 学前言DWDM filter 当前,光通信技术以超乎人们想象的速度在发展。在过去的10年中,光传输的容量提高了100倍,预计在未来的10年里还将提高100倍左右。波分复用技术,( wavelength division multiplexer简称WDM)的出现使光通信系统的容量几十倍、成百倍地增长,可以说,没

12、有波分复用技术也就没有现在蓬勃发展的光通信事业。传统的扩容方法采用ETDM(电时分复用)方式,由于受到种种制约,人们越来越倾向于光复用,光复用有两种技术,即光时分复用(OTDM)和光波分复用(OWDM)。由于电域没有波分的提法,故OWDM一般简称为WDM。 薄 膜 光 学前言DWDM filter 虽然,OTDM有许多的优点,但由于其关键技术(高重复率超短光脉冲源、超短光脉冲传输技术、时钟提取技术和时分解复用技术)比较复杂,更为重要的是实现这些技术的器件特别昂贵,而且制作和实现均很困难,所以这项技术迟迟没有得到很大的发展和应用。 WDM就是指从光域上用波长复用方式来改进传输效率,提高复用效率。

13、其突出优点为“能在一根光纤中同时传输不同波长的几个甚至成百上千个光载波信号,不仅能充分利用光纤的带宽资源,增加系统的传输容量,而且还能提高系统的经济效益。薄 膜 光 学前言以往WDM仅指1310/1550nm的简单复用,DWDM指1550nm波长区段内的密集复用,目前由于传输距离的要求和光放大器(EDFA)的使用,由于EDFA增益谱宽的原因,使得1310/1550nm的简单复用逐步被淘汰。当前,所谓的WDM已不再是以往意义上的简单复用,除非特别说明,WDM仅指1550nm波长区段内的密集复用。DWDM filter薄 膜 光 学前言filter薄 膜 光 学前言多信道点对点WDM系统WDM f

14、ilter 工作原理薄 膜 光 学前言JDS Uniphase等公司称之为Interleaver的示意图 100GHz的频率间隔通过两个分别频率间隔为目标间隔两倍的普通复用/解复用器的组合使用,一个专门配合偶数的频道数,一个专门配合奇数频道数。再配合一个可以将信号按奇偶分开的Interleaver,就可以实现50GHz的频率间隔。薄 膜 光 学前言DWDM filter 主要技术指标中心波长:1550nm;带宽4nm(100GHz)温漂:1pm/0C=0.1nm/ 1000C插入损耗:0.2db 透过率约为95%隔离度高薄 膜 光 学前言DWDM filter 制作部分参数层数大于100(Co

15、rning 3腔108层,100GHz)镀膜机口径1.1m,有用面积小于100mmAPS1104/DWDM;光控:OM3000工件旋转速度3000转/分薄 膜 光 学前言DWDM filter 制作关键技术的解决例如:解决无温漂、基板测温、低损耗基底材料、镀膜材料(k-4,T67%或1.87dB;k-5,T95%或0.2dB)温度监控:热像仪、激光测温工艺手段德国Leybold :APS源、电子枪日本Optorun:电子枪+离子辅助美国Ion-tech:离子束溅射薄 膜 光 学前言本学期课程安排光学薄膜的基础理论分析光学薄膜的几种有效方法几种典型膜系介绍成膜机理及工艺简介常用的薄膜材料特性薄

16、膜 光 学基础理论光学薄膜基础理论几个条件:工作波段:光学薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级薄膜的面积与波长相比可认为无限大薄膜材料各向均匀、同性薄膜材料为非铁磁性材料光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播薄 膜 光 学基础理论 Dr. Angus Macleod has over 200 publications in the field of optics including the book Thin Film Optical Filters. He is Professor Emeritus of Optical Sciences at the University of Arizona a

17、nd President of Thin Film Center Inc. For his work in education and research he was awarded the 1997 Esther Hoffman Beller medal of the Optical Society of America for outstanding contributions to the teaching of optics and the Gold Medal of the SPIE in 1987. He has taught courses in optical topics a

18、ll over the world to classes from one or two to over two hundred. He specializes in teaching techniques for understanding and logical thinking that avoid complicated theory without oversimplification薄 膜 光 学基础理论薄膜光学的基础理论电磁场的基本性质光学薄膜系统特性计算对称膜系等效折射率分析方法介绍麦克劳德的导纳轨迹图解技术薄 膜 光 学基础理论光学薄膜基础理论几个条件:工作波段:光学薄膜厚度

19、于考虑的波长在一个数量级薄膜的面积与波长相比可认为无限大薄膜材料各向均匀、同性薄膜材料为非铁磁性材料光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播薄 膜 光 学基础理论电磁波谱电磁波谱光是电磁波薄 膜 光 学基础理论薄膜的干涉两束光产生干涉的条件:频率相同振动方向一致位相相同或位相差恒定薄膜的双光束干涉 薄 膜 光 学基础理论薄 膜 光 学基础理论薄 膜 光 学基础理论薄 膜 光 学基础理论单层膜的多光束干涉 多光束干涉强度的计算原则上和双光束完全相同,也是先把振动迭加,再计算强度,差别仅在于参与干涉的光束由两束增加到多束,至于计算方法则以采用复振幅最为方便。薄 膜 光 学基础理论麦克斯韦方程组微分形式积

20、分形式以上是麦克斯韦在电学高斯定律、磁学高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培定律总结归纳出来的薄 膜 光 学基础理论E电场强度 j电流密度矢量D电位移矢量 jD位移电流矢量H磁场强度 电荷密度B磁感应强度 介电常数磁导率 电导率个向同性、均匀介质物质方程:D = E B = H j = E麦克斯韦方程组薄 膜 光 学基础理论0平面电磁波理论薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论c2/v2是一个介质固有的无量纲的常数,将c/v记作Nn称为折射率;k称为消光系数N称为复折射率;光学导纳薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论整理比较可得:在光学波段约为1 薄 膜 光 学

21、基础理论平面电磁波理论薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论E和H的关系薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论E和H的关系薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论 坡印廷矢量电磁波传播时,表示单位时间内通过单位面积的能矢量S,称为坡印廷矢量,或能流密度这表明电磁波坡印廷矢量和振幅平方及介质的光学导纳成正比。薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论单一界面的反射和折射E和H的边界条件薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论反射和折射定律薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论反射和折射定律 -菲涅尔折射定律它不仅适用于介质,同样适用于金属。薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论反射

22、和折射定律垂直入射的情况:E和H都与界面平行由于第二种介质中没有反射波:H1=Ht E1=Et 在第一种介质中有正方向和反方向两种波薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论反射和折射定律R可以是正数、也可以是负数(180度为相越变)薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论反射和折射定律对于倾斜入射:引进一个修正光纳 薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论布儒斯特角薄 膜 光 学基础理论当第二种材料是吸收材料时菲涅尔公式还是有效的:这时的透射率没有意义,反射率可以得到:薄 膜 光 学基础理论当光线入射到介质、金属表面时p-光、s光反射率随角度的变化情况薄 膜 光 学基础理论薄 膜 光 学基础理论薄 膜 光

23、 学基础理论电学的高斯定律对于任何闭合的假想面(叫高斯面),通过假想面的电场通量与该面所包围的净电荷之间的关系:薄 膜 光 学基础理论磁学的高斯定律对于任何闭合的假想面(叫高斯面),通过假想面的磁场通量为0:薄 膜 光 学基础理论法拉第电磁感应定律变化的磁场产生电场薄 膜 光 学基础理论安培定律电流与磁场的关系薄 膜 光 学基础理论位移电流具有与电流相同的量纲及特性复习:N=n-ik 复折射率薄 膜 光 学基础理论平面电磁波理论反射和折射定律 -菲涅尔折射定律它不仅适用于介质,同样适用于金属。复习:薄 膜 光 学基础理论光在两种材料交界面上的反射光能的反射率:振幅反射系数:薄 膜 光 学基础理

24、论布儒斯特角薄 膜 光 学基础理论 当第二介质是吸收介质,菲涅尔公式也是有效的,不同的只是这种介质的折射率N为复数:N=n-ik 由菲涅耳定律第二种介质为吸收时的情况薄 膜 光 学基础理论第二种介质为吸收时的情况薄 膜 光 学基础理论波长为546nm的光入射到金属Ag和Cu上的情形薄 膜 光 学基础理论 不管入射角如何,反射光的位相变化不再是00或1800而是它们中间的某一角度, 同时s分量和P分量之间有一个不为0的相对位相差, 因而当入射光为线偏振光在吸收介质上反射后通常成为椭圆偏振光, 正是基于这种认识,利用反射光的椭圆偏振测量就可确定吸收介质的光学常数。第二种介质为吸收时的情况薄 膜 光

25、 学基础理论本节主要内容: 单层膜反射率及其特征矩阵膜系的等效光纳及特征矩阵薄膜的反射、透射、吸收光学薄膜的透射定理光学薄膜系统特性计算薄 膜 光 学基础理论 单层膜的反射在膜层内b界面上:薄 膜 光 学基础理论 单层膜的反射薄 膜 光 学基础理论 单层膜的反射在膜层内E和H在边界a上的值为: 薄 膜 光 学基础理论 单层膜的反射在入射介质中看a界面上:薄 膜 光 学基础理论 单层膜的反射上述结果用矩阵表示:在知道界面a处Ea和Ha后,利用上堂课的方法可求出反射率,仿造导纳的定义公式,定义膜系的导纳Y为:这时的问题就可以当作求光纳为 的入射媒质和光纳为Y膜系之间单一界面的问题。薄 膜 光 学基

26、础理论 单层膜的特征矩阵由公式:薄 膜 光 学基础理论 单层膜的反射单层膜的反射率为: 这样就把单层膜的问题等效成了单一界面的问题,而不是用多次干涉的方法。薄 膜 光 学基础理论 /2和/4的光学厚度薄膜的特征矩:当单层膜光学厚度为/2和/4的整数倍薄 膜 光 学基础理论 /2和/4的光学厚度这时的情况虽不象n为偶数时那么简单,但是计算还是方便的。如果基片或膜系具有等效光纳Y,在其上镀一层厚度为/4奇数倍,特征光纳 的薄膜后,膜系的等效光纳变为2/Y。由于/2和/4的光学厚度的膜层组成的膜系比较简单,所以膜系设计常常用指定波长1/4的倍数来表示,一般只用两种或三种不同的膜料构造膜系, /4光学

27、厚度的常用缩写符号是H、M、L分别表示高、中、低折射率。薄 膜 光 学基础理论 /2和/4的光学厚度当膜层的光学厚度为/2时当膜层的光学厚度为/4时薄 膜 光 学基础理论单层膜的反射薄 膜 光 学基础理论 多层膜的反射假设在前面讨论的单层膜上再加上一层膜,如图这时与基底相连的界面为c,则紧贴基底的膜层的特征矩阵:薄 膜 光 学基础理论 多层膜的反射容易得到:称为该双层膜系的特征矩阵,Y=C/B则反射率为:薄 膜 光 学基础理论 多层膜的反射将这一结果推广到多层膜:薄膜的特征矩阵的行列式等于1薄 膜 光 学基础理论 多层膜的反射、透射、吸收应该说在上面的方程中已经包含了足够的数据,不仅能够计算膜

28、系的反射率、也可以计算透射率和吸收。为了使计算有意义,我们要求入射媒质、基片都是透明的。由坡印廷矢量的平均值公式:薄 膜 光 学基础理论 多层膜的反射、透射、吸收如果在最末一个界面的电矢量振幅为Ek,则基片中的坡印廷矢量为:如果膜系的特征矩阵为:那么在入射界面坡印廷矢量为:假定入射能流Si,以上公式代表实际进入膜系的能流,即(1-R)Si薄 膜 光 学基础理论 多层膜的反射、透射、吸收所以:薄 膜 光 学基础理论 多层膜的反射、透射、吸收透射率公式还可以有如下形式:吸收率A:薄 膜 光 学基础理论 多层膜的反射、透射、吸收可以证明当每一层的吸收都为0时,整个膜系的吸收A=0,因为薄膜特征矩阵的

29、行列式为1并且任意多的矩阵乘积的行列式也等于1,于是特征矩阵可写成:薄 膜 光 学基础理论膜系的透射定理 无论膜层是否有吸收,膜系的透射率与光的传播方向无关。薄 膜 光 学基础理论 膜系的透射定理我们将膜系一侧的介质记为0另一侧记为n+1,其中0紧贴第一层膜。在第一中方向时,膜系特征矩阵:薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 膜系的透射定理 由此可见根据膜系的透射定理,薄膜的透射率从两个方向看时是一样的,所以不可能用薄膜的办法制作单向透光的元件,而反射率、吸收率可一是不同的,人们根据这个原理来制作有些特殊用途的玻璃。薄 膜 光 学基础理论小结对于多层膜:薄 膜 光 学基

30、础理论小结反射率透射率吸收率 反射相移薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所复习:对于多层膜薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所反射率透射率吸收率 反射相移薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 膜系的透射定理膜系的透射定理: 薄膜的透射率与光线的入射方向无关,所以不可能用薄膜的办法制作单向透光的元件,而反射率、吸收率可是不同的。薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所本此课的主要内容光学薄膜在倾斜入射时的表现考虑到基片背面反射时的情况对称膜系的等效折射率矢量法麦克劳德纳图解法简介用麦克劳德纳图解法解释单、

31、双层增透膜薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所当光线倾斜入射到薄膜上的情况考虑薄膜的特征矩阵以及其中的参数:入射角的变化将影响等效导纳和膜层的光学厚度薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所对膜层光学厚度的影响导致波长漂移薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所当光线倾斜入射到薄膜上的情况由于对P光和S光等效导纳的影响不一致,导致倾斜入射偏振分离薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所对膜层光学厚度的影响导致波长漂移薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所考虑到基片背面反射的情况在厚基片下,

32、考虑到背面的反射:薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所对于红外高折射率材料Si、Ge等尤其要考虑基片中多次反射的非相干叠加考虑到基片背面反射的情况薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对称膜系的等效折射率对于单层膜我们可以用一个矩阵M单来表示,对于一个多层膜可以用一组矩阵的乘积来表示:M多=M1M2M3Mn,一般来讲M多中的每一层都是无吸收介质时,矩阵M多中m11和m22为纯实数,m12和m21为纯虚数,并且,行列式值为1,但是一般情况下m11和m22并不相等,这一点与单层膜的性质是不同的,所以在数学上就不能等同于一个单层膜。薄 膜 光 学基础理

33、论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对于以中间一层为中心,两边对称安置的多层膜,却具有单层膜特征矩阵的所有特点,在数学上存在着一个等效层,这为等效折射率理论奠定了基础。 下面我们就以最简单的对称膜系(pqp)为例说明对称膜系在数学上存在一个等效折射率的概念。这个称膜系的特征矩阵为: 对称膜系的等效折射率薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对称膜系的等效折射率做矩阵的乘法运算得: 正是由于第四个关系式成立才使我们有可能引入等效折射率的概念薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 由于对称膜系的待征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的性质,可以假定以

34、相似的形式来表示: 对称膜系的等效折射率因此它可以用一层特殊的等效单层膜来描写, 这层等效膜的折射率E(等效折射率)和位相厚度 (等效位相厚度) 可以由下面方程求得:薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对称膜系的等效折射率所以有:薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对称膜系的等效折射率从M=pqp可以推广到任意多层的对称膜系在数学上都可以用一个单层膜的特征矩阵所表示。例如:M=h(u(v(pqp)v)u)h另:最常用的周期膜系如:M=HLHLHLHLHLH一方面表示为:M=H(L(H(L(H)L)H)L)H另一方面可以表示为:M=H/2(H/

35、2LH/2)5H/2的形式H/2LH/2是一个对称单元薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所L/2HL/2等效折射率H/2LH/2 对称膜系的等效折射率g相对波数薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对称膜系的等效折射率对于某些波长范围M11的绝对值大于1薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对称膜系的等效折射率对于M11的绝对值小于1的情况: 上式表示一个周期性对称膜系在它的透射带中仍然存在有一个等效折射率,它和基本周期对称组合等效折射率E完全相同,并且它的等效位相厚度等于基本周期的等效位相厚度s倍薄 膜 光 学基础理论中

36、国科学院长春光学精密机械与物理研究所 当对称膜系中各分层的厚度很小时(例如不超过10nm),等效折射率E几乎是一常数,它介于Np和Nq之间,取决于分层厚度的比值,同时位相厚度和对称膜系实际的总的位相厚度成比例,在大多数情况下其比例常数接近于1。 因此这种基本周期的厚度很小的周期性对称膜系非常类似于色散很小的单层均匀薄膜,可以用来替换那些折射率无法实现的膜层, 它在减反膜的设计中,得到了实际应用。 对称膜系的等效折射率薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所矢量法 利用组合导纳的递推法或短阵法计算膜系的反射率虽然比较严格和精确,计算却较为复杂, 其工作量也较大。 对于层数较少

37、的减反射膜可以用矢量法作近似计算和设计,这种方法有两个前提:膜层没有吸收;在确定多层膜的特性时只考虑入射波在每 个界面的单次反射;薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所矢量法如果忽略膜层内的多次反射,则合成的振幅反射系数由每一界面的反射系数的矢量和确定。每个界面的反射系数都联带着一个特定的相位滞后,它对应于光波从入射表面进至该界面又回到入射表面的过程薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所矢量法如果膜层没有吸收那么各个界面的振幅反射系数为实数各层薄膜的位相厚度为:薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所矢量法 矢量法的计算步骤是首先

38、计算各个界面的振幅反射系数和各层膜的位相厚度,把各个矢量按比例地画在同 一张极坐标图上,然后按三角形法则求合矢量 求得的合矢量的模即为膜系的振幅反射系数,幅角就是反射光的位相变化而能量反射率是振幅反射系数的平方。 若在所考虑的整个波段内,忽略膜的色散,则对于所有波长振幅反射系数r1,r2、r3和r4均相同。薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所矢量法 为了避免在作矢量图时方向混乱,我们可以规定: 1 矢量的模r1, r2, r3, r4,正值为指向坐标原点负值为离开原点 2 矢量之间的夹角仅决定于膜层的光学厚度和所考察的波长(即决定于膜层的位相厚度)按逆时针方向旋转。界面

39、上的位相跃变已经包含在振幅反射系数的符号中,不必另作考虑。薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所矢量法举例:3层膜N0=1 N1=1.38 N2=1.9 N3=1.65 N4=1.52各层的光学厚度:N1d1=/4 N2d2=/2 N3d3=/4 0=520nm,我们分别计算400nm 520nm 650nm处的反射率反射系数分别为:不同波长的夹角:薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所矢量法R400nm=0.81%R520nm=0.09%R650nm=0.49%薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所麦克劳得导纳图解技术简介 如

40、果从基片开始通过每一层膜直到多层膜的前表面,把 平行于基片的任意平面处的光学导纳画在一复平面上则描述了整个生长过程中多层膜导纳的变化轨迹。对于每一层介质膜,导纳轨迹是圆心位于实轴上的园或圆弧。薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1/2厚 度单层MgF2在K9玻璃上的导纳轨迹麦克劳得导纳图解技术简介薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所麦克劳得导纳图解技术简介HLH导纳轨迹薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所双层增透膜的导纳轨迹麦克劳得导纳图解技术简介H:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)HLH1LH:Y2O3(1.

41、79)L:SiO2(1.46)薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所非规整双层层增透膜麦克劳得导纳图解技术简介膜系:Air L/2H/10 SubH:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所返回对于底折射率的基底材料,如K9 n=1.516Ra=Rb=4.2% 双面R=8.06%,和Ra+Rb=8.4%相差无几如果基底材料是高折射率材料,情况就不同了,如锗(Ge) n=4 Ra=Rb=36%,双面R=52.9%,和Ra+Rb=72% 比较差距较大薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所前一

42、次课的主要内容光学薄膜在倾斜入射时的表现考虑到基片背面反射时的情况对称膜系的等效折射率矢量法麦克劳德纳图解法简介用麦克劳德纳图解法解释单、双层增透膜薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所典型膜系介绍增透膜分光膜反射膜滤光片特殊膜系薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所一. 增透膜(减反射膜) 我们都知道当光线从折射率为n0的介质射入折射率为n1的另一介质时在两介质的分界面上就会产生光的反射, 如果介质没有吸收,分界面是一光学表面,光线又是垂直入射,则反射率R为:透过率损失,像的亮度降低,影响作用距离等;杂光影响,像的反衬度降低;薄 膜 光 学典型膜系

43、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 目前已有很多不同类型的增透膜可供利用,以满足技术光学领域的极大部分需要。可是复杂的光学系统和激光光学,对减反射性能往往有特殊严格的要求。例如,大功率激光系统要求某些元件有极低的表面反射,以避免敏感元件受到不需要的反射的破坏,并且对于薄膜往往有激光阈值的要求。此外,宽带增透膜可以提高象质量、色平衡和作用距离,而使系统的全部性能增强,因此,生产实际的需要促使了减反射膜的不断发展。 设计减反膜并没有完整的系统的方法,简捷的途径是用矢量法,并通过试行法得到较满意的结构,然后进行数值计算作精确校核,以消除矢量法所固有的近似影响。一.减反射膜(增透膜)薄 膜 光 学

44、基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所矢量法 对于层数较少的减反射膜可以用矢量法作近似计算和设计,这种方法有两个前提:膜层没有吸收;在确定多层膜的特性时只考虑入射波在每 个界面的单次反射;薄 膜 光 学基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所矢量法 为了避免在作矢量图时方向混乱,我们可以规定: 1 矢量的模r1, r2, r3, r4,正值为指向坐标原点负值为离开原点 2 矢量之间的夹角仅决定于膜层的光学厚度和所考察的波长(即决定于膜层的位相厚度)按逆时针方向旋转。界面上的位相跃变已经包含在振幅反射系数的符号中,不必另作考虑。薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理

45、研究所1.1 单层增透膜单层增透膜是减少界面反射的最简单途径,如右图用矢量法分析:从矢量图上可以看到,合振幅矢量r随着r1和2之间的夹角2而变化合矢量端点的轨迹为一园周。 当膜层的光学厚度为某一波长的四分之一时,则两个矢量的方向完全相反。薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.1 单层增透膜矢量法用来分析单层薄膜情况:可见当厚度为某一波长1/4,并且r1=r2时剩余反射为零:薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.1 单层增透膜运用矩阵法分析1/4波长厚度时的情况:薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.1 单层增透膜1.

46、1 单层增透膜 对于激光工作物质材料表面则n12=n0n2不再是单层膜的零反射率和最小反射率的条件了。薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.1 单层增透膜 单层增透膜的出现,在历史上是一个重大的进展,直至今天仍广泛地用来满足一些简单的用途。但是它存在着两个主要的缺陷,首光对大多数应用来说剩余反射还显得太高,此外,从未镀膜表面反射的光线,在色彩上仍保持中性而从镀膜表面反射的光线就不然,破坏了色的平衔其结果是不可能作出良好的色彩还原,作为变焦距镜头超广角镜头,大相对孔径等新型透镜系统中的镀层,那更是不能符合要求。 有两个途径可以提高增透效果:采用变折射率的所谓非均匀膜,它

47、的折射率随着厚度的增加呈连续的变化;采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜;薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.2 双层增透膜 对于单层氟化镁膜来说冕牌玻璃的折射率是太低了。为此,我们可以在玻璃基片上先镀一层1/4波长厚的、折射率为n2的薄膜,这时对于来说薄膜和基片组合的系统可以用一折射率为Y=N23/n3的假想基片来等价。显然,当n2n3时,有Yn3也就是说,在玻璃基片上先镀一层高折射率的04波长厚的膜层后,基片的折射率好象从n3提高到Y=N23/n3 ,然后镀上04波长厚的氟化镁膜层就能起到更好的增透效果。 构成04- 04型增透膜,若使中心波长的反射率为零

48、,应满足:薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.2 双层增透膜 当折射率完全满足以上关系的材料不能找到时,可以通过厚度的调整来达到,如图所示,n0、n3分别为入射介质和基片的折射率,n1和n2为折射率己确定的低折射率和高折射率材料的膜层,1、2便是待定的膜层位相厚度,用矢量法进行分析:薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.2 双层增透膜只有当矢量r1、r2和r3组成封闭三角形才能使合矢量为零。因此只须以矢量r1的始点和终点为圆心,分别以r3和r2为半径作两个园,两个园的交点就是满足合矢量为零条件的矢量r2和r3头尾相接的点,然后从矢量图上即可

49、量得21、22的值。显然,图示的两种方式,都能使三角形封闭。解(b)的膜层总厚度比解(a)的小,它对波长的敏感性也较小,所以通常取此解。用矢量法求出双层增透膜的各层厚度红线:1.38H 0.61L兰线:0.31H 2.77L NH=1.7 NL=1.461.2 双层增透膜薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 上面讨论的04- 04 结构的V形膜只能在较窄的光谱范围内有效地减反射,因此仅适宜于工作波段窄的系统中应用厚度为04- 02型的双层增透膜,在中心波长0两侧, 可望有两个反射率极小值,反射率曲线呈W型,所以也有把这种双层增膜称作为W型膜的对于中心波长膜层和基片组合的

50、特征矩阵为1.2 双层增透膜薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.2 双层增透膜显然,在中心波长处的反射率与单层膜相同。 薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.2 双层增透膜薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1.2 三层增透膜 双层增透膜的减反射性能比单层增透膜要优越得,但它并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点(1)剩余反射高;(2)带宽小。为了克服以上的缺点人们设计出了三层以及多层增透膜。对于04- 04 型的增透膜在中心波长处增透效果好但是带宽较小, 04- 02型的增透膜在一定程度上展宽了带宽但是总体的减反射

51、效果不理想,人们想到将它们结合起来,设计出0/4-0/2-0/4-0型增透膜,不仅提高了增透效果,而且展宽了带宽。 总之,人们可以通过调整层数、厚度、材料来不断的优化设计,由于实际工作中04的整数倍厚度容易控制,人们把全部由04整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系,反之为非规整膜系。薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所G.25453I .06773H .0459I .10938L .05389H .08113L .21788F Air I:1.7 H:2.3 L:1.46 F:1.38 薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薄 膜 光 学典型膜系中国科

52、学院长春光学精密机械与物理研究所高折射率基底材料的的减反射膜 在可见区应用的大多数光学玻璃,通常在波长大于3微米以后就不再透明因此,在红外区经常采用某些特种玻璃和晶体材料特别是半导体材料。半导体有很高的折射率,例如硅约为3.4而锗大约是4。 这些半导体基片若不镀增透膜,就不可能广泛地使用这个问题不同于可见区,在可见区,其目的是将大约4%的反射损失减小到千分之几,而在红外区,则是将30%左右的反射损失减小为百分之几。一般说在红外区百分之几的损失是允许的,因而低折射率基片通常很少镀减反膜。红外材料镀膜从原理上讲同可见是一致的,只不过材料的选择余地较小。减反射膜的一个特殊应用光学镀层应用于太阳能利用

53、方面 太阳能利用有光热转换、光热电转换和光电直接转换三种主要形式。前两种形式都要有一个选择性的吸收表面,。使之对太阳损射有最高的吸收而热辐射损失又最久以便有效地利用太阳能这一点利用光学镀层是容易实现的。如图表示入射在地球表面上的太阳光的光谱分布以及黑体在不同温度下辐射光谱。从图上可以清控地看到达两个光谱之问存在着间隔, 对于500K以下的黑体温度两者的边界波长大约在2.5微米左右。由于存在着这个间隔,就能做成这样的表面,既能有效地吸收太阳光而又不会在工作温度下把吸收的能量再发射出去。减反射膜的一个特殊应用光学镀层应用于太阳能利用方面 需要这样的选择性吸收体:在2.5微米以下波长区域有最高的吸收

54、率,但是对于长波长有低的发射率。 于是放置在太阳光中的选择性吸收体将达到比一般的黑体表面更高的温度。 由于热能在高温比低温更宝贵(这一点是很重要的),在红外区有高反射的金属上沉积一薄的半导体层和一简单的减反射膜组成的系统能满足这个要求,半导体层增加了太阳辐射的吸收 率,但它对于红外区是透明抵所以保持了红外区有高的反射率也即低的红外发射率,但由于半导体折射率较高,表面有可观的反射损率,因此可以用减反膜来消除反射。减反射膜的一个特殊应用光学镀层应用于太阳能利用方面减反射膜的一个特殊应用光学镀层应用于太阳能利用方面薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所使用增透膜的几个注意事项使

55、用的波长范围,单点还是宽光谱或一段光谱带一点;例如可见区(420nm-700nm),或红外(3700nm-4800nm),或可见区加1064nm等;剩余反射率指标;(平均或最大剩余反射率)使用角度或角度范围;使用环境;(有无三防要求等)有无激光阈值要求;薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所分光膜 一般讲分光膜可以分为分束膜和分色膜,后者是按颜色(波长)不同进行分光,本节主要讲分束膜,它把一束光分按比例成光谱成分相同的两束光, 也即它在一定的波长区域内,如可见区内,对各波长具有相同的透射率、反射率比例,因而反射光和透射光不具有颜色,并呈中 性。分光镜通常总是倾斜使用的,它

56、能把入射光分离成反射光和透射光两部分,对于不同的用途分光镜往往有不同的透射率和反射率比TR。分光板的两种使用方式薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所分束镜又可以按使用方式分为平板和棱镜分光两种正确错误棱镜分光1.NPBSNon-polarising beam splitter2.PBSpolarising beam splitter薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所金属分光镜金属分光镜是最常用的分光镜Ag膜:吸收小、中性差、稳定性差 在一般场合下要求分光膜的吸收小,因而在用金属作为分光

57、膜时应选择kn值大一些的材料在可见区,银是吸收最小的一种金属膜,但中性稍差,在光谱的蓝色端反射率下降,而且银的机械强度和化学稳定性都不好,一般只在胶合棱镜中使用;Al膜和Cr也经常用作分光膜;Al膜也存在中性和牢固度的问题Cr膜的中性较好,一般在可见区的长波段比短波端透射高。镍铬合金(80Ni-20Cr)在较宽的光谱范围内中性较好。薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所金属分光镜薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所11nm金属铬(Cr)在正反两个方向入射时的反射率中国科学院长春光学精密机械

58、与物理研究所薄 膜 光 学典型膜系金属中性分光G/11nm Cr膜/AirG/53nmZnS/11nm Cr膜/Air 薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所金属分光镜金属分光镜的优缺点优点:中性好,光谱范围宽、偏振效应小、制作简单缺点:吸收大、激光阈值低使用注意事项:光的入射方向薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所介质分光膜 在某些情况下,不允许分光膜有明显的吸收,这时就必须使用全介质分光膜,其实一层高折射率材料就可以构成简单的分光膜。在透明基片ng上镀上一层1/4波长的高折射率的介质薄膜(n1)就能增加反射率,减小透射率,在中心波长附近一个相当

59、宽的波长范围内这种膜的反射率随被长改变得非常缓慢中心波长处的反射率为一极大值,可由下式计算:薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所04厚单层薄膜材料在K9基片反射率随折射率的变化情况薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所介质分光膜 一般讲可见区透明材料的折射率都在2.5以下,要实现50%的反射,即使是单点也很难实现,而且单层膜的有效宽度不够,所以经常使用的是多层介质膜。H(LH)n是反射膜系,当层数不多时反射率不高,同时又有一定的透射率,加以适当的修正使得在某一区域内有较好的中性,就可以成为一种分光膜。单层ZnS膜与五层G/2LHLHL/Air结构膜

60、系光谱比较G-K9 ; L-MgF2 ; H-ZnS薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所平板分光膜的偏振分离情况薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所棱镜分光膜的偏振分离情况薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所介质分光膜介质分光膜的特点优点:吸收小,几乎可以忽略缺点:光谱范围窄、偏振分离明显、角度效应明显薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所复习:薄 膜 光 学典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所介质分光镜于金属分光镜的比较 中性 角

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