薄膜光学课件

薄膜光学

学院：航天学院专业：光学工程授课教师：王治乐联系方式：86414807-732

wangzhile@§1引言§2数理基础§3光学薄膜的特性计算§4光学薄膜的普遍定理§5光学薄膜设计方法§6减反射膜（增透膜）§7反射膜的分析与设计§8分光膜分析与设计§9滤光片的分析与设计§10薄膜的应用薄膜光学授课提纲

§8分光膜分析与设计8.1基本概念与分类（1）概念分光膜：根据能量分布要求，把入射光分离成反射光和透射光两部分。（2）分类金属分光膜介质分光膜金属介质分光膜按膜料常见结构（2）性能指标a）光谱宽度b）分光比c）分光效率d）偏振度（3）理想中性分光膜具有以下特点：1）色散小，即反射率和透射率因波长不同引起的改变很小；2）反射率和透射率因入射角不同引起的改变很小；3）偏振小，S波和P波的反射率与透射率差异小；4）不存在吸收或吸收很小。8.2金属分光膜一般要求：吸收小，选择k/n值大的金属。金属分光膜特点：常用金属膜：金、银、铝、铬、镍铬合金等。①吸收损失较大，分光效率较低；②光谱范围宽；③反射率与入射光的方向有关（因膜层吸收）透射率与入射方向无关。⑵单层分光膜基片（）上镀厚高折射率膜（）可提高，降低。在中心波长附近一个相当宽范围内，随改变波长非常缓慢。处的反射率极大值为对P分量有：－入射角－膜系中折射角－基片中折射角对S分量有：对于，，，与曲线见下图。对于分光：可见光区介质膜折射率一般小于2.5，因此单层膜实现分光较困难。⑶多层介质膜对于平板玻璃常用分光膜系:

（a）（b）⑶多层介质膜波长520nm时膜系(b)略优于膜系(a)。消偏振充要条件：对偶数膜系对奇数膜系b)消偏振分光膜的实现（1）介质膜G|ABCBABCBABCBABCBA|GG|CBABABCBABCBABABC|Ga)概念与分类概念：将入射光中s分量与p分量进行分离的光学薄膜器件，称为偏振分光镜。8.5偏振分光膜分类：棱镜偏振分光镜平板偏振分光镜b)棱镜偏振分光镜在两种折射率不同的介质分界面上，入射角满足布鲁斯特角条件（）时，P－偏振光的，S－偏振光部分反射，部分透射。通过镀膜提高S光的反射率。典型的胶合棱镜偏振分光膜的光谱曲线应用：液晶投影系统。缺点：具有敏感角度特性。c)平板偏振分光镜原理：在平板上镀周期性反射膜系，s光与p光反射曲线分离。§1引言§2数理基础§3光学薄膜的特性计算§4光学薄膜的普遍定理§5光学薄膜设计方法§6减反射膜（增透膜）§7反射膜的分析与设计§8分光膜分析与设计§9滤光片的分析与设计§10薄膜的应用薄膜光学授课提纲

§9滤光片的分析与设计9.1基本概念定义：根据波长不同而进行分光的光学元件—滤光片分类：负滤光片(能从一段光谱中除去某一波带的滤光片)光谱特性截止滤光片带通滤光片常用特性指标：中心波长，截止带抑制深度和半宽度。自由光谱区截止带分类：根据工作原理薄膜干涉型吸收型吸收型应用广泛，由颜色玻璃、晶体、烧结多空明胶、无机和有机液体，以及吸收薄膜制成。吸收干涉组合型9.2截止滤光片①能使某一波长范围的光束高透射，而偏离之一波长的光束迅速的变高反射（或抑制）的光学元件。（1）基本概念A）定义②从某一特定波长为界，反射波段的光束，透射波段的光束，或者相反，前者称为短波通滤光片，后者称为长波通滤光片。

B）主要参数①截止区和透射区；②截止波长；③截止区平均透射率；④截止区中所允许的最大透射率；⑤透射区中平均透射率；⑥透射区中所允许的最小透射率；⑦陡度：表征滤光片从抑制区到透射区的过渡特性。表示透射率为处的波长值。（2）截止滤光片结构形式介质高反膜系

由于λ/4膜系反射曲线在通带存在明显波纹，影响透射性能，可在膜系两侧加（H/2）或（L/2）层，消除或压缩波纹。两种基本结构：短波通和长波通。短波通例：长波通例：

根据对称周期理论，可用一个等效单层膜表达，具有实数等效折射率的光谱区对应透射通带。由此可把多层膜的通带波纹压缩压缩问题简化为单层膜的通带波纹压缩压缩问题。（3）通带波纹压缩成因：对称周期结构等效为单层膜，其折射率为等效折射率，位相厚度为各基本周期之和。通常波纹的幅度大小由等效折射率与入射、基片的匹配程度决定；波纹的密度由周期数决定，因为周期数越多，位相厚度越大，高级干涉峰间距越小，波纹越密。波纹压缩的方法：①选择，的匹配；②改变基本周期内的膜层厚度；③采用非均匀层，或调整外层周期膜厚；通过改善基本膜系与环境的匹配，效果明显。④加入匹配层，使膜系与入射介质与基片匹配对次峰进行减反射处理，加匹配膜层（单层膜，双层膜或多层膜）（4）通带的展宽与压缩（4）通带的展宽与压缩A）通带压缩

当基本周期为（α1H,α2L)，α1+α2越大，反射带间隔越小，适当选择α1+α2值，可在任意两个波长之间产生反射峰，实现通带的压缩。（4）通带的展宽与压缩A）通带压缩

（4）通带的展宽与压缩B）通带展宽

当基本周期为（H,L)，则α1＝1，α2＝1时，反射带间隔最大。若需要更大的反射间隔，须采用多层膜，以ABCBA为例。C）截止带的展宽（1）吸收型元件与干涉型元件进行非相干叠加；（2）两个或多个干涉截止滤光片截止带衔接起来。（5）截止滤光片的应用（1）彩色分光膜（2）反热镜与冷光镜（3）倾斜使用a）截止带向短波移动b）存在偏振效应9.3带通滤光片（1）基本概念

a）定义：光谱特性曲线的透射带两侧邻接截止区的滤光片叫带通滤光片。b）分类根据光谱特性：窄带滤光片宽带滤光片根据构成：介质干涉滤光片金属滤光片（金属＋介质层组成）c）主要特性参数①中心波长；②

；③半宽度④波形系数⑤截止宽度；⑥截止深度；c）主要特性参数⑦—抑制率⑧—短波截止范围⑨—长波截止范围；⑩内平均透过率。（2）窄带滤光片的分析与设计①主要研究对象法布里－泊珞干涉滤光片（F-P）基本原理：多光束干涉滤光片用介质层取代间距的空气。F－P标准具有两块相同反射率，间隔为d的平行反射板组成。，，，为两反射膜的反射率与透射率；，为反射膜的反射相移；②性能分析间隔层的相位厚度。②性能分析a）中心波长：式中可见：通带半宽度决定于干涉级次和反射膜的反射率。反射率越高，干涉级次越高，半宽度越小，透射光的单色性越好。b）半宽度：d）吸收、散射对峰值透射率的影响。c）截止深度反射率越高，截止深度越小。（3）窄带滤光片技术实现a）金属－介质F－P干涉滤光片结构：在基片上镀一层金属反射膜，再镀一层介质间隔层，接着再镀一层金属反射膜。特点：工艺较简单，但金属膜对光的吸收较大，中心透射比较低，半宽度较大，一般。可见区和近红外区紫外区银冰晶石铝氧化镁或冰晶石b）全介质干涉滤光片结构：用多层介质反射膜代替金属反射膜特点：由于全介质多层反射膜的反射一带是一个有限范围，因此滤光片通带两侧，同时还存在着旁通带，在大多数应用中，必须将其抑制掉。为厚高、低折射率膜层为反射膜系中的周期数为基片是干涉级次膜系表示：c）多半波带通滤光片简单F－P滤光片的缺点：[1]滤光片的通带是三角形，透射能低，理想情况是矩形；[2]峰值透射率对于间隔层两侧反射膜系的吸收、散射损耗非常敏感，在膜层吸收一定时，压缩通带宽度是以降低峰值透射率为代价；[3]滤光片的背景抑制不深解决措施：多个滤光片串联。因此，难易制备出窄带宽、高透射、深背景抑制的滤光片。根据半波层数，称半波滤光片。半波滤光片，具有个透射率极大值。耦合层LLLLLF－PF－P