光学薄膜-范正修课件

范正修

2006年10月26日光学薄膜及其应用1范正修2006年10月26日光学薄膜及其应用1主要内容薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用光学薄膜的激光损伤2主要内容薄膜概况2主要内容光学薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏3主要内容光学薄膜概况3薄膜概况研究领域薄膜物理薄膜化学薄膜材料薄膜力学应用领域光学薄膜电学薄膜半导体薄膜磁性薄膜生物薄膜4薄膜概况研究领域4薄膜光学形成发展历史17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（RobertBoyleandRobertHooke）1801ThomasYong引入光波干涉原理1816Fresnel发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论1817Fraunhofer制成了第一块减反薄膜1873Maxwell提出了Maxwell方程（ATreatiseonElectricityandMagnetism）5薄膜光学形成发展历史17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Ro1886Rayleigh证实了Fresnel反射定律1899Fabry-Perot干涉仪1932Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部反射1934Bauer用卤化物制备了减反薄膜1934Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜1939Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片61886Rayleigh证实了Fresnel反射定律6光学薄膜概况薄膜特点干涉原理，相干相长与相干相消重要性“有光就有膜”涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，光学系统，大型激光装置等面临问题涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉积技术少，沉积过程控制水平不高等；7光学薄膜概况薄膜特点7主要内容薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏8主要内容薄膜概况8光学薄膜一般性质理想光学薄膜光学薄膜吸收及散射折射率不均匀性和折射率渐变薄膜薄膜的各向异性和双折射薄膜薄膜的偏振和消偏振特性9光学薄膜一般性质理想光学薄膜9薄膜的相位及位相薄膜等效折射率、等效导纳和等效界面薄膜的色散及色散补偿薄膜的应力及应力控制10薄膜的相位及位相薄膜10理想光学薄膜光学薄膜改变光束切向方向－薄膜波导改变光束法向方向－光学薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜薄膜波导11理想光学薄膜光学薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜理想光学薄膜薄膜光性计算方法等效界面法矩阵法等效界面法12理想光学薄膜薄膜光性计算方法等效界面法12矩阵法＝界面的透射及反射系数：第一个界面处的电场关系：薄膜内部的电场关系：薄膜内部电场方向符号表示13矩阵法＝界面的透射及反射系数：第一个界面处的电场关系：薄膜内依次类推：=矩阵法设：,则可以得到：14依次类推：=矩阵法设：,则可以得到：14光学薄膜吸收材料吸收共振吸收单光子吸收自由电子吸收杂质吸收色心吸收声子吸收多光子吸收15光学薄膜吸收材料吸收15光学薄膜吸收折射率由实数变为复数：折射角由实数变为复数：等效导纳由实数变为复数；反射系数和透射系数…..膜层厚度引起的位相差…..16光学薄膜吸收折射率由实数变为复数：16光学薄膜吸收反射系数透射系数17光学薄膜吸收反射系数17势透过率与薄膜吸收损耗势透过率反射率透射率吸收率18势透过率与薄膜吸收损耗势透过率18光学薄膜的散射光学薄膜的表面散射光学薄膜的体散射19光学薄膜的散射光学薄膜的表面散射19光学薄膜的表面散射表面统计参量均方根粗糙度（RMS）相关长度高度分布函数自协方差函数（ACF）表面散射处理方法标量理论－散射总损耗问题矢量理论－研究散射的角分布20光学薄膜的表面散射表面统计参量20光学薄膜的表面散射散射引起界面反射及透射系数变化21光学薄膜的表面散射散射引起界面反射及透射系数变化21光学薄膜的体散射体散射的贡献与薄膜的吸收类似存在散射薄膜的位相厚度界面起伏引起的厚度变化体散射等效的吸收22光学薄膜的体散射体散射的贡献与薄膜的吸收类似界面起伏引起的厚多层膜散射特性理想多层薄膜上述参数利用散射薄膜的相应值替换23多层膜散射特性理想多层薄膜上述参数利用散射薄膜的相应值替换2光学薄膜的分层界面散射模型24光学薄膜的分层界面散射模型24不同RMS粗糙度条件下玻璃基片的Rs和TIS变化曲线计算实例25不同RMS粗糙度条件下玻璃基片的Rs和TIS变化曲线计算实例梯度折射率薄膜光学薄膜通常具有折射率渐变性质利用折射率渐变设计并制备新型薄膜26梯度折射率薄膜光学薄膜通常具有折射率渐变性质26梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜内电磁场传输由解微分方程可得到电磁波在非均匀介质中的传输状况，但是解微分方程的方法主要决定于折射率渐变的函数，只有在某些情况下才能精确解。

27梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜内电磁场传输由解微分方程可得到电梯度折射率薄膜设计方法薄膜特征矩阵法傅立叶合成法计算机辅助设计28梯度折射率薄膜设计方法薄膜特征矩阵法28梯度折射率膜的应用

利用GLAD技术制备的宽带增透薄膜29梯度折射率膜的应用利用GLAD技术制备的宽带增透薄膜梯度折射率膜的应用Rugate小波函数折射率曲线及光谱特性30梯度折射率膜的应用Rugate小波函数折射率曲线及光谱特性3梯度折射率膜的应用红色滤光片折射率随厚度变化图和0°入射时膜层透过率曲线图31梯度折射率膜的应用红色滤光片折射率随厚度变化图和0°入射时膜薄膜的各向异性和双折射薄膜各向异性薄膜的微结构双折射薄膜理论分析双折射薄膜生长过程模拟双折射薄膜实验制备及光学特性分析32薄膜的各向异性和双折射薄膜各向异性薄膜的微结构32各向异性薄膜的微结构1995年，Robbie小组最早利用GLAD技术制备了结构稳定的MgF2“雕塑”薄膜，并用扫描电镜观察到薄膜的螺旋结构K.Robbie,M.J.Brett,A.Lakhtakia."Firstthinfilmrealizationofahelicoidalbianisotropicmedium",J.Vac.Sci.TechnolA,Vol.13:2991(1995)雕塑薄膜的制备示意图33各向异性薄膜的微结构1995年，Robbie小组最早利用GL双折射薄膜理论分析介电常数变为介电张量双折射结构二维理论模型双折射结构三维理论模型双折射薄膜界面特性分析双折射薄膜的电场传输特性分析34双折射薄膜理论分析介电常数变为介电张量34双折射结构二维理论模型表示不同的入射方向，倾斜柱表示薄膜的柱状方向S偏振光的有效介电常数入射角无关的物理量，取决于柱状结构的方向等参量。但是P偏振光与入射方向及柱状结构的方向有关，经过数学推导，可以得到P偏振光折射率的解析形式。WANGJian-Guo,SHAOJian-Da,FANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~22335双折射结构二维理论模型表示不同的入射方向，倾斜柱表双折射结构三维理论模型倾斜柱状结构薄膜的三维示意图，其中，d为薄膜厚度(或光栅凹槽深度)；Λx,y为x轴和y轴方向的光栅周期；Lx,y是x方向和y方向光栅脊的宽度倾斜柱状结构薄膜的截面示意图，其中为柱状角的方向WANGJian-Guo,SHAOJian-Da,andFANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~22336双折射结构三维理论模型倾斜柱状结构薄膜的三维示意图，其中，d双折射薄膜界面特性分析

双折射特性增加光波在界面传输的复杂性即使对单轴双折射薄膜，同样存在不同于各向同性界面的传输行为同侧折射37双折射薄膜界面特性分析双折射特性增加光波在界面传输的复杂性双折射薄膜的电场传输特性分析非常波在各向同性介质与各向异性介质界面处的入射波、反射波和折射波的示意图

非常光波在双折射薄膜内部正向及反向传播的波矢及光线方向示意图

38双折射薄膜的电场传输特性分析非常波在各向同性介质与各向异性介双折射薄膜界面同侧折射在双折射薄膜与入射介质界面产生同侧折射现象时对应的范围随入射角度的变化关系光线在两个沿光轴成45度角切割的具有正折射率的单轴晶体界面出现的同侧折射现象Y.Zhang,B.Fluegel,A.Mascarenhas,Phys.Rev.Lett.91,157404(2003)H.J.Qi,J.G.Wang,J.D.Shao,Z.X.Fan,ScienceinChina,Ser.G,2005,48(5):513~520

39双折射薄膜界面同侧折射在双折射薄膜与入射介质界面产生同侧折射双折射薄膜的电场传输特性分析垂直入射条件下双折射薄膜界面及内部正向及反向传播的电场示意图各向同性薄膜特征矩阵其中，对于p偏振光，对于s偏振光，40双折射薄膜的电场传输特性分析垂直入射条件下双折射薄膜界面及内利用电磁场切向连续条件，可以得到：其矩阵形式为：特征矩阵同样，上述结果可以推广到多层薄膜H.J.Qi,D.P.Zhang,J.D.ShaoandZ.X.Fan.“Matrixanalysisofanisotropicopticalthinfilm”,EurophysicsLetters,2005,70(2):257~263

41利用电磁场切向连续条件，可以得到：其矩阵形式为：特征矩阵同样Zig-Zag生长的MonteCarlo模拟

薄膜生长简化模型无边沿粘附、无扩散有边沿粘附、无扩散有边沿粘附、有扩散入射粒子倾斜引入对称改变入射角度粒子在一维晶格上沉积及吸附示意图，可能的吸附位置用(a~d)表示扩散粒子最近邻位置示意图及编号42Zig-Zag生长的MonteCarlo模拟薄膜生长简不同沉积温度下束流入射角为60º时薄膜模拟结果H.J.Qi,J.D.Shao,D.P.Zhang,K.Yi,Z.X.Fan,AppliedSurfaceScience(Accepted)

43不同沉积温度下束流入射角为60º时薄膜模拟结果H.J.Q夹具运动的计算机控制示意图

王建国,

邵建达,

范正修.夹具三维运动控制装置,

发明专利申请号:200410018497.6

王建国,邵建达,

范正修.镀膜夹具的计算机控制装置，发明专利申请号:200410084247.2双折射薄膜实验制备及分析44夹具运动的计算机控制示意图王建国,

邵建达,

范正修.夹具

(a)α=60º（b）α=80º不同角度制备ZrO2薄膜的SEM结构α=60º时,β=33º；α=80º时,β=45ºZrO2薄膜结构与光性分析45(a)α=60º

不同基片旋转速度制备的ZrO2薄膜的SEM结构(a)0rpm;(b)0.14rpm;(c)1.08rpm;(d)17.3rpm(a)(d)(b)(c)柱体直径在30～50nm之间46不同基片旋转速度制备的ZrO2薄膜的SEM结构(a)(d(a)(b)(c)(d)TiO2薄膜断面SEM结构(a)α=60º(b)α=70º(c)α=75º(d)α=80ºTiO2薄膜结构与光性分析47(a)(b)(c)(d)TiO2薄膜断面SEM结构TiO2(a)(b)(c)(d)GLADTiO2薄膜的表面SEM结构,(a)α=60º;(b)α=70º;(c)α=75º;(d)α=80º;内插图为表面结构的FFT变换。两个耳朵的形貌表明GLAD表面具有各向异性的结构。48(a)(b)(c)(d)GLADTiO2薄膜的表

TiO2薄膜：沉积角度为75º，基片的旋转速度分别为:(a)0.135rpm(b)1.08rpm(c)17.3rpm(a)(b)(c)49TiO2薄膜：沉积角度为75º，基片的旋位相延迟膜定义及应用背景分类设计与实验结果50位相延迟膜定义及应用背景50反射式相位延迟器能对入射偏振光的p,s分量的相位发生改变，从而产生一定的相移，但是并不影响其高的反射率。相位延迟器（QWR）对每个波长在主角范围内，均能获得相移，即对入射线偏振光产生相位变化，把线偏振光变成圆偏振光，反之亦然。在具有波片功能的同时，还可用作光束相移转向器件及光束相移平移器件。位相延迟膜51反射式相位延迟器能对入射偏振光的p,s分量位相延迟膜角立方反射镜：利用光束在3块空间互成54.7°的反射镜的表面3次反射，反射光偏振态的变化而获得相位延迟。外反射式相位延迟器：利用不同偏振态光在不同厚度的膜层相位变化而获得相位延迟。全内反射式相位延迟器：利用光的全内反射原理以及不同偏振态光穿透深度不同而调节相位延迟。52位相延迟膜角立方反射镜：52入射角为54°,270°相位延迟膜的透射率和相移特性全介质层相位延迟膜设计与制备53入射角为54°,270°相位延迟膜的透射率和相移特性全介质入射角为45°,全介质层相位延迟膜的设计、实验测量与拟合曲线（该样品的在1315nm处相移为267.5°，与设计要求的仅相差2.5°）全介质层相位延迟膜设计与制备54入射角为45°,全介质层相位延迟膜的设计、实验测量与拟合曲线双波段相位延迟膜设计的光谱特性和相移特性曲线在632.8nm需要达到85％左右的反射率，相对于相移在设计光谱范围内的振荡增大。双反射带相位延迟膜的设计与制备55双波段相位延迟膜设计的光谱特性和相移特性曲线在632.8nm双波段相位延迟膜的测试的光谱特性和相移特性曲线样品在1315nm处的相移值为267.2°，仅与设计值相差2.8°56双波段相位延迟膜的测试的光谱特性和相移特性曲线样品在13单层膜的相位延迟

宽波段相位延迟膜的设计57单层膜的相位延迟宽波段相位延迟膜的设计57等效折射率、等效导纳和等效界面等效折射率、导纳和界面概念等效折射率理论推导58等效折射率、等效导纳和等效界面等效折射率、导纳和界面概念58等效折射率对称膜系pqp的矩阵推导单层膜的特征矩阵：59等效折射率对称膜系pqp的矩阵推导单层膜的特征矩阵：596060等效折射率对于一个对称周期膜系(PQP)S若若是有条件的，该条件正好对应截止区与透射区的分界线61等效折射率对于一个对称周期膜系(PQP)S若若是有条件的，6262禁带区透射区63禁带区透射区63等效折射率性质64等效折射率性质64等效折射率应用－波纹压缩(0.5LH0.5L)^4膜系产生的波纹65等效折射率应用－波纹压缩(0.5LH0.5L)^4膜系产波纹压缩方法选取适当的组合膜，使其通带内的等效折射率与基片相接近改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变到更接近的预期值在多层膜的两侧(靠近基底侧和靠近入射介质侧)加镀匹配层，使其同基底以及入射介质匹配66波纹压缩方法选取适当的组合膜，使其通带内的等效折射率与基片相目标：压缩500nm附近的波纹实例一67目标：压缩500nm附近的波纹实例一670.62M(0.5LH0.5L)^120.72NM=1.38N=1.11L=1.46H=1.86680.62M(0.5LH0.5L)^120.72N68Glass/0.9(0.5HL0.5H)^2(0.5HL0.5H)^90.99(0.5HL0.5H)^3/Air实例二69Glass/0.9(0.5HL0.5H)^2(0.5HL0实例三：颜色滤光片设计绿色滤光片设计曲线图（H(HLH2L)^5H7L，H:2.3,L:1.45）红色滤光片设计曲线（HM(HL)^11(HN)^11.16(HN)^21.16(HL)^90.58H，H:2.3L:1.46M:1.79N:1.6）70实例三：颜色滤光片设计绿色滤光片设计曲线图（H(HLH2L)薄膜的色散及色散补偿群速度的色散光学薄膜色散（GT腔）啁啾镜的定义、设计及制备71薄膜的色散及色散补偿群速度的色散71群速度的色散体现了光波能量的信息，表征了多个频率成分的整体（群）行为载波表征整个光波的相位信息，其传递速度被定义为相速度72群速度的色散体现了光波能量的信息，表征了多个频率成分的整体（受介质折射率色散的影响，含有介质折射率的波矢

其展开式的一阶系数定义为群速度延迟二阶系数定义为群速度色散通常情况下，利用下式表示对位相的整体关注：GDGDDTOD73受介质折射率色散的影响，含有介质折射率的波矢其展开式的一阶群速度的色散高斯极限脉冲通过色散介质的脉冲当高斯极限脉冲通过色散介质，会发生频率啁啾，脉冲展宽。而钛宝石是正色散介质，加上自相位调制等非线性效应，在振荡器里产生的光脉冲会发生上啁啾，也就是高频成分滞后,脉冲同时被展宽。74群速度的色散高斯极限脉冲通过色散介质的脉冲当高斯极限脉冲通过光学薄膜的色散分析对于高反射膜，Rb=100%，令则75光学薄膜的色散分析对于高反射膜，Rb=100%，令则75GT腔的色散分析76GT腔的色散分析76GT腔的色散分析薄膜反射系数为：薄膜反射率为：反射光的相位变化：77GT腔的色散分析薄膜反射系数为：薄膜反射率为：反射光的相位变R=0.16时反射光的相位变化、群延迟时间、群延迟色散及三阶色散

78R=0.16时反射光的相位变化、群延迟时间、群延迟色散及三阶GT腔进行色散补偿实例Cr:LiSAF晶体的GDD和TOD79GT腔进行色散补偿实例Cr:LiSAF晶体的GDD和TOD7GT腔进行色散补偿实例设计的G-T镜的膜层结构（左图）及对3-mmCr:LiSAF晶体的正群延迟色散进行补偿后剩余群延迟色散（右图）80GT腔进行色散补偿实例设计的G-T镜的膜层结构（左图）及对3啁啾镜定义及分类理论设计制备结果81啁啾镜定义及分类81啁啾镜啁啾镜特征在运转波段内有足够高的反射率；具有与运转激光相匹配的群色散延迟补偿能力；考虑到抗激光损伤的要求，在运转波段内没有场强的共振吸收峰。群色散延迟和补偿薄膜具有啁啾特性，所以称为啁啾镜或啁啾薄膜。82啁啾镜啁啾镜特征群色散延迟和补偿薄膜具有啁啾啁啾镜类型83啁啾镜类型83啁啾镜的特点一般啁啾镜缺点：相位调制产生波纹、在腔内形成较强的驻波场双啁啾镜优点：在啁啾波区腔外侧的反射率为零，以此来消除共振效应和位相色散波纹本身的驻波场。双啁啾镜的设计思路：在单啁啾膜谐振层的外侧,构筑一个宽频带减反射膜。耦合模理论可以给出良好的匹配条件。84啁啾镜的特点一般啁啾镜缺点：相位调制产生波纹、在腔内形成较强啁啾镜设计方法傅立叶变换法光学谐振方法非周期膜系设计方法85啁啾镜设计方法傅立叶变换法85傅立叶变换法对于折射率按一定规律分布的薄膜，在薄膜厚度处微分反射系数：

薄膜的反射系数：傅立叶变换形式反傅立叶变换：为了实现宽光谱范围内的高反射，薄膜必须有rugate结构，即：86傅立叶变换法对于折射率按一定规律分布的薄膜，在薄膜厚度处微分光学谐振方法由于光学薄膜的位相特性取决于光波在薄膜中行进的路程，所以可以利用附加共振腔的方法获得必要的群延迟色散率。共振腔层的存在可以诱导光波进入膜层内部，通过共振腔的数目及其在膜系中的位置可以改变共振波长，因此可以调节不同级次延迟色散的大小和正负。87光学谐振方法由于光学薄膜的位相特性取决于光波在薄膜中行进非周期膜系设计及双啁啾88非周期膜系设计及双啁啾88啁啾镜制备飞秒脉冲锁模实验得到的15fs脉冲89啁啾镜制备飞秒脉冲锁模实验得到的15fs脉冲89薄膜的应力及应力控制

薄膜应力热应力内应力多层膜应力模型薄膜的面形控制工艺参数对薄膜应力影响调整工艺参数控制薄膜应力90薄膜的应力及应力控制薄膜应力90薄膜应力热应力若薄膜与基片间的热膨胀系数不同或温度在基片中不均匀分布，基片将产生附加变形，这种与温度相关的变形驱动力即为热应力内应力薄膜应力起源于薄膜生长过程中的某种结构不完整性(如杂质、空位、晶粒边界、位错和层错等)、表面能态的存在以及薄膜与基片界面间的晶格错配91薄膜应力热应力91薄膜应力与基底弯曲(a)基片处于拉伸状态下的薄膜(tf)自由状态下的薄膜(b)M=Fts/292薄膜应力与基底弯曲(a)基片处于拉伸状态下的薄膜(tf)自由多层膜应力模型模型假设多层膜中的膜层在平行于基底的平面上为各向同性膜层之间的界面互不相湿93多层膜应力模型模型假设93多层膜应力模型厚度为t的膜层沉积在基底上时，由于力及瞬时力矩的平衡作用，所产生的沉积应力可表示为：其中，b为圆形基片的直径，Ef为膜层的双轴模量，δ为薄膜基底复合体的中性轴位置，F为膜层沉积所引起的基底与膜层之间的大小相等方向相反的力热应力为A、B两种材料与基底之间热应力的和，表示为：其中EA、EB，νA、νB，αA、αB分别为材料A和材料B的弹性模量、泊松比及热膨胀系数94多层膜应力模型厚度为t的膜层沉积在基底上时，由于力及瞬时力矩多层膜应力模型模型计算结果与实验曲线的拟合情况95多层膜应力模型模型计算结果与实验曲线的拟合情况95工艺参数对薄膜应力影响零应力点沉积温度对ZrO2薄膜应力影响沉积温度对SiO2薄膜应力影响96工艺参数对薄膜应力影响零应力点沉积温度对ZrO2薄膜应力影响薄膜应力控制沉积参数调整沉积温度沉积速率氧分压等薄膜后处理技术背面镀膜退火离子刻蚀97薄膜应力控制沉积参数调整97光学薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏主要内容98光学薄膜概况主要内容98光学薄膜在一些光学系统中的应用光学薄膜在激光系统中的应用光学薄膜在光通信系统中的应用光学薄膜在显示系统中的应用极紫外和软X射线薄膜99光学薄膜在一些光学系统中的应用光学薄膜在激光系统中的应用99光学薄膜在激光系统中的应用激光系统中对薄膜的要求光性、阈值、面形几种主要光学薄膜光学薄膜常用沉积技术电子束技术制备光学薄膜离子束辅助技术沉积光学薄膜离子束溅射技术沉积光学薄膜100光学薄膜在激光系统中的应用激光系统中对薄膜的要求100反射膜常规反射膜介质反射膜金属反射膜金属＋介质反射膜反射膜进展超快系统中反射膜101反射膜常规反射膜101电介质反射膜标准结构奇数偶数反射率奇数偶数带宽102电介质反射膜标准结构102金属及金属＋介质反射膜金属反射膜的反射率：利用低折射率材料，先把金属光学常数中的虚部转化为0，然后再镀介质反射膜后的反射率为：临近金属层的低折射率层的厚度为：103金属及金属＋介质反射膜金属反射膜的反射率：利用低折射率材料，反射膜反射率进展104反射膜反射率进展104超快系统中反射膜脉冲宽带对反射膜性能的影响105超快系统中反射膜脉冲宽带对反射膜性能的影响105增透膜常规增透膜理论矢量合成方法单波长增透宽带增透超宽带增透106增透膜常规增透膜理论106矢量作图法此方法设计减反薄膜时比较直观，其前提条件为：

膜层中无吸收层

薄膜特性可以近似的由界面处单次反射来决定。界面处振幅反射系数为：薄膜单层的位相厚度为：考虑到膜层的位相延迟，则反射系数为：107矢量作图法此方法设计减反薄膜时比较直观，其前提条件为：界面处符号定义及旋转方向108符号定义及旋转方向108单波长增透膜单层增透膜膜系结构：A/L/G

反射率双层增透膜膜系结构：A/LH/G

折射率之间的关系109单波长增透膜单层增透膜双层增透膜109增透膜三层和多层宽带增透膜实现宽带增透

层数越多，增透带宽越大，效果越好倍频增透膜通常用矢量法设计需要层数比增透波长数目多一多波长增透膜可用矢量法，计算机优化更方便110增透膜三层和多层宽带增透膜110三倍频增透膜实例111三倍频增透膜实例111多波长增透膜设计实例112多波长增透膜设计实例112干涉滤光片

结构及理论分析FP腔干涉带通滤光片的类型其它滤光片类型窄带和超窄带滤光片宽带和超宽带滤光片长通和短通截止滤光片113干涉滤光片结构及理论分析113膜系结构：，114膜系结构：，114当,时，当时，当时，115当,干涉滤光片干涉带通滤光片的类型金属滤光片：G/M2LM/G透导滤光片G/(HL)mHXLMXLH(LH)m/G电介质滤光片：G/(HL)m2H(LH)m/G116干涉滤光片干涉带通滤光片的类型116干涉滤光片的实例117干涉滤光片的实例117双腔滤光片,膜系结构：G/(HL)^8H2HH(LH)^8L(HL)^8H2HH(LH)^8118双腔滤光片,膜系结构：118薄膜的偏振和消偏振特性薄膜起偏振原因偏振分光设计棱镜型平板型双折射多层膜消偏振设计119薄膜的偏振和消偏振特性薄膜起偏振原因119倾斜入射起偏振实例120倾斜入射起偏振实例120两种偏振态光波分离原因：等效导纳发生变化正入射倾斜入射p-偏振s-偏振倾斜入射起偏振原因121两种偏振态光波分离原因：等效导纳发生变化正入射倾斜入射p-偏图1，图2分别表示入射介质分别为空气、玻璃（n=1.52）时不同材料的p,s光修正导纳随入射角度变化的情况图1

图2

122图1，图2分别表示入射介质分别为空气、玻璃（n=1.52）时为了对两种不同材料满足布儒斯特角条件，P光等效折射率必须相等：

同时由折射定律：

可以得到：

棱镜型偏振分光设计123为了对两种不同材料满足布儒斯特角条件，P光等效折射率必须相等空气中入射角度为0°时的光谱曲线空气中入射角度为13°度时的光谱曲线棱镜型偏振分光设计124空气中入射角度为0°时的光谱曲线空气中入射角度为13°度时的空气中入射角度为13°时的光谱曲线实物图片及光路传输棱镜型偏振分光设计125空气中入射角度为13°时的光谱曲线实物图片及光路传输棱镜型偏工作波区为：平板偏振膜126工作波区为：平板偏振膜126平板偏振膜实例127平板偏振膜实例127双折射薄膜实现起偏p偏振分量膜系结构为1.52/3HL3HL(2H2L)^112H2LH/1.0128双折射薄膜实现起偏p偏振分量膜系结构为1.52/3HL3HL薄膜消偏振设计利用入射介质、膜层和基片组合设计利用吸收膜系实现消偏振分光镜设计利用受抑全反射原理设计大角度下消偏振设计利用薄膜双折射特性实现消偏振设计利用计算机优化程序进行设计129薄膜消偏振设计利用入射介质、膜层和基片组合设计129利用入射介质、膜层和基片组合定义偏振分离量为：对于(H/2LH/2)组合，在若低折射率的值是高折射率值的三次方时，该膜层组合在该波长处无偏振分离处130利用入射介质、膜层和基片组合定义偏振分离量为：对于(H/2吸收膜系实现消偏振分光镜设计光波在介质中的传播是横波，但光波在金属中就不再是纯横波，它还有一部分是纵波，因此偏振效应比较小，并且金属膜的中性好，所以采用介质-金属-介质消偏振膜系比全介质消偏振薄膜具有更优良的特性。金属膜P偏振反射率最小值可近似表示为：纯AG反射率和波长关系曲线1.52(Ag)1.52131吸收膜系实现消偏振分光镜设计光波在介质中的传播是横波，但光波吸收膜系实现消偏振分光镜设计其次是设计Ag膜两侧得匹配膜系，银膜两侧介质材料相同，入射角相同，对于同一厚度的银膜来说，介质折射率越高，偏振效应越小。

AG+匹配介质反射率和波长关系曲线1.52(ZnSAgZnS)1.52132吸收膜系实现消偏振分光镜设计其次是设计Ag膜两侧得匹配膜系，一般为了进一步减少偏振效应，需要插入中间折射率材料，比如选用MgO,MgF2材料，然后采用Needle方法进行数值优化，一个12层膜系设计结果如下（45°入射）：133一般为了进一步减少偏振效应，需要插入中间折射率材料，比如选用利用受抑全反射原理设计

大角度下消偏振棱镜中单层膜的反射发生FTIR时，134利用受抑全反射原理设计

大角度下消偏振棱镜中单层膜的反射发生设计实例d1取不同厚度值时的p,s两种偏振光的反射率曲线(n0=2.4、n1=1.38，入射角度为45°)d1取不同厚度值时的p,s两种偏振光的反射率曲线(n0=1.81、n1=1.46，入射角度为45°)135设计实例d1取不同厚度值时的p,s两种偏振光的反射率曲线入射角度为45°时设计结果，其中nA=n0=2.4nB=1.38入射角度为62°时设计结果，其中nA=n0=1.81nB=1.46136入射角度为45°时设计结果，其中nA=n0=2.4nB=双折射薄膜消偏振设计消偏振薄膜设计思路消偏振薄膜设计实例分束薄膜截止滤光片带通滤光片宽带增透薄膜……137双折射薄膜消偏振设计消偏振薄膜设计思路137正晶体光轴n0ngkikokeθ0θoθe在这种特殊情况下，两种偏振态光波分离，且在界面均遵守Snell定律界面1界面2折射率折射角度p

:s:消偏振薄膜设计思路138正晶体光轴n0ngkikokeθ0θoθe在这种特殊情况下，如同各向同性薄膜，在消偏振分截止滤光片及带通滤光片中经常利用高低折射率交替膜堆

HL…H

基底H-折射率层H-折射率层L-折射率层139如同各向同性薄膜，在消偏振分截止滤光片及带通滤光片中经常利用正入射斜入射H-层L-层140正入射斜入射H-层L-层140对于两种偏振态，高低折射率比值分别为：s-偏振光p-偏振光为了实现消偏振薄膜设计，必须满足下列方程：因此，折射率调整须满足：141对于两种偏振态，高低折射率比值分别为：s-偏振光p-偏振光对于p偏振光，膜系的结构为1.52/(HL)^15H/1.045消偏振分束薄膜H.J.Qi,R.J.Hong,K.Yi,J.D.Shao,Z.X.Fan,“Non-polarizingbeamsplitterdesign”,EurophysicsLetters,2004,67(5):859-865

142对于p偏振光，膜系的结构为1.52/(HL)^15H/1对于s偏振光波，薄膜结构为：1.52/0.8620H0.3698L1.3012H0.7343L1.3777H0.6182L(HL)^110.8250H1.0547L0.3934H0.4887L/1.045消偏振截止滤光片143对于s偏振光波，薄膜结构为：1.52/0.8620H0.3对于p-偏振光，膜系为：1.52/(HL)^10H2L(HL)^10HL(HL)^10H2L(HL)^10H/1.045消偏振宽带通滤光片144对于p-偏振光，膜系为：1.52/(HL)^10H2L对于p-偏振光，膜系为：1.52/1.5037H2.5875L2.1166H1.0280L0.9722H1.0141LH(HLHLHLH)^4H0.9442L0.8298H0.6370L/1.0H.J.Qi,R.J.Hong,K.Yi,J.D.Shao,Z.X.Fan,“Non-polarizingandpolarizingfilterdesign”,Appl.Opt.,2005,44(12):2343-2348

145对于p-偏振光，膜系为：1.52/1.5037H2.587波长分离膜（倍频）146波长分离膜（倍频）146短波通滤光片的实例消半波孔的短波通薄膜的制备147短波通滤光片的实例消半波孔的短波通薄膜的制备147抽运光与输出光的分离膜148抽运光与输出光的分离膜148抽运光与输出光的分离膜149抽运光与输出光的分离膜149光学薄膜在激光系统中的应用光学薄膜常用沉积技术电子束技术制备光学薄膜离子束辅助技术沉积光学薄膜离子束溅射技术沉积光学薄膜150光学薄膜在激光系统中的应用光学薄膜常用沉积技术150电子束技术镀膜室内结构示意图及薄膜中心φ1800直径的电子束蒸发镀膜机151电子束技术镀膜室内结构示意图及薄膜中心φ1800直径的电子束离子束辅助技术优点提高薄膜致密性抑制薄膜内大缺陷生成合适工艺可以提高薄膜损伤阈值152离子束辅助技术优点152离子束溅射技术溅射过程三个阶段离子源发射高能撞击离子；被溅射的粒子（原子或分子）出射靶面；被溅射的粒子沉积在基片上成膜。153离子束溅射技术溅射过程三个阶段153光通信薄膜类型有各类减反射膜、波带分离膜、增益平坦滤光片(GFF)、波分复用滤光片(WDMF)和交叉波分离器(interleaver)等等光学薄膜在光通信系统中的应用154光通信薄膜类型光学薄膜在光通信系统中的应用154155155光通讯对薄膜滤光片的要求极端稳定的中心波长窄的带宽：目前200G、100G滤光片已是通用商品，50G滤光片（半宽小于±0.4nm），工艺成熟并实现系统运行高透过率：高通带率，低通带波纹高矩形度，高截止度，必须用多腔滤光片构成高的环境稳定性，膜层必须足够致密，堆积密度约为1高温度稳定性，与基体的热应力匹配，进行力学补偿通带内的群延迟色散补偿156光通讯对薄膜滤光片的要求156157157薄膜滤光片制备中使用技术DWDM滤光片的温度漂移及抑止技术DWDM滤光片群延迟及群延迟色散及补偿技术精确的膜厚控制技术158薄膜滤光片制备中使用技术158光学薄膜在显示系统中的应用投影显示系统分类LCD（LiquidCrystalDisplay）液晶投影显示DLP（DigitalLightPorcessor）数字光处理投影显示LCOS（LiquidCrystalonSilicon）硅基底上液晶投影显示159光学薄膜在显示系统中的应用投影显示系统分类159LCD液晶投影显示1、冷光片，2、紫外红外滤光片，3、二向色镜，4、反射镜，5、X棱镜，6、液晶光阀，7、投影透镜160LCD液晶投影显示1、冷光片，2、紫外红外滤光片，3、二向色DLP投影显示1、冷光片，2、紫外红外滤光片，3、场透，4、色轮，5、光导管，6、反射镜，7、TIR光门，8、DMD芯片，9、投影镜头161DLP投影显示1、冷光片，2、紫外红外滤光片，3、场透，4、LCOS投影显示1、冷光片，2、紫外红外滤光片，3、场透镜，4、二向色镜，5、折叠反射镜，6、偏振分束镜，7、LCOS面板，8、X棱镜，9、投影镜头162LCOS投影显示1、冷光片，2、紫外红外滤光片，3、场透镜，投影系统中需要的薄膜元件LCD冷光镜、紫外红外滤光片、折叠反射镜、二向色镜、偏振分束镜、X-cube、减反射膜DLP冷光镜、紫外红外滤光片、折叠反射镜、光导管、色轮、TIR棱镜、减反射膜LCOS冷光镜、紫外红外滤光片、折叠反射镜、二向色镜、偏振分束镜、X-cube、减反射膜163投影系统中需要的薄膜元件LCD163投影系统中的关键薄膜元件偏振与消偏振分束膜光导管用宽角度宽光谱反射膜高性能颜色滤光164投影系统中的关键薄膜元件偏振与消偏振分束膜164激光对光学薄膜的破坏光学薄膜的本征吸收光学薄膜的驻波场和温度场光学薄膜的缺陷破坏光学薄膜的非线性吸收及热力破坏光学薄膜激光破坏阈值的测量165激光对光学薄膜的破坏光学薄膜的本征吸收165激光对光学薄膜损伤的基本过程激光对光学薄膜的损伤过程包含了激光作用的光学力学过程、场击穿过程等，但最基本的还是热过程，光通过本征吸收、杂质吸收和非线性吸收转化为热，由热熔融或热力耦合导致薄膜的最终损伤。166激光对光学薄膜损伤的基本过程激光对光学薄膜的光学薄膜的本征吸收设激光强度是高斯分布，则a为高斯半径，时间为瞬间作用时，薄膜温升：

I0和J0分别是x=0,r=0时的功率密度和能量密度，Dt为热扩散长度，α为吸收系数。对于一般材料,α=2πκ/λ.167光学薄膜的本征吸收设激光强度是高斯分布，则a为高斯半径，时间光学薄膜中的驻波场和温度场增透膜、反射膜、偏振膜、带通滤光片的驻波场单层膜、增透膜、反射膜的界面温度变化干涉滤光片的带内、带外温度场的变化168光学薄膜中的驻波场和温度场增透膜、反射膜、偏振膜、带通滤光片增透膜驻波场169增透膜驻波场169反射膜驻波场170反射膜驻波场170偏振膜驻波场171偏振膜驻波场171滤光片带内、外驻波场双腔窄带干涉滤光片的驻波场模拟172滤光片带内、外驻波场双腔窄带干涉滤光片的驻波场模拟172单层膜的温度场研究表面吸附层厚度对TiO2单层膜温度场分布的影响表面吸附层消光系数对TiO2单层膜温度场分布的影响173单层膜的温度场研究表面吸附层厚度对TiO2单层膜温度场分布的高反射膜界面温度研究

不考虑表面及界面吸收的温度场考虑界表面吸附、界面吸收的温度场174高反射膜界面温度研究不考虑表面及界面吸收的温度场考虑界表面滤光片带内、外温度场变化175滤光片带内、外温度场变化175光学薄膜的缺陷破坏缺陷是薄膜结构中最复杂的成分，从几何形态上看，缺陷可以是空洞和结瘤，从其功能上看，应包括：结构缺陷、杂质缺陷、化学缺陷、力学缺陷、电致缺陷等。鉴于缺陷的组分形状千变万化，所以处理起来相当困难，对于杂质缺陷一般理解为吸收缺陷，为了便于处理把吸收缺陷当作小球处理。

176光学薄膜的缺陷破坏缺陷是薄膜结构中最复杂的成分，从几光学薄膜的缺陷破坏杂质热传导方程的精确解

其中从以上方程可以看出，由杂质吸收引起的薄膜温升与激光的强度分布、杂质吸收截面和激光脉冲宽度密切相关，从薄膜破坏角度出发更关心r=a附近的温升，当该处温升达到临界温度Tc时，对应的激光能量Itl为薄膜的破坏阈值。

177光学薄膜的缺陷破坏杂质热传导方程的精确解其中从以上杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个过程从缺陷内部发生，在缺陷迅速升温到数千度的高温时，杂质材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸力向薄膜的外层发展，首先使膜层隆起继而把膜层冲掉形成破坑，并在破坑的周边形成波浪式力学波。杂质缺陷不仅是直接热源，而且还是非线性过程的薄弱环节，缺陷区域是初始电子易于发射的区域，这些电子构成雪崩离化的初始电子从而大大降低薄膜的击穿阈值。光学薄膜的缺陷破坏178杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个光学薄膜的缺陷破坏179光学薄膜的缺陷破坏179结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用

结瘤缺陷是由于基体表面或薄膜内部存在某种种子源。薄膜在种子上继续沉积而形成的，它在薄膜内部形成一个锥体，在薄膜表面形成凸起，锥体的形状和取向，凸起的高低与形态与种子源密切相关，也与沉积工艺和沉积条件有关。180结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用结瘤缺陷是由于基体

结瘤缺陷一个重要的作用就是改变激光在结瘤区内及其周围的场分布，在薄膜吸收不变的条件下，激光场的局部加强导致局部吸收增加，局部吸收增加导致局部温度上升，剧烈的温度梯度又导致薄膜内应力的增加，这种应力与薄膜几何畸变引起的附加应力是形成薄膜破坏的重要因素。结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用181结瘤缺陷一个重要的作用就是改变激光在结瘤区内结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用激光场分布的畸变函盖了以下几方面因素薄膜膜层形变，引起结瘤内驻波场分布的变化结瘤与薄膜连接的部分严重的几何变形导致相关区域激光场的分布变化凸起的结瘤形成一个微透镜，光照时会产生聚焦强区从薄膜的应力出发，薄膜在结瘤区由几何形变产生应力，而激光作用下，由于巨大的温度梯度又产生热致内应力，薄膜在激光作用下的应力发展应该是形变应力与热致应力之和。182结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用激光场分布的畸变函盖了以下几方面因光学薄膜非线性吸收及热力破坏雪崩击穿破坏多光子吸收破坏光学薄膜的热力破坏183光学薄膜非线性吸收及热力破坏雪崩击穿破坏183雪崩击穿雪崩击穿的物理过程：由多光子离化的等多种过程。在薄膜内产生少量的初始电子，在被声子散射延迟的激光作用下，在导带中运动加速到阈值能量εi，迅速产生光离化，从薄膜材料的价带中激发次级电子进入导带底部，该电子交出相应的能量后,也下落到导带底部。位于导带底部的电子再从激光中获取能量，如此周而复始使电子密度雪崩式的增加，最终达到足够高的电子密度，通过焦耳热摧毁晶格。184雪崩击穿雪崩击穿的物理过程：由多光子离化的等多光子吸收多光子吸收系数多光子跃迁速率W185多光子吸收多光子吸收系数多光子跃迁速率W185光学薄膜的热力破坏

热力过程可由热力耦合方程描述

ur表示位移量，αk为热膨胀系数，为泊松比186光学薄膜的热力破坏热力过程可由热力耦合方程描述ur表示位光学薄膜的热力破坏热爆炸模型

线性热弹模型

E为杨式模量，为泊松比，i和h分别代表杂质和基质

内破坏机制

187光学薄膜的热力破坏热爆炸模型187光学薄膜激光损伤测试技术激光损伤阈值测试规范ISO11254-1.2“Lasersandlaser-relatedequipment—Determinationoflaserinduceddamagethresholdofopticalsurface”(2000)“Laserinduceddamagethresholdandcertificationproceduresofopticalmaterials”NASAreferencepublication1395(1997)结合多年的工作经验188光学薄膜激光损伤测试技术激光损伤阈值测试规范188其他要求（稳定性，监控等）聚焦系统光斑高斯直径1～1.25mm透镜口径是光斑尺寸的6倍透镜最小的f数为50激光输出能量较小时可适当的缩小光斑，但不得小于0.4mm光学薄膜激光损伤测试技术189其他要求（稳定性，监控等）光学薄膜激光损伤测试技术189损伤测试的重要概念损伤定义靶面光斑有效面积高斯半径测试方法1-on-1,s-on-1,r-on-1,n-on-1损伤阈值的确定50％损伤几率阈值0％损伤几率阈值190损伤测试的重要概念损伤定义190激光损伤阈值测试标准装置

191激光损伤阈值测试标准装置191其他测试方法S-on-1基本与1-on-1相同维持恒定的能量密度重视功能上的意义，即用功能性损伤阈值衡量R-on-1能量以斜坡方式递增预处理效果N-on-1R-on-1方法的简化192其他测试方法S-on-1192实验装置建立及参数测量

193实验装置建立及参数测量193光斑尺寸的测量相纸削波成像法刀口扫描法科学CCD成像法194光斑尺寸的测量相纸削波成像法194激光薄膜光热测量表面热透镜技术的优点：大光斑探测光的引入而使表面热透镜技术更易于优化、调节信号，测量的准确度和可重复率得到了提高，而同时保持了光热偏转方法的灵敏度；通过使用CCD作为探测器件或使用针孔光电探测器可反演获得整个表面变形区域的形状分布，通过对实验数据的数值拟合可得出样品的光学、热学以及机械性能，通过高度聚焦抽运光，表面热透镜技术可以做径向分辨的样品吸收图谱，这对研究强激光薄膜是十分有利的。修正的表面热透镜技术(背向反射式)有巨大的潜力获得高空间分辨率，借助于近场光学技术，抽运光可以聚焦至纳米量级。195激光薄膜光热测量表面热透镜技术的优点：195激光薄膜光热测量

表面热透镜光热显微镜196激光薄膜光热测量表面热透镜光热显微镜196光热显微成像杂质、缺陷的分析

高反射膜的光热显微像（全部像区的尺寸为2.4mm×2.4mm）197光热显微成像杂质、缺陷的分析高反射膜的光热显微像197总结光学薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏198总结光学薄膜概况198谢谢大家

欢迎大家积极讨论199谢谢大家

欢迎大家积极讨论199范正修

2006年10月26日光学薄膜及其应用200范正修2006年10月26日光学薄膜及其应用1主要内容薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用光学薄膜的激光损伤201主要内容薄膜概况2主要内容光学薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏202主要内容光学薄膜概况3薄膜概况研究领域薄膜物理薄膜化学薄膜材料薄膜力学应用领域光学薄膜电学薄膜半导体薄膜磁性薄膜生物薄膜203薄膜概况研究领域4薄膜光学形成发展历史17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（RobertBoyleandRobertHooke）1801ThomasYong引入光波干涉原理1816Fresnel发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论1817Fraunhofer制成了第一块减反薄膜1873Maxwell提出了Maxwell方程（ATreatiseonElectricityandMagnetism）204薄膜光学形成发展历史17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Ro1886Rayleigh证实了Fresnel反射定律1899Fabry-Perot干涉仪1932Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部反射1934Bauer用卤化物制备了减反薄膜1934Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜1939Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片2051886Rayleigh证实了Fresnel反射定律6光学薄膜概况薄膜特点干涉原理，相干相长与相干相消重要性“有光就有膜”涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，光学系统，大型激光装置等面临问题涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉积技术少，沉积过程控制水平不高等；206光学薄膜概况薄膜特点7主要内容薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏207主要内容薄膜概况8光学薄膜一般性质理想光学薄膜光学薄膜吸收及散射折射率不均匀性和折射率渐变薄膜薄膜的各向异性和双折射薄膜薄膜的偏振和消偏振特性208光学薄膜一般性质理想光学薄膜9薄膜的相位及位相薄膜等效折射率、等效导纳和等效界面薄膜的色散及色散补偿薄膜的应力及应力控制209薄膜的相位及位相薄膜10理想光学薄膜光学薄膜改变光束切向方向－薄膜波导改变光束法向方向－光学薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜薄膜波导210理想光学薄膜光学薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜理想光学薄膜薄膜光性计算方法等效界面法矩阵法等效界面法211理想光学薄膜薄膜光性计算方法等效界面法12矩阵法＝界面的透射及反射系数：第一个界面处的电场关系：薄膜内部的电场关系：薄膜内部电场方向符号表示212矩阵法＝界面的透射及反射系数：第一个界面处的电场关系：薄膜内依次类推：=矩阵法设：,则可以得到：213依次类推：=矩阵法设：,则可以得到：14光学薄膜吸收材料吸收共振吸收单光子吸收自由电子吸收杂质吸收色心吸收声子吸收多光子吸收214光学薄膜吸收材料吸收15光学薄膜吸收折射率由实数变为复数：折射角由实数变为复数：等效导纳由实数变为复数；反射系数和透射系数…..膜层厚度引起的位相差…..215光学薄膜吸收折射率由实数变为复数：16光学薄膜吸收反射系数透射系数216光学薄膜吸收反射系数17势透过率与薄膜吸收损耗势透过率反射率透射率吸收率217势透过率与薄膜吸收损耗势透过率18光学薄膜的散射光学薄膜的表面散射光学薄膜的体散射218光学薄膜的散射光学薄膜的表面散射19光学薄膜的表面散射表面统计参量均方根粗糙度（RMS）相关长度高度分布函数自协方差函数（ACF）表面散射处理方法标量理论－散射总损耗问题矢量理论－研究散射的角分布219光学薄膜的表面散射表面统计参量20光学薄膜的表面散射散射引起界面反射及透射系数变化220光学薄膜的表面散射散射引起界面反射及透射系数变化21光学薄膜的体散射体散射的贡献与薄膜的吸收类似存在散射薄膜的位相厚度界面起伏引起的厚度变化体散射等效的吸收221光学薄膜的体散射体散射的贡献与薄膜的吸收类似界面起伏引起的厚多层膜散射特性理想多层薄膜上述参数利用散射薄膜的相应值替换222多层膜散射特性理想多层薄膜上述参数利用散射薄膜的相应值替换2光学薄膜的分层界面散射模型223光学薄膜的分层界面散射模型24不同RMS粗糙度条件下玻璃基片的Rs和TIS变化曲线计算实例224不同RMS粗糙度条件下玻璃基片的Rs和TIS变化曲线计算实例梯度折射率薄膜光学薄膜通常具有折射率渐变性质利用折射率渐变设计并制备新型薄膜225梯度折射率薄膜光学薄膜通常具有折射率渐变性质26梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜内电磁场传输由解微分方程可得到电磁波在非均匀介质中的传输状况，但是解微分方程的方法主要决定于折射率渐变的函数，只有在某些情况下才能精确解。

226梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜内电磁场传输由解微分方程可得到电梯度折射率薄膜设计方法薄膜特征矩阵法傅立叶合成法计算机辅助设计227梯度折射率薄膜设计方法薄膜特征矩阵法28梯度折射率膜的应用

利用GLAD技术制备的宽带增透薄膜228梯度折射率膜的应用利用GLAD技术制备的宽带增透薄膜梯度折射率膜的应用Rugate小波函数折射率曲线及光谱特性229梯度折射率膜的应用Rugate小波函数折射率曲线及光谱特性3梯度折射率膜的应用红色滤光片折射率随厚度变化图和0°入射时膜层透过率曲线图230梯度折射率膜的应用红色滤光片折射率随厚度变化图和0°入射时膜薄膜的各向异性和双折射薄膜各向异性薄膜的微结构双折射薄膜理论分析双折射薄膜生长过程模拟双折射薄膜实验制备及光学特性分析231薄膜的各向异性和双折射薄膜各向异性薄膜的微结构32各向异性薄膜的微结构1995年，Robbie小组最早利用GLAD技术制备了结构稳定的MgF2“雕塑”薄膜，并用扫描电镜观察到薄膜的螺旋结构K.Robbie,M.J.Brett,A.Lakhtakia."Firstthinfilmrealizationofahelicoidalbianisotropicmedium",J.Vac.Sci.TechnolA,Vol.13:2991(1995)雕塑薄膜的制备示意图232各向异性薄膜的微结构1995年，Robbie小组最早利用GL双折射薄膜理论分析介电常数变为介电张量双折射结构二维理论模型双折射结构三维理论模型双折射薄膜界面特性分析双折射薄膜的电场传输特性分析233双折射薄膜理论分析介电常数变为介电张量34双折射结构二维理论模型表示不同的入射方向，倾斜柱表示薄膜的柱状方向S偏振光的有效介电常数入射角无关的物理量，取决于柱状结构的方向等参量。但是P偏振光与入射方向及柱状结构的方向有关，经过数学推导，可以得到P偏振光折射率的解析形式。WANGJian-Guo,SHAOJian-Da,FANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~223234双折射结构二维理论模型表示不同的入射方向，倾斜柱表双折射结构三维理论模型倾斜柱状结构薄膜的三维示意图，其中，d为薄膜厚度(或光栅凹槽深度)；Λx,y为x轴和y轴方向的光栅周期；Lx,y是x方向和y方向光栅脊的宽度倾斜柱状结构薄膜的截面示意图，其中为柱状角的方向WANGJian-Guo,SHAOJian-Da,andFANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~223235双折射结构三维理论模型倾斜柱状结构薄膜的三维示意图，其中，d双折射薄膜界面特性分析

双折射特性增加光波在界面传输的复杂性即使对单轴双折射薄膜，同样存在不同于各向同性界面的传输行为同侧折射236双折射薄膜界面特性分析双折射特性增加光波在界面传输的复杂性双折射薄膜的电场传输特性分析非常波在各向同性介质与各向异性介质界面处的入射波、反射波和折射波的示意图

非常光波在双折射薄膜内部正向及反向传播的波矢及光线方向示意图

237双折射薄膜的电场传输特性分析非常波在各向同性介质与各向异性介双折射薄膜界面同侧折射在双折射薄膜与入射介质界面产生同侧折射现象时对应的范围随入射角度的变化关系光线在两个沿光轴成45度角切割的具有正折射率的单轴晶体界面出现的同侧折射现象Y.Zhang,B.Fluegel,A.Mascarenhas,Phys.Rev.Lett.91,157404(2003)H.J.Qi,J.G.Wang,J.D.Shao,Z.X.Fan,ScienceinChina,Ser.G,2005,48(5):513~520

238双折射薄膜界面同侧折射在双折射薄膜与入射介质界面产生同侧折射双折射薄膜的电场传输特性分析垂直入射条件下双折射薄膜界面及内部正向及反向传播的电场示意图各向同性薄膜特征矩阵其中，对于p偏振光，对于s偏振光，239双折射薄膜的电场传输特性分析垂直入射条件下双折射薄膜界面及内利用电磁场切向连续条件，可以得到：其矩阵形式为：特征矩阵同样，上述结果可以推广到多层薄膜H.J.Qi,D.P.Zhang,J.D.ShaoandZ.X.Fan.“Matrixanalysisofanisotropicopticalthinfilm”,EurophysicsLetters,2005,70(2):257~263

240利用电磁场切向连续条件，可以得到：其矩阵形式为：特征矩阵同样Zig-Zag生长的MonteCarlo模拟

薄膜生长简化模型无边沿粘附、无扩散有边沿粘附、无扩散有边沿粘附、有扩散入射粒子倾斜引入对称改变入射角度粒子在一维晶格上沉积及吸附示意图，可能的吸附位置用(a~d)表示扩散粒子最近邻位置示意图及编号241Zig-Zag生长的MonteCarlo模拟薄膜生长简不同沉积温度下束流入射角为60º时薄膜模拟结果H.J.Qi,J.D.Shao,D.P.Zhang,K.Yi,Z.X.Fan,AppliedSurfaceScience(Accepted)

242不同沉积温度下束流入射角为60º时薄膜模拟结果H.J.Q夹具运动的计算机控制示意图

王建国,

邵建达,

范正修.夹具三维运动控制装置,

发明专利申请号:200410018497.6

王建国,邵建达,

范正修.镀膜夹具的计算机控制装置，发明专利申请号:200410084247.2双折射薄膜实验制备及分析243夹具运动的计算机控制示意图王建国,

邵建达,

范正修.夹具

(a)α=60º（b）α=80º不同角度制备ZrO2薄膜的SEM结构α=60º时,β=33º；α=80º时,β=45ºZrO2薄膜结构与光性分析244(a)α=60º

不同基片旋转速度制备的ZrO2薄膜的SEM结构(a)0rpm;(b)0.14rpm;(c)1.08rpm;(d)17.3rpm(a)(d)(b)(c)柱体直径在30～50nm之间245不同基片旋转速度制备的ZrO2薄膜的SEM结构(a)(d(a)(b)(c)(d)TiO2薄膜断面SEM结构(a)α=60º(b)α=70º(c)α=75º(d)α=80ºTiO2薄膜结构与光性分析246(a)(b)(c)(d)TiO2薄膜断面SEM结构TiO2(a)(b)(c)(d)GLADTiO2薄膜的表面SEM结构,(a)α=60º;(b)α=70º;(c)α=75º;(d)α=80º;内插图为表面结构的FFT变换。两个耳朵的形貌表明GLAD表面具有各向异性的结构。247(a)(b)(c)(d)GLADTiO2薄膜的表

TiO2薄膜：沉积角度为75º，基片的旋转速度分别为:(a)0.135rpm(b)1.08rpm(c)17.3rpm(a)(b)(c)248TiO2薄膜：沉积角度为75º，基片的旋位相延迟膜定义及应用背景分类设计与实验结果249位相延迟膜定义及应用背景50反射式相位延迟器能对入射偏振光的p,s分量的相位发生改变，从而产生一定的相移，但是并不影响其高的反射率。相位延迟器（QWR）对每个波长在主角范围内，均能获得相移，即对入射线偏振光产生相位变化，把线偏振光变成圆偏振光，反之亦然。在具有波片功能的同时，还可用作光束相移转向器件及光束相移平移器件。位相延迟膜250反射式相位延迟器能对入射偏振光的p,s分量位相延迟膜角立方反射镜：利用光束在3块空间互成54.7°的反射镜的表面3次反射，反射光偏振态的变化而获得相位延迟。外反射式相位延迟器：利用不同偏振态光在不同厚度的膜层相位变化而获得相位延迟。全内反射式相位延迟器：利用光的全内反射原理以及不同偏振态光穿透深度不同而调节相位延迟。251位相延迟膜角立方反射镜：52入射角为54°,270°相位延迟膜的透射率和相移特性全介质层相位延迟膜设计与制备252入射角为54°,270°相位延迟膜的透射率和相移特性全介质入射角为45°,全介质层相位延迟膜的设计、实验测量与拟合曲线（该样品的在1315nm处相移为267.5°，与设计要求的仅相差2.5°）全介质层相位延迟膜设计与制备253入射角为45°,全介质层相位延迟膜的设计、实验测量与拟合曲线双波段相位延迟膜设计的光谱特性和相移特性曲线在632.8nm需要达到85％左右的反射率，相对于相移在设计光谱范围内的振荡增大。双反射带相位延迟膜的设计与制备254双波段相位延迟膜设计的光谱特性和相移特性曲线在632.8nm双波段相位延迟膜的测试的光谱特性和相移特性曲线样品在1315nm处的相移值为267.2°，仅与设计值相差2.8°255双波段相位延迟膜的测试的光谱特性和相移特性曲线样品在13单层膜的相位延迟

宽波段相位延迟膜的设计256单层膜的相位延迟宽波段相位延迟膜的设计57等效折射率、等效导纳和等效界面等效折射率、导纳和界面概念等效折射率理论推导257等效折射率、等效导纳和等效界面等效折射率、导纳和界面概念58等效折射率对称膜系pqp的矩阵推导单层膜的特征矩阵：258等效折射率对称膜系pqp的矩阵推导单层膜的特征矩阵：5925960等效折射率对于一个对称周期膜系(PQP)S若若是有条件的，该条件正好对应截止区与透射区的分界线260等效折射率对于一个对称周期膜系(PQP)S若若是有条件的，26162禁带区透射区262禁带区透射区63等效折射率性质263等效折射率性质64等效折射率应用－波纹压缩(0.5LH0.5L)^4膜系产生的波纹264等效折射率应用－波纹压缩(0.5LH0.5L)^4膜系产波纹压缩方法选取适当的组合膜，使其通带内的等效折射率与基片相接近改变基本