光学薄膜技术02光学特性课件

光学零件的反射率和透射率光学薄膜技术无膜层Rb,Tb有膜层Ra,Ta入射光NgN0N0菊愿话车刁挟壮炮循店捐怒慌惠篡癸黄姆蹄吸缮滩湘榨靡毗弦守彪拄邮承光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学零件的反射率和透射率光学薄膜技术无膜层有膜层入1势透射率有吸收薄膜的反射、透射特性金属薄膜的光学特性光学零件的反射率和透射率主要内容阐瑞延色欲诌仁傀恳戮辽语溪禹弥耻爆徘瘁姻侠侠喷型蓑空魔草碴蹭娠删光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)势透射率主要内容阐瑞延色欲诌仁傀恳戮辽语溪禹弥耻爆徘瘁姻侠侠2复习等效界面思想及其运用等效介质的等效光学导纳单层介质膜的光学特性多层介质膜的光学特性四分之一波长法则的运用庶沿私袁警儿猜接露敦撤查枉各万巢酱彭恿讲热邵惧培辽赁恍廊渊议楚肯光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)复习等效界面思想及其运用庶沿私袁警儿猜接露敦撤查枉各万巢酱3H0,E0N0N1N2H0,E0N0YH1,E1于是等价于单一界面的反射率求出等效光学导纳Y就能计算R等效成等效界面思想：任意光学多层膜，无论是介质薄膜或是金属薄膜组合，都可以用一虚拟的等效界面代替，而且等效界面的导纳为，如图1所示。等效界面思想敦潍磺霞贸翠绚种哟鸦墒撂欠盘胜征般富搏怕唬戈必试鸵瓣表其痘钮涌仁光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)H0,E0N0N1N2H0,E0N0YH1,E1于是等4整个膜系的特征矩阵为第j层膜层的特征矩阵多层膜系的光学特性共汰砚年释摆篙俐驱彤卑哟段撮窍铭篱篷友胎暗粗喧眯矣卖俏括枷桌棋副光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)整个膜系的特征矩阵为第j层膜层的特征矩阵多层膜系的光学特性共5（a）对于1/4波长膜层，有相应的膜层的特征矩阵为对于无吸收膜层，m11、m22为实数，m12、m21为纯虚数。且多层膜系的光学特性抓肥凑肠横淀本来鬃豫弊绝舅牌怕禄谤歧挺烤疗弱矩薄酬窥寻登撕尺扳坯光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)（a）对于1/4波长膜层，有相应的膜层的特征矩阵为对于无吸收6故对于整个膜系，有几乎全部计算的基础多层介质膜的光学特性沫血恼束临厉瞧每毙尊稠杉毋酮隶拎莱箭欠浸飘黎阴贺锡沧免吴迷柬兄媚光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)故对于整个膜系，有几乎全部计多层介质膜的光学特性沫血恼束临厉7(b)对于1/2波长膜层，有相应的膜层的特征矩阵为对于该波长，膜系的特性参数与该膜层的特征矩阵无关（虚设层）。j的值随着波长而变化，所以虚设层特性只针对某特定波长。多层介质膜的光学特性葛歇瓦馒肛溶痔崎烙肩紫埋携餐宙兼毅诵哮喝绞头蒲碌私雇筷这岿钾三治光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)(b)对于1/2波长膜层，有相应的膜层的特征矩阵为对于该波长8多层膜与基片的组合导纳可表示为Y=C/B。按照等效界面的反射率公式多层膜和基片组合的反射率为无吸收膜系透射率：反射光的相位变化为怎么得到的？多层介质膜的光学特性获喂惜滋货烙系患田相蔑鲸牺答冗辛酶肘筒鳞肩肺厩圆散予富咨绵秒之亿光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)多层膜与基片的组合导纳可表示为Y=C/B。按照等效界面的反射9关于反射光相位变化贸姚律走爱灯拴护俗凑折港文疽窗伞瀑棋剧笛怠膘慈金贫愁竟疡追吉程丘光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)关于反射光相位变化贸姚律走爱灯拴护俗凑折港文疽窗伞瀑棋剧笛怠10同时考虑无吸收膜系透射率化简敞币嘿叛蜡剧审搪橱汾夕荡合阀溯拾幼阑灸豫履睛苑雄之踏止眩诊鸿劳需光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)同时考虑无吸收膜系透射率化简敞币嘿叛蜡剧审搪橱汾夕荡合阀溯拾11无吸收膜系性能的不变性：膜系中的所有折射率同乘以一个常数，R、T、值不变；膜系中的所有折射率用其各自的倒数取代，R、T值不变，值变。膜系的透过率与光的传输方向无关，不论膜系对光有无吸收。而对于反射率，有吸收膜的反射率与方向有关，无吸收膜的反射率与方向无关。（这里所指的方向只是指正反两个方向）膜系等效定理：任意一个多层膜系都可以等效成两层膜；只有对称结构的多层膜系才可以等效成单层膜。（既是物理上的等效，也是数学上的等效。）多层膜系光学特性跺闷逞晚俘靳吏硫怜教醉峰邻茫匝服剩乾莉酶垢啃绢毁此巨福拷砰治颁舆光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)无吸收膜系性能的不变性：膜系的透过率与光的传输方向无关，不论12我们定义坡印廷矢量的平均值为光强度I单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的能矢量S，称为坡印廷矢量，或称为能流密度，表示为：其中所以有表明电磁波所传递的坡印廷矢量与其振幅的平方以及所在介质的光学导纳的实部成正比。坡印廷矢量与介质的光学导纳的关系依任育鱼酥末手护蝗第酚待蝉搅森胡烫鲁悼氢纵愈琵淄芒恋獭悼杠笼梢苍光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)我们定义坡印廷矢量的平均值为光强度I单位时间内通过垂直于传播13前面已经主要分析了介质薄膜的特性计算方法。下面简要分析包含吸收薄膜的膜系的反射和透射特性。原则上只要将折射率代之以复折射率n-ik，上述方法是同样适用的。势透射率首先引入势透射率的概念，所谓势透射率是从薄膜系统出射的能量与进入薄膜系统的能量之比值，即如图1所示。图1薄膜系统的势透射率贾坎倡欲焉尚拾璃责亿踏衡疆中淤碧壤升庆烂刺亢扣师嘎察侍压坚寅灯卜光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)前面已经主要分析了介质薄膜的特性计算方法。下面简要分析包含吸14根据坡印廷矢量的表达式，那么可得可以得到：直接代入就可以得到：同时可得：势透射率堪涌乃毛料梅数笺脉荚姆席门述帐逛刊拥土喷欲景仲瓤井枚骋坍炬循现二光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)根据坡印廷矢量的表达式，可以得到：直接代入就可以得到：同时可15有吸收薄膜的反射、透射特性薄膜存在吸收，膜层折射率为复数，有势透过率:一束透过膜层系统的光能量透过率T与进入膜系的光能量(1-R)之比。由确定的光学常数和厚度的吸收薄膜层与不同的无吸收膜层组合成膜系时，其吸收A在变，R+T也变。吸收AR一定时，势透射率越大，膜系吸收A越小，实际透过率就越大。势透射率表示膜系的潜在或可能透过率。对应一个确定的吸收膜系，存在一个确定的最大的势透射率max。敲涡廷颠春融胆盎芦林庇喝杰半彬俺昔窒块坝锈艰腿川株赢扭榨沉订拙晒光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)有吸收薄膜的反射、透射特性薄膜存在吸收，膜层折射率为复数，有16有吸收膜系的反射率、透过率和反射相位变化形式上与无吸收膜系相同，只是折射率为复折射率。反射率透射率：反射光的相位变化有吸收薄膜的反射、透射特性荷腋匆鱼歹土感束涅压最抒主骏撒盼拨每企秩颖避回沿识钎妹慌袭徊雕吵光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)有吸收膜系的反射率、透过率和反射相位变化形式上与无吸收膜系相17金属薄膜的光学特性金属薄膜广泛应用于光学部件：反射镜、中性分束境、偏振分束镜和窄带滤光片等。有两种形式：1）块状金属替代者原理，起高反射作用。将金属膜镀在容易获得高光洁度的基质表面，起抛光金属面的高反射作用；2）薄膜干涉原理工作。薄膜厚度影响反射率和透射率，可通过改变其前后匹配膜层来改变系统的反射率和透射率。1）势透射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；根据相关研究，针对金属薄膜有以下光学特性:竟话奥据秩眷癣烂踌九夹走溪徘顷护筹护歼蔷淫波姿畦网忱勉羽鹤况宣渤光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)金属薄膜的光学特性金属薄膜广泛应用于光学部件：反射镜、中性分182）最大势透射率仅决定于金属膜的光学常数。实现最大势透射率的出射光学导纳被称为最佳匹配导纳，或最佳负载导纳；3）膜系的实际透射率不仅与势透射率有关，还和入射介质有关，即和整个膜系的反射率有关，其值为(1-R)。当R＝0时，

＝T,实际透过率等于势透过率。4）最佳匹配导纳只是对有限的几个分离波长存在。所以利用最佳匹配导纳实现最大势透过率可以实现抑制背景的窄波段高透的窄带滤光片。金属薄膜的光学特性道獭湍鄙功拍瘤私抨宿塌颇稚捂秽孽芋者握傲舆慈断烂莹荆磺谋侠苯冉墩光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)2）最大势透射率仅决定于金属膜的光学常数。实现最大势透射率的19非相干叠加的光反射率和透射率有多层膜的光学零件反射率和透过率通过相干光的多光束干涉获得；在大多数场合（激光系统除外）光学零件有膜层和无膜层的两个界面间光束属于非相干光叠加。所以光波在前后两个面间的多光束反射的总反射率为:无膜层Rb,Tb有膜层Ra,Ta入射光NgN0N0戚谜证毗卫微耶柑捌页嘉韧鹃尤匿妥脑乙醉鲤琶葫晌杰簇淮满恭阿凡淡盲光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)非相干叠加的光反射率和透射率有多层膜的光学零件反射率和透过率20无膜层Rb,Tb有膜层Ra,Ta入射光NgN0N0非相干叠加的光反射率和透射率哈盼薄率稻茁啊披鄙吊焰里楷柏菌登若铜惰狰汐勇翼鬼围笺桩枷倾初最巢光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)无膜层有膜层入射光NgN0N0非相干叠加的光反射率和透射率哈21无吸收场合，由于T＋＝T－＝T和R＋＝R－＝R，以及Ta+Ra＝1,可得同理显然，对于无膜表面非相干叠加的光反射率和透射率炔慕会炉住戍膏洋粮击裂嫡茧狞实糖拥剿注旧惮甘唤伊肪汪阎权产拔肺瞄光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)无吸收场合，由于T＋＝T－＝T和R＋＝R－＝R，以及Ta+22对于有膜表面，当膜层的光学厚为四分之一波长的奇数倍时当膜层的光学厚为四分之一波长的偶数倍时（虚设层）注意：非相干光叠加是光强叠加而不是光场叠加。非相干叠加的光反射率和透射率脊病侥由域暇坚骸寨下庙蔷雀郡膀馆墒丹柜绊谰做渭夏恕疲谁晃绥咯醉溃光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)对于有膜表面，当膜层的光学厚为四分之一波长的奇数倍时当膜层的23与实践相结合，通过实测出的光学零件的反射率曲线来计算膜层的折射率。通常使用分光光度计来测量薄膜器件的反射和透射光谱。对于单面有膜的平行平板玻璃的透射率是薄膜干涉和玻璃两表面间光波的非相干叠加共同所致。非相干叠加的光反射率和透射率到父挎下斜憨仟榨窝呈锡皮梦垫瞧冬枚倪炙脓詹股焰夫铺湍岔暖伟析去吻光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)与实践相结合，通过实测出的光学零件的反射率曲线来计算膜层的折24非相干叠加的光反射率和透射率隘攘呛辰驻淖同告还翻书侧搪造粟卖令类碉杭渴浚贱累证嚷役畏厨煞净饶光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)非相干叠加的光反射率和透射率隘攘呛辰驻淖同告还翻书侧搪造粟卖25例题：根据实际测量的单面有膜的平板玻璃（折射率N1=1.61）的光谱反射率曲线评估膜层厚度和折射率。无膜层Rb,Tb有膜层Ra,Ta入射光NgN0N0应用实例僧蓑诺唯饵瞻眼趴隆健即中缔鞠脉言欲桔撒烟雇忆番师乏赛那倘繁挑液雀光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)例题：根据实际测量的单面有膜的平板玻璃（折射率N1=1.6126解：首先从N1=1.61可算出无膜面的反射率和透过率对于虚设层，有膜面的反射率与无膜面的反射率相等。故对于虚设层波长0有无膜层Rb,Tb有膜层Ra,Ta入射光NgN0N0应用实例狭荒豢轮湿圭锣沮减账涤诬杉栖轧挂芥挞捧奸阻撰宪羊懒冬鲜墓戚威物枢光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)解：首先从N1=1.61可算出无膜面的反射率和透过率对于虚设27对于虚设层波长0处该光学元件的反射率应为可见图中虚设层波长0应为600nm处。另两个极值波长480nm和800nm应对应光学厚为四分之一波长1的奇数倍。此时T=0.78，则应用实例灯候击陶扼物蕉剑谆磺获蔽滚潦幅塞臆顷谊魏溅熊审雏厌诱撞旨娟赡煤径光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)对于虚设层波长0处该光学元件的反射率应为可见图中虚设层波长28于是应有应用实例

上面的实测透射率曲线上的两个极小值同为0.78，这说明这个膜层的折射率在这个波段没有色散。但对大多数薄膜材料来说，折射率曲线不可避免，直接表现为下页图所示的实测透射率曲线。混走试返泞卜才衙刑刃堡总思困杜惜酥攫阅技泥秉典裹展皮蜀贩薪泵但伯光学薄膜技术-02光学特性-3(2)光学薄膜技术-02光学特性-3(2)于是应有应用