单双多层增透膜的原理及应用

单、双、多层增透膜的原理及应用（转载自网络并整理）单层λ/4增透膜/4的光学增透膜（下面谈论岁月学元件用玻璃来代替,初始入射介质用空气来代替）,一般为在玻璃上镀一层光学厚度为λ/4的薄膜,且薄膜的折射率大于空气的折射率,小于玻璃的折射率由菲涅耳公式知,光辉垂直人射时,反射光在空气一薄膜界面和薄膜一玻璃界面都有半波损失设空气、镀膜、玻璃的折射率分别为n0,n1,n2且n2>n1>n0定义R01,T01为空气-薄膜界面的反射率与透射率,R01，T01为薄膜-空气界面的反射率与透射,R12，T12为薄膜-玻璃界面的反射率与透射率,R21，T21为玻璃-薄膜界面的反射率与透射率如图4-1所示示,为了区分人射光辉和反射光辉,这里将入射光辉画成斜入射，图4-1中反射光辉1和2的光程差为λ/2,这样反射光便能完好相消由菲涅耳公式知道,光垂直经过界面时,反射率R和透射率T与折射率n的关系为：设人射光的光强为I0,则反射光辉1的光强I1=I0R0,反射光辉2的光强I2=I0I01R12T10。余下的反射光的光强中会出现反射率的平方,由于反射率都比较小,故可不再考虑。λ/4的光学增透膜使反射光辉1与反射光辉2的光程差为δ=2n1d1=λ/2,故相位差为л,由干涉理论知,干涉后的光强为:由于折射率n0,n1,n2比较凑近，比方n0=1,n2=1.5的界面，T=96%，故可近似地取T01T10为1，若使Ip为0，则有R01=R12，即：由n2>n1>n0得n1n0n2，当上式建马上，反射率最小，透射率最大。但是涂一层膜也有不足之处，由于常用的λ/4光学增透膜MgF2,MgF2的折射率为1.38,1.38*1.38=1.9044，而玻璃的折射率一般在1.5~1.8之间，因此用MgF2增透膜不能够使反射光光强最小，再者，一波长为λ+Δλ的光垂直入射到λ/4的光学增透膜同波长为λ的光同样反射光辉1和反射光辉2的光程差为δ=λ/2相位差为ΔΨ=2лλ/2（λ+Δλ）从而干涉后的光强为：IpI1I22I1I2cos，即可选择适合的资料，使I1=I2，从而上式变为Ip2I1cos2(.)。如图4-2所示，I为反射光的光强，Δλ为线宽，I随Δλ的地增2加而迅速增加。光学厚度为λ/4的光学增透膜的反射光强随波长的变化曲线呈V形，这样λ/4的光学增透膜的透射率较大的波段就较小,我们称λ/4的光学增透膜的频宽较小，现代的照像机的镜头、摄像机的镜头,以及彩色电视机的荧屏其实不要求在某一波长的光有很高的透射率,而希望在较宽的波段范围内透射率较低且一致,即要求增透膜的频宽较大。因此我们就可以镀两层膜，甚至是多层膜。12空气第一层膜玻璃4-1图4-2

I双层λ/4膜在需镀膜的元件上镀两层膜。这里设空气的折射率为n0,镀的两层膜的折射率为分别0.4n1和n2,厚度分别为d1和d2,玻璃的折射率为n3,且有n3>n2>n1>n0。定义R01,T01为空气一第一层薄膜界面的反射率与透射率,R10,T10为第一层薄膜-空气界面的反射率与透0.2射率,R12,T12为第一层薄膜-第二层薄膜界面的反射率与透射率,R21,T21为第二层薄膜-第一层薄膜界面的反射率与透射率,R23,T23为第二层薄膜-玻璃界面的反射率与透射率,R32,T32为玻璃-第二层薄膜界面的反射率与透射率Δλ,入射光辉垂直人射到介质上取-20-100100200人射光的振动方程为：E0A0cos(t0)。同λ/4的光学增透膜的同样，我们只谈论反射光辉1、2、3的情况。由n3>n2>n1>n0知，反射光辉1、2、3都有半波损，设两层薄膜引起的光程差分别为δ1和δ2，反射光辉1、2、3的颠簸方程分别为：则干涉点P处的光强为三束光辉的叠加EpA1cos(t0)A2cos(t021)A3cos[t02(12)]解此方程可得下述结果：（1）令R01=R12=R23，即有n1n0n2n1n3n2n1n0n2n1n3n22112n03n33解得：n1n03n33,n2取R=R01=R12=R23，由于透射光的光强近似为I0，从而：当212且2(12)4时，有Ip=0。又δ1=2n1d1，δ2=2n2d2，因此n1d1=λ332112/6,n2d2=λ/6，故只需采用n1n03n33的资料，分别镀上一层光学厚度为λ/6n03n33,n2的薄膜，即能够将反射光尽量减小，就可以达到理想的收效。镀这样的两层膜，当以波长为λ+Δλ的光垂直入射时，则干涉处的光强为2л/（λ+Δλ），又由于δ1=δ2=λ/3，因此有：IpI0R{cos(t0)cos(t021)cos[t02(12)]}2=I0R{[12cos(2.)]cos(t02.)}233sin2(1.32)=I0R2sin2(1.2)2其结果如图4-3所示，图象呈W形，说明膜层在必然的线宽上宽泛获得较好的增透收效。I1.00.60.2Δλ-200-100010204-3保持n3>n2>n1>n0,取δ1=2n1d1=λ/2,δ2=2n2d2=λ,同上述同样，透射光的光强都近似为I0，则改为：IpI0cos2(t0)(R01R12R23)2当R01R12R23=0时，即有n1n0n2n1n3n2，则有Ip=0，经整理上式得：n1n0n2n1n3n2n1n22n12n33n12n2n0n1n2n1n2n33n0n2n3n0n2n3n0n22(n1n0)(n2n1)(n3n2)0我们镀膜时，入射介质和需镀膜得元件一般为已知，即有n0和n3已知，这样上式就为关于n1和n2的方程，采用不同样的n1即可获得n2。但是，由于条件n3>n2>n1>n0的限制，当n1过大或n2过小时，会出现方程无解的的情况。这样的两层膜，当以波长为λ+Δλ的光垂直入射时，则干涉处的光强如图所示呈W形，说明此种镀膜得方法可使膜层在必然的线宽上宽泛有较好的增透收效。4-4?多层λ/4膜1.41.00.6在需要镀膜得元件上镀上三层膜。取n2>n1>n0和n2>n3>n4，其中n0为空气的折射率，n4为玻璃的折射率。由λ/4的光学增透膜知：当n1n0n2且n1d1=λ/4时，反射光辉1和2能完好相消。n3n2n4且n3d3=λ/4时，光辉3和4也能完好相消。不同样的是，反射光1、2有半波损失，而反射光辉3、4没有半波损失。这样，在略去其余的反射光辉和透射率近似为1的情况下，反射光辉能完好相消。自然，由于膜层的增加,透射率的影响会增加,这样,透射层次越多,光强会越小,且反射光辉2和反射光辉3的相位也相反。由于反射光辉2有半波损失,反射光辉3没有半波损失,则n2d2=λ/2时,便能够满足上述要求。这样的三层膜,当以波长为λ+Δλ的光垂直人射时,则反射光干涉处的光强为：Ip4I1cos2(3.)，其结果图象也呈W形，可是在同一频宽上，增透收效会更好。2考虑到膜层的吸取和透射次数的增加时,各层的透射率的积不再凑近于1，对多层膜系的研究主若是它的反射和透射特色。光学仪器在镀膜时,由高折射率层和低折射率层的膜交替叠成膜系,层间的交界面可高达几十个到几百个。由于采用高低折射率的膜交替的层数不同样,一种情况为膜系对入射光产生强烈反射,反射特色显着;而另一种情况为入射光几乎全部透过,透特色显着。在一个多层薄膜系中,光束将在每一个界面上多次反射,涉及到大量光束的干涉现象,若薄膜和基底的光吸取无法忽略,则计算将变得更加复杂,所以直接采用多光束干涉来计算是相当复杂繁琐的,而运用矩阵的方法来解决这一问题将有好多优越性。特色矩阵就是把界面两边的场利用界线条件相互联系起来的矩阵,用一个二阶矩阵代表一个单薄膜。在解析和计算光学薄膜系统的特色时,平时采用传输矩阵方法,该方法已成为光学薄膜计算与设计的常用和有效方法,并宽泛地应用于光子晶体和微带天线等领域的研究。第一，单层膜是膜系的基本单元，我们求解单膜特色矩阵。设ng为基底的折射率，n0是空气的折射率，n1是介质层的折射率，则膜层的传输矩阵为：[E1](M)[E2]式中E1和H1H2H1表示在界面Ⅰ的n0一侧的场矢量，2、H2表示在界面Ⅱ的ng一侧的场矢量。下面导E出矩阵M的表达式。在交界面Ⅰ上有入射波Ei1、反射波Er1，折射光波Et1，由介质n1入射到界面Ⅰ上的光波'Er2。假设界面上无自由电荷及传导电流，依照界线条件，则有E的切向重量连续、H的切向重量连续。考虑E1垂直入射面（s波），得：依照HiiEi0Eini于是，上式能够变为：uiu0同样，在交界面Ⅱ上也能够写出同样，上式的第二式也能够变为：H20(Ei2Er2)n0cosi2Et2ngcost2u0为了求特色矩阵，我们可把上述公式，略加变换，求出Ei1、Er2、E2、H2之间的关系。察看界面Ⅰ上的透射场Et1(,,0)与界面Ⅱ上的入射场Ei2(,,)有：xyzxyzh1式中1Kzh12n1h1cosi2，表示波失为k的平面波在薄膜中，垂直超出两个界0面的相位差（即在z方向上的相位差）。''i1，因此有：同样，也能够写出Er2和Er2之间的关系：Er2Er2e以及令10n1cosi2，获得u0E1E2cos1H2(isin1)将上两式代入矩阵方程求得：1，将其写为矩阵的形式为：H1E21isin1H2cos1E1cos1isin1].[E2cos1isin1]。[][1]则其中M=[1H1i1sin1cos1H2i1sin1cos1现在，我们研究多层膜系的光学特色，研究多层光学薄膜的方法好多，如等效法，矩阵法等，现在我们就用多层膜矩阵法来求解。多层膜可是单层膜的叠加，逐层应用的单层膜的特色矩阵可求得多层膜的特色矩阵，其特色矩阵为各单层膜的特色矩阵乘积。关于第二层膜n2在界面Ⅲ以下介质中场矢量为E2E3E3，H3有[H2]M2[H3]，将其代入[E1](M)[E2]，得[E1]M1[E2]M1*M2[E3]。H1H2H1H2H3以此类推可得对N+1个界面的多层膜一般式[E1]M1*M2..MN[EN1](M)[EN1H1HN1HN1mm其中MMjj1j1

[cosjijsinj]。ijsinjcosj是多层膜的特色矩阵,它等于各个单层膜特色矩阵之积,此处矩阵不遵从交换率,故相乘次序不能交换。由该矩阵可推出多层膜的透射率和反射率。膜系反射率的计算多层膜系的反射系数：rEr1，透射系数为：tEtN1，Ei1Ei1第一，为了表述方便将M改写为M[AiB]层的第个界面，iCD，并将单层膜公式实行到NN+1EN1EtN1可写