光学薄膜原理课件

光学薄膜的基本原理

1ppt课件.参考文献2ppt课件.第一章：光学薄膜设计的理论基础第一节:电磁波及其传播第二节:单界面的反射和折射第三节:单层薄膜的传输矩阵第四节:多层薄膜的分析方法第二章：典型薄膜系统的设计第一节:增透膜(减反射膜)

第二节:分光膜第三节:高反射膜第四节:干涉截止滤光片第五节:带通滤光片光学薄膜的基本原理3ppt课件.光学薄膜的发展历史

---17世纪“牛顿环”

---1817年Fraunhofer第一个化学AR膜

---1930年扩散泵

---1939年Geffeken第一个金属-介质干涉滤光片

---1960年激光器诞生

---1970年薄膜微结构的揭示

---近年光通讯波分复用技术---国内长春光机所和浙江大学几乎同时于1957年开始光学薄膜研究

---现在国内不仅有许多研究院所，而且有许多薄膜公司,技术力量不断增强、设备条件不断改善。4ppt课件.光学薄膜的基础知识1.电磁场理论2.光的干涉5ppt课件.6ppt课件.λ1λ2

λnλn0.98or1.48DetectorGFF:

EDFdB

Applicationsofthinfilms(1)--inWDMλλ1..DemuxMux7ppt课件.

薄膜在WDM技术中的应用

DWDMFilter:Mux,Demux,OADM,OXC等M-WDMFilter:CWDM,Channelseparation等W-WDMFilter:光网控制，光插分，光放大等Interleaver:与DWDMFilter串接，提高复用度GFF:EDFA增益平滑截止滤光片:分离1310nm与1550nm,C-band和L-band,泵浦光和信号光等ARCoatings:各种透光元件反射镜:各种反射元件中性分束膜:泵浦光引入，信号监控等偏振、消偏振膜:分束，隔离等等8ppt课件.Applicationsofthinfilms(2)--inTFT-LCDProjector9ppt课件.

薄膜在投影显示中的应用

冷反光镜:灯泡、液晶板、薄膜偏振片、位相片隔热等偏振片:PCS、预偏和偏振器,特别是宽角宽波段PBS截止滤光片:白光分成R,G,B或合成彩色图像；修饰颜色；色轮等ARCoatings:各种透光元件,在TIR棱镜中的宽角AR膜反射镜:各种反射元件,在光管中的大角度反射镜消偏振膜:在Philips棱镜中的消偏振分色合色截止滤光片位相膜:

补偿液晶板不同波长的相位差，提高对比度

10ppt课件.光学薄膜的发展趋势1.光学薄膜的理论巳趋成熟，重点是设备和制备技术及检测技术的提高2.新的应用开拓---象激光、光通讯等之类的重要应用3.各种功能的光电子薄膜及器件，如光源、调制、放大、接收、显示、传感器等4.从目前的一维薄膜向多维发展---光子晶体5.薄膜的微小化，集成化，功能化---MEMS,MOEMS11ppt课件.第一章光学薄膜设计的理论基础12ppt课件.第一节电磁波及其传播用高速电子流轰击原子中的内层电子而产生的电磁辐射远红外线9～600mm0.15～0.01ev由炽热物体、气体中红外线1.0nm～8mm1.2～0.15ev放电或其它光源激近红外线0.7～1.0mm1.8～1.2ev发分子或原子等微可见光区0.4～0.7mm3.1～1.8ev观客体所产生的电近紫外0.2～0.4mm6.2～3.1ev磁辐射远紫外0.03～0.2mm41.4～6.2ev

x射线0.1nm～0.03mm12000～42evγ射线1.0pm～0.1nm1.2E6～12000ev放射性原子衰变发出的电磁辐射或高能粒子碰撞产生的电磁辐射13ppt课件.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14ppt课件.电磁波谱15ppt课件.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16ppt课件.薄膜的双光束干涉

17ppt课件.18ppt课件.19ppt课件.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。20ppt课件.Maxwell’sequations波动方程折射率：refractiveindex21ppt课件.1.波动方程：

在原点0:E=E0cosωt

在p点:真空中E=E0cos(ωt-2πx/λ)

介质中

E=E0cos(ωt-2πNx/λ)Nx---光程差用欧拉公式，另一种表示方法：

E=E0ei(ωt-2πNx/λ)=E0e-i2πNx/λeiωt(1)2.复折射率N:---磁场幅值与电场幅值之比

H=N(k×E)或若自由空间导纳取1，则光学导纳Y=N0xp(2)22ppt课件.折射率与导纳23ppt课件.Refractiveindex24ppt课件.3.坡印廷矢量(能流密度)S:单位时间通过单位面积的能量

S=E×H

积分平均值：4.边界条件---切向分量连续

E0

tan=E1tan,E0itan+E0rtan=E1ttan

H0tan=H1tan,H0itan+H0rtan=H1ttan(3)(4)25ppt课件.第二节单界面的反射和折射a.垂直入射由切向分量连续：(1)(2)(1)×N1-(2)得振幅反射系数:(1)×N0+(2)得振幅透射系数:E0iE0rE1t介质0介质1kN0N126ppt课件.垂直入射时能量反射率和透射率:

反射能量面积×R=------------=----------------=

入射能量面积×

透射能量面积×T=------------=----------------=

入射能量面积×N0N127ppt课件.史托克定律设r,t分别为光由N0到N1的振幅反射系数和透射系数，r’,t’分别为光从N1到N0时的振幅反射系数和透射系数N0N1rt11rtrr2rttt’ttr’rtt’r2trttr’(a)(b)(c)(d)(e)(b)是(a)的逆过程,(c)表示r入射，(d)表示t入射,(e)表示(c),(d)的总效果因(b)与(e)等同，故r2+tt’=1(1)rt+tr’=0,即r=r’(2)(1),(2)叫史托克定律。28ppt课件.

b.倾斜入射×××qr×××qrp-S-N:Admittanceorindexη:Amendedadmi.oreffect.index29ppt课件.倾斜入射时反射系数和透射系数:

由切向连续切向反射系数:(1)×η1-(2):切向透射系数：(1)×η0+(2):(1)(2)30ppt课件.上述切向分量比还不是真正的反射系数或透射系数(倾斜入射时面积变化)反射系数:p-:s-:θ0E0iE0itan透射系数:p-:s-:31ppt课件.倾斜入射时能量反射率和透射率:θ0θ1N0N1ab32ppt课件.小结

垂直入射倾斜入射N0N1RT33ppt课件.第三节单层薄膜的传输矩阵34ppt课件.35ppt课件.(eiδ1=cosδ1+isinδ1,e-iδ1=cosδ1-isinδ1)36ppt课件.H0=YE0,H2=η2E2称薄膜的特征矩阵

称膜层和基板的组合特征矩阵。37ppt课件.故等效导纳：38ppt课件.39ppt课件.第四节多层膜的分析方法1.导纳矩阵法40ppt课件.41ppt课件.δ=(2π/λ)ndcosθ42ppt课件.43ppt课件.M==m11=m22,real;m21,m12pureimaginaryM11m22-m12m21=1η=(m21/m12)1/2[M(η,δ)]s=M(η,sδ)44ppt课件.2.EΓ45ppt课件.46ppt课件.HLH,HLHLHLH,0.5HL0.5HM=M11=M22且:|M|=1等效折射率等效位相47ppt课件.设基本周期为:ABA如果是q个周期,则等效折射率仍为E,位相为qg48ppt课件.长波通截止滤光片

(0.5HL0.5H)p

短波通截止滤光片

(0.5LH0.5L)p

等效导纳(H:2.35,L:1.45)0.5HL0.5H0.5LH0.5Lg(λ0/λ)EE0.01.841.840.21.821.870.41.731.960.61.532.220.80.853.981.0虚数-截止区虚数-截止区1.26.460.521.43.600.941.63.171.071.83.031.122.0虚设虚设49ppt课件.G(0.5HL0.5H)10AG

(0.5HL0.5H)10A50ppt课件.3.矢量分析法

条件：1.无吸收薄膜；

2.忽略多次反射什么情况下可忽略多次反射？双光束干涉与多光束干涉R=0.04T=0.96R=0.80T=0.20反射光强透射光强反射光强透射光强10.041’0.9220.0372’0.001530.00000063’0.00000310.801’0.0420.0322’0.02630.0213’0.01740.0134’0.01050.0085’0.00760.0056’0.00470.0037’0.00380.0028’0.002

0.0770.9230.8860.111n0n1n21231’2’3’51ppt课件.其中：上述公式可以用矢量合成技术来计算。定义：矢量的模，r1,r2,r3…

正值指向原点，负值离开原点，矢量的夹角由膜层位相角的两倍决定，按逆时针方向旋转薄膜的总反射系数为：52ppt课件.400nm520nm650nmd12=2d11.3pp0.8pd23=2d22.6p2p1.6pd34=2d31.3pp0.8pr1=-0.16r2=-0.16r3=0.07r4=0.04n1=1.38,n2=1.9,n3=1.65,n4=1.52,n1d1=l/4,n2d2=l/2,n3d3=l/4,l=520nm例:53ppt课件.4.导纳圆图分析法α

ReImn2/α

n>αn<

α

nd=l/4nd=l/4nd=l/4nd=l/4实部:虚部:圆方程:园心和半径：54ppt课件.等相厚、等反射率、等反射相移等相厚:等反射率:等反射相移:ImRe(0,∞)δ=π/20(0,-∞)δ=0(n,0)(0,0)δ=π/4n-膜层折射率n0-入射媒质折射率n0R=0=0.1=0.2=0.3Ф反射相移1.52n090270180123455ppt课件.实例1-低折射率膜1.01.382/1.521.521.38λ/83λ/8n0=1n=1.38ns=1.521.λ/4厚度为Rmin2.不能实现零反射3.λ增或λ减，R增加4.相移减少5.电场增加等相移园等反射率圆等相厚圆导纳圆ImRe56ppt课件.实例2-高折射率膜等相厚圆导纳圆nH,57ppt课件.

导纳圆图及电场强度分布

E2=const/Re(Y)----Y越大,E2越小

1.A|H|SubRe(Y)2.A|L|Sub2.352/1.52=3.6H1.5212/3.6=0.3AirHSubE2HSub1.521.382/1.52=1.251.012/1.25=0.8LE2AirLSubRe(Y)ImReReIm58ppt课件.4.薄膜的彩色分析

红橙黄绿青兰紫0.40.50.60.71.00相对灵敏度人眼对可见光各颜色的光感受能力不一样，550nm最为灵敏，<380nm,>780nm完全丧失感受能力。59ppt课件.

三基色(R,G,B)及其应用黄品青红兰绿

加法混色减法混色三基色及混色黑Tλ

400700T400700加法混色λ减法混色60ppt课件.二色光混合也能变成白光，如紫光和黄绿光等。混合后可成白光的两种有色光称互补色。白光黄黄绿绿青兰紫紫红橙紫光和红光比绿光反射高，所以绿增透膜，反紫红61ppt课件.色品图۞CIE(国际照明委员会)规定用R(700nm),G(546.1nm),B(435.8nm)三种光谱色作为三原色匹配等能白光E۞任何颜色都可用色品图(x,y)表示۞M越接近光谱色品曲线，颜色饱和度越高,越接近E,饱和度越低۞MN两色的混合色在MN连线上۞PQ两色连线通过E点，叫互补色。۞380和770nm色品点的连线不是光谱色，而是其混合色的色品轨迹。·ENMPQ62ppt课件.··★眼镜绿减反射膜★彩虹膜Al-MgF2-Cr63ppt课件.小结64ppt课件.65ppt课件.66ppt课件.67ppt课件.第二章典型薄膜系统的设计68ppt课件.69ppt课件.70ppt课件.71ppt课件.单层ARn1d=l/4第一节：增透膜(减反射膜)n1nsn0δ1r0r1e-2iδ1要求反射极小，r0=r1,即2δ1=π,即n1d=λ/4

(r0有-π相移,r1有-π相移+π膜厚)r0r12δ172ppt课件.λ/4y1基板ys入射媒质

y0≡入射媒质y0新基板Ys=y12/ysR=(y0-Ys)2/(y0+Ys)2

73ppt课件.(1.0(1.0)2)274ppt课件.y0λ/4y1λ/4y2基板ys75ppt课件.(1.0(1.0)2)276ppt课件.非规整厚度双层膜¶

固定折射率，变膜厚r1,r2,r3¶

固定规则膜厚，变折射率n0n1n2nsn0<n1<n2<ns77ppt课件.有二种方法得到零反射，但选薄解。78ppt课件.79ppt课件.80ppt课件.81ppt课件.层数

厚度导纳

特性单层λ0/4y1零反射条件：双层λ0/4λ0/4λ0/4λ0/2y1y2y1y2零反射条件:,V型膜λ/2虚设，在λ0反射率等于λ0/4单层;可有二个零反射波长，W型膜三层λ0/4

λ0/2λ0/4λ0/4λ0/2λ0/2y1y2y3y1y2y3零反射条件：

,宽带低反射，用于ysub<1.65零反射条件：,宽带低反射，用于ysub>1.65

减反射膜82ppt课件.83ppt课件.L2L1SubLaserbeamL1L21.02.01.382/1=1.91.382/1.5=1.261.52ImRe(Y)…Damagedsurface玻璃膜空气膜84ppt课件.第二节:分光膜1.中性分光膜2.偏振分光膜3.消偏振分光膜中性分光膜例子：H:ZnS,L:Na3AlF6─G|HLHL|A━G|2LHLHL|A校正Λ0=550nm─G|HLHL|G━G|2LHLH2L|G校正Λ0=640nmRTRT85ppt课件.金属中性分光膜86ppt课件.偏振分光镜—RsTpH,L同时满足布儒斯特角，对p分量有效折射率相等，并符合折射定律得偏振条件，nHnL立方棱镜87ppt课件.立方棱镜偏振分光镜光谱特性88ppt课件.平板型偏振分光镜光谱特性56.5°RsRp原理：对s,p有效折射率比不同应用:强激光系统89ppt课件.平板偏振片原理—p,s分量有效折射率不同G|(HL)^10H|AG|(0.5HL0.5H)^10|AnG=1.52nH=2.35nL=1.45,θ=56.5°90ppt课件.

消偏振分光膜—介质91ppt课件.消偏振分光膜—金属介质RsRpG|1.18HAg(19.2nm)0.82L0.02M|AH:ZnS,L:MgF2,M:Al2O3G:K992ppt课件.第三节:高反射膜

-π,-π,-3π,-3πHLH0123K-1K-kπ,

-kπH...…干涉加强:….93ppt课件.

基本结构

A/H(LH)p/sub.

A/L(HL)p/sub.

等四种组合导纳:从吸收损耗小的角度,应取高折射率为外层的膜系94ppt课件.A/H(LH)p/sub.

A/L(HL)p/sub.反射率和透射率(当a<<1时)95ppt课件.反射带宽：2.3/1.3896ppt课件.带宽公式推导对称周期:M11=M22=cosΓ≥1截止带M11=M22=cosΓ≦1透射带M11=M22=±1截止边缘非对称周期:M11≠M22,(M11+M22)/2≥1截止带

(M11+M22)/2≦1透射带

(M11+M22)/2=±1截止边缘1-∆g11+∆gg=λ0/λ97ppt课件.不同材料组合的反射带宽98ppt课件.99ppt课件.

全介质高反射膜A|(HL)pH|subA|(LH)p|subA|(LH)pL|subA|(HL)p|subp足够大,y→∞p足够大,y→0p足够大,y→0p足够大,y→∞

反射率:,取决于周期数p和折射率比nH/nL

反射带半宽:,取决于折射率比nH/nL

100ppt课件.…

Air

Hk+1LkHk-1

…H3L2H1

Sub.Hk+1H1L2H3Hk-1LkImReH1L2H3Hk-1LkImReHk+1Lk+2…

AirLk+2

Hk+1LkHk-1

…H3L2H1

Sub.101ppt课件.问题一：反射带的展宽—方法1StackA:G|(HL)pH|AStackB:G|(H’L’)pH’|AStackC:A+B:G|(HL)p|(H’L’)pH’|A(Фa+Фb)/2=πλ3=(λ1+λ2)/2102ppt课件.反射带的展宽—方法22:1高级次膜堆+1/4波堆[ex.G|(2LH)p|A+G|(LH)p|A]在nH/nL=2.0时可以无次峰。103ppt课件.反问题—反射带压缩1.采用高级次膜系:G|(3H3L)p3H|A2.减少nH/nL比问题：1.层数增加;2.膜料匹配困难;3.信号变化小膜厚控制困难;4.中心波长要正确。104ppt课件.问题二：周期反射膜反射带位置

任何周期膜系都存在反射带和透射带，出现反射带的条件1:

基本周期的膜厚之和为λ0/2整数倍。即

∑nidi=g.λ0/2(g=1,2,3…)

条件2:|t|<1,即T<1,当周期增加，T0,为反射带;|t|=1,即T=1,当周期增加，T=1,为透射带。例1：G|(HL)P|A

条件1:

∑nidi=λ0/4+λ0/4=λ0/2g=1.2.3,4,5…可能出现反射带条件2:除去T=1的透射带：g=2,4…(因g=2相当于2H2L全为虚设层)

故反射带为g=1,3,5,7…(1060nm,353nm,212nm…)例2：G|()p|A

条件1:∑nidi=4/3×λ0/4+2/3×λ0/4=λ0/2g=1.2.3,4,…可能出现反射带条件2:除去T=1的透射带：g=3,6,9…(相当于全为虚设层)

故反射带为g=1,2,4,5…(1060nm,530nm,265nm…)例3：G|()p|A,反射带为g=1,2,3,5…(1060nm,530nm,353nm…)105ppt课件.问题三：减小光学损耗—吸收和散射

◆Typicalbulkmaterials

loss=1db/km,i.ek=2x10-11atλ=1000nm

◆

Typicalthinfilms

k=10-5atλ=1000nm◆Causes

★Stoichiometricalcompositionduringevaporation★Decompositionbecauseofwaterpenetration★Innersurfacescattering(volumescattering)★Outersurfacescattering(surfacescattering)

◆Calculation

GivenNH=nH-ikHandNL=nL-ikL,tocalculateA.

G|(HL)pH|A:G|(HL)p|A:106ppt课件.高反射膜中的驻波场分布¼波堆最佳膜堆G|(HL)^pH|A的损耗约为G|(HL)^p|A的1/3G|(HL)^pH|A的损耗可下降1/3-1/4107ppt课件.金属反射膜108ppt课件.金属反射膜的反射率垂直入射:倾斜入射:n越小越好，k越大越好麻烦:cosθ1是虚数。109ppt课件.110ppt课件.

特性AlAgAu

紫外区反射率可见区红外区BPPMBP

接近于AgB接近于Ag硬度附着力稳定性BPPBPPMPB三种金属膜的特性和工艺制备工艺高的真空度高的真空度一般要求低基板温度低基板温度快蒸快蒸111ppt课件.增强反射镜G|AlLHLH|AirL-SiO2;H-TiO2

nH=2.2,nL=1.45,(nH/nL)2=2.3

SetAAl=9%,ALH=9%/2.3=4%,ALHLH=4%/2.3=1.5%112ppt课件.基本要求长波通短波通第四节:干涉截止滤光片113ppt课件.

基本结构A/(0.5HL0.5H)p/GA/(0.5LH0.5L)p/G长波通短波通R曲线包络:114ppt课件.在截止区，E=0or∞FornH=2.35,nL=1.45g=0,E=E==1.84g=2,E==2.99E==1.14115ppt课件.

等效导纳(H:2.35,L:1.45)0.5HL0.5H0.5LH0.5Lg(λ0/λ)EE0.01.841.840.21.821.870.41.731.960.61.532.220.80.853.981.0虚数-截止区虚数-截止区1.26.460.521.43.600.941.63.171.071.83.031.122.0虚设虚设116ppt课件.问题一：通带波纹的压缩n0E’EE”ns基本思想:由于单层膜只有一个零反射点，故常用多层膜或相同的基本周期匹配。117ppt课件.1.变厚度法：─

G(0.5LH0.5L)12A

━G1.19(0.5LH0.5L)(0.5LH0.5L)11A

nG=1.52,nH=1.9,nL=1.46,λ0=800nm匹配设计的例子----以短波通为例2.变折射率法:─G(0.5LH0.5L)12A━G(0.5LM0.5L)2(0.5LH0.5L)10AnG=1.52,nH=1.9,nL=1.46,nM=1.64,λ0=800nm118ppt课件.━

G(0.5LH0.5L)12A─上述膜系经约1分钟优化的结果，效果显著3.119ppt课件.

问题二：截止滤光片的斜入射S，P偏振光的光谱特性分离(a).短波通G[]15A(b).长波通G[]15A截止滤光片的分光透射率曲线120ppt课件.倾斜入射时的光学导纳

入射媒质为1.0入射媒质为1.521.斜入射时s-分量反射带增宽，p-分量减小；2.较高的导纳比，有利减少偏振分离;3.1.52的媒质入射偏振比1.0的媒质大121ppt课件.方法1：选择适当的薄膜材料122ppt课件.膜系G(HLH2L2H2LHLHL)9A在45°角入射时s-和p-偏振分量的分光透射率曲线初始膜系G(HLH2L2H2LHLHL)9A构成的(a).长波通和(b).短波通消偏振截止滤光片

方法2：设计消偏振截止滤光片

顾培夫等，光学学报，25(2),274123ppt课件.思想：将宽通带滤光片的间隔层乘上不等于1的系数—即失谐，使某个过渡边缘重叠。ThelenA.Avoidanceorenhancementofpolarizationinmultilayers[J].J.Opt.Soc.Am.,1980,70(1):118-121ThelenA.Nonpolarizingedgefilters[J].J.Opt.Soc.Am.,1981,71(3):309-314方法3：消偏振截止滤光片的另一种设计方法---用失谐滤光片概念来设计消偏振截止滤光片

124ppt课件.问题三：通带展宽--

1).

任何周期膜系都存在反射带和透射带，出现反射带的

条件1:

基本周期的膜厚之和为λ0/2(π)整数倍。即

=∑δi==kπ(k=1,2,3…)

条件2:

除去|t|=1,即T=1的透射带,即满足

为正整数对λ1：即除去:

为正整数125ppt课件.可能的反射带:应除去的反射带：例：(3HL)p可能的反射带:应除去的反射带：最终反射带：最终透射带:级次越高，反射带越接近：1+1:g=1,3,5….2+1:g=2/3,4/3,8/3…3+1:g=1/2,1,3/2,5/2…126ppt课件.G(HL)8H1500,500,300nm…G(2HL)82H2250,1125,562nm…G(3HL)83H3000,1500,1000,600nm…λ0=1500nm时的计算结果127ppt课件.出现反射带的条件1:

基本周期的膜厚之和为λ0/2(π)整数倍。即

=∑δi==kπ(k=1,2,3…)

条件2:

除去|t|=1,即T=1的透射带,即满足

为小数对λ1：即除去:乘以最小公倍数而得到的正整数，如通带展宽--为小数128ppt课件.例:(0.75H1.25L),

除去故反射带为g=1-7,透射带为g=8…结论：1.二种材料不可能展宽透射带;2.交换，反射带位置不变;3.值越大，反射带越靠近。129ppt课件.Thelen提出：要展宽通带必须用三种以上材料,其设计思想是:在材料C两侧设计双层减反膜AB,得到二个减反波长λ/2,λ/3,则基本周期为AB|C|BA130ppt课件.若要三个波长减反射(λ/2,λ/3,λ/4),则要4种材料，对D二侧设计3层AR膜:ABC|D|CBA,当D膜厚=0时得基本周期AB2CBA131ppt课件.2).HL堆Rugatefilter132ppt课件.第五节:带通滤光片133ppt课件.F-P滤光片的基本结构

r1=r10eif1r2=r20eif2Tt1t2nd134ppt课件.窄带滤光片的特性1.透过率的极大值位置：2.中心波长透过率：135ppt课件.3.半宽度136ppt课件.问题一：提高陡度—多腔滤光片137ppt课件.138ppt课件.窄带滤光片:Sub|HLHLHHLHLH|Sub

消去半波间隔层:Sub|HLHLLHLH|Sub