光学薄膜原理

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光学薄膜的基本原理参考文献1、H.A.Macleod,ThinFilmOpticalFilters(2nd,3rded.),AdamHilger,Bristol,1986,20022.唐晋发、郑权,应用薄膜光学,上海科技出版社,19843.唐晋发、顾培夫,薄膜光学与技术,机械工业出版社,19894.林永昌、卢维强,光学薄膜原理,国防工业出版社,19905.李正中,薄膜光学与镀膜技术,台湾艺轩图书出版社,20016.顾培夫,薄膜技术,浙江大学出版社,19907.杨邦朝等,薄膜物理与技术,电子科技大学出版社8.H.K.Pulker,CoatingsonGlass,Rlsevier1984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。光学薄膜的基础知识1.电磁场理论2.光的干涉λ1λ2λnλn0.98or1.48DetectorGFF:EDFdBApplicationsofthinfilms(1)--inWDMλλ1..DemuxMux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Applicationsofthinfilms(2)--inTFT-LCDProjector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,MOEMS第一章光学薄膜设计的理论基础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0.03~0.2mm41.4~6.2evx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电磁波谱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薄膜的双光束干涉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。EjHBEDm0BDtHEtDjHmtHHtEE222222mmMaxwell’sequations波动方程rrvcNmmm00/折射率:refractiveindex1.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=N0xpiknvcEkHN(2)折射率与导纳Refractiveindex3.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E0tan=E1tan,E0itan+E0rtan=E1ttanH0tan=H1tan,H0itan+H0rtan=H1ttan2)Re(21ENS(3)(4)第二节单界面的反射和折射tritriHHHEEE100100a.垂直入射由切向分量连续:)(0iiEkNH)(0rrEkNH10000101000110001100001010000002,)()()()(NNNEEtNNNNEErENEENENENENEkNEkNEkNitirtritritri(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1kN0N1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×rStSiSiS21010200)()(NNNNEEir2101021000120101)(4)2()(NNNNNNNNNEENNitN0N1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。b.倾斜入射cos/cosNNps)()(cos)(costantantantantan1tan0tan0ipiiiiiitriEkEkNErNHHEEEEEonpolarizatip)()(coscos)(costantantantanisiiiiiiEkEkNErNHHEEonpolarizatisiE0×××iH0riH0×××iE0rp-S-N:Admittanceorindexη:Amendedadmi.oreffect.index倾斜入射时反射系数和透射系数:100tan0tan1tan2itEEttritritriEEEHHHEEEtan11tan00tan00tan1tan0tan0tan1tan0tan0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)1010tan0tan0tanirEEr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-:θ0E0iE0itan1010tan0tan00tan00tan000cos/cos/iririrpEEEEEEr1010tan0tan000irirsEEEEr透射系数:p-:s-:10010tan01tan100tan01tan1012coscoscoscoscos/cos/itititpEEEEEEt100tan0tan1012ititsEEEEt倾斜入射时能量反射率和透射率:θ0θ1N0N1ab21010200)()(irEER2010101201010121)(coscos)(coscositititEENNEENNababSASAT21010201)(4)(sstT210102100100101)(4)2coscos(coscosNNTp小结210102012101021001010)(4)(2NNNNtNNTNNNNrRNNNtNNNNr垂直入射倾斜入射N0N1RT21010201210102101001001010)(4)(coscos2,2spstTrRttrcos/cosNNps第三节单层薄膜的传输矩阵212122121221212121HEEHEE(eiδ1=cosδ1+isinδ1,e-iδ1=cosδ1-isinδ1)21111112211111101cossinsincos1cossinsincos1iiCBEiiYEH0=YE0,H2=η2E2111111cossinsincosii称薄膜的特征矩阵CB称膜层和基板的组合特征矩阵。BCYCEYEBEEECBYEE2020200故等效导纳:12rrarctg第四节多层膜的分析方法1.导纳矩阵法δ=(2π/λ)ndcosθ12222121001rrarctgRTrrRirrYYrM==1.m11=m22,real;m21,m12pureimaginary2.M11m22-m12m21=13.η=(m21/m12)1/24.[M(η,δ)]s=M(η,sδ)2.EΓHLH,HLHLHLH,0.5HL0.5HM=M11=M22且:|M|=1等效折射率等效位相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qg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G(0.5HL0.5H)10AG(0.5HL0.5H)10A3.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=0.0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