薄膜光学7

薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所复习:反射膜——金属反射膜增强金属反射膜全介质反射膜薄膜光学——典型膜系金属反射镜中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所01020304050607080901002002503003504004505005506006507007508008509009501000%ReflectanceWavelength(nm)Ag膜、Al膜及Al+LHLH膜光谱比较增强金属膜薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所全介质高反膜由1/4波长厚度的高低折射率材料交替构成的HLH…..LH型膜系，其导纳可以由其特征矩阵较为容易的得到：GHSLHnnnnY22而反射率：200YnYnR层数s趋近无穷大，R趋近1。薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所0102030405060708090100400450500550600650700750800%ReflectanceWavelength(nm)5\7\9\17层反射膜光谱由上图可以看出最高反射率随层数增加，而反射带宽并不增加薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所22cosLHLHnnnn边边界条件：LHLHnnnngggg122sin2,2sincos,122边边边因此称为相对波数/2242000gg薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所HLLHnnnng1sin2反射带宽：薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所用相对波数表示带宽：gg11用波长表示带宽：gg1102010200021/21/1/ggggg薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所000500032525/5/923/3/ggggggggg5,3,1波长带宽同样道理，在1/3、1/5、1/7、1/9处的反射带边界为：薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所全介质反射膜反射带展宽两个以上的标准反射膜系的叠加变厚度薄膜：算术递减几何递减：稍好薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所如何减小反射带宽HLLHnnnng1sin202040608010010020030040050060070080090010001100中心波长在900nm的标准反射膜%TransmittanceWavelength(nm)薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所红：G/(LF)50L/Air绿：G/(7H7F)57F/AirnH=2.3nL=1.46nF=1.38λ0=550nm020406080100400450500550600650700不同膜系获得相同反射率以及相同带宽情况对比%TransmittanceWavelength(nm)01020304050607080901004004505005506006507007508008509009501000负滤光片%TransmittanceWavelength(nm)负滤光片薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所反射膜系中的电场分布当两列振幅相同的相干波沿相反方向传播时，叠加后便产生驻波。全介质高反膜系中沿正、反两个方向行进的平面电磁波满足相干条件，当反射率接近1时，满足驻波形成的条件；精确的计算可以用矩阵的方法进行；在高能激光反射膜中经常关心电场的分布情况薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所G/(HL)8HAir反射膜系的电场分布情况薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光反射镜电场设计两个原则薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所滤光片干涉截止滤光片窄带、带通滤光片金属滤光片负滤光片薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所干涉截止滤光片有些场合，人们利用反射膜截止某一段光谱，同时还要求另一段光谱透射。Long-passorShort-passFiltersIRcutofffiltersHotmirrorsColdmirrorsEdgefiltersDichroicFilters我们一般称为前、后截止滤光片和分色膜它们有着近似的膜系结构，使用方式有所不同。薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所要求某一波长范围的光束高效透射而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射(或称抑制)的干涉截止滤光片有着广泛的应用（例如：电影放映机中的冷光镜），通常我们把抑制短波区、透射长波区的滤光片称为长波通滤光片。相反抑制长波区、透射短波区的截止滤光片就称为短波通滤光片。薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所1．透射曲线开始上升(或下降)时的波长以及此曲线上升(或下降)的许可斜率2．高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内许可的最小透射率3．具有低透射率的反射带(抑制带)的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率。干涉截止滤光片的几个重要指标薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所干涉截止滤光片的基本结构与前面讲的反射膜是一样的，都是HL…四分之一波长的形式薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通带波纹的压缩可以看出标准的四分之一波长的反射膜在反射带以外，透射率是震荡的，或者说通带内由较大的波纹幅度，我们下面利用等效折射率的方法来分析，找到波纹压缩的方法。HL…LH型的膜系在最外端稍加变化则可以用（L/2HL/2)n或(H/2LH/2)n来替代。这样我们就可以用周期膜系的等效折射率的方法进行分析了。薄膜光学——基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所对于以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜，却具有单层膜特征矩阵的所有特点，在数学上存在着一个等效层，这为等效折射率理论奠定了基础。下面我们就以最简单的对称膜系(pqp)为例说明对称膜系在数学上存在一个等效折射率的概念。这个称膜系的特征矩阵为：对称膜系的等效折射率ppppppqqqqqqpppppppqppqpiiiiiiMMMMMMcossinsincoscossinsincoscossinsincos22211211薄膜光学——基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所由于对称膜系的待征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的性质，可以假定以相似的形式来表示：对称膜系的等效折射率cossinsincos22211211iEEiMMMMMpqp因此它可以用一层特殊的等效单层膜来描写，这层等效膜的折射率E（等效折射率）和位相厚度τ(等效位相厚度)可以由下面方程求得：sinsin,cos21122211iEMEiMMM1221MME薄膜光学——基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所对称膜系的等效折射率对于某些波长范围M11的绝对值大于1截止区。对应的波长范围是的概念不再存在，这时也是虚数等效折射率为虚数，可以得到即E1cos12211MM薄膜光学——基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所对称膜系的等效折射率对于M11的绝对值小于1的情况：ssiEsEisMiEEiMiEEiMssscossinsincoscossinsincoscossinsincos可以证明：膜系的特征矩阵为：为：的基本周期的特征矩阵令一个周期性对称膜系上式表示一个周期性对称膜系在它的透射带中仍然存在有一个等效折射率，它和基本周期对称组合等效折射率E完全相同，并且它的等效位相厚度等于基本周期的等效位相厚度s倍．薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薄膜光学——基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所L/2HL/2等效折射率H/2LH/2对称膜系的等效折射率薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通过对L/2HL/2和H/2LH/2两种基本型等效折射率分析可以得到L/2HL/2适合短波通…薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所一种压缩波纹的简单的方法是选择合适的基本周期，通过改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变到更接近预期值，要使这种方法有成效，则要求光洁基片保持低的反射率即基片应有低的折射率，在可见光区，玻璃是十分满意的基片材料，但是这种方法不能不加修改就用于红外区，例如用于硅板和锗板，更常用的方法是在多层膜的每一侧加镀匹配层，使它同基片以及入射介质匹配。020406080100500550600650700750800LowpassExample&HighpassExample%TransmittanceWavelength(nm)薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通带的展宽与压缩λ/4堆这种型式的长波通滤光片，其长波通带可以一直延伸至膜料和基片的吸收限宽度是足够的，但短波通滤光片因为有更高级次的截止区，所以它的通带宽度是有限的，在有些情况下例如某些类型的热反光镜，就要求宽得多的短波通带，现在我们讨论短波通滤光片通带的展宽的问题。薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通过改变基本周期的结构形式，调整每层的折射率、厚度，使1212211mm的条件不满足，可以消除某些级次的反射带。薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学薄膜的类型与符号1.减反膜2.滤光膜3保护膜4内反射5外反射6高反膜7分束膜8分色膜9偏振膜10导电膜小结：薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所小结：1.各种膜系的实际应用薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2.概括光学薄膜的本质内容光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向产生光的干涉现象，人们正是利用这种干涉现象，通过改变薄膜材料及其厚度等特性来人为的控制光的干涉，根据需要来实现光能的重新分配。薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所3.光学薄膜的特点Opticalthinfilms通常光学薄膜时非常薄的；Opticalcoatings一般来讲薄膜敷于光学玻璃、塑料、晶体等基底上；Opticallayers光学薄膜的一个特点是分层结构；薄膜光学——典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所