光学设计高级讲习班-光学薄膜

1范正修2006年10月26日光学薄膜及其应用2主要内容„薄膜概况„光学薄膜一般性质„光学薄膜在一些光学系统中的应用„光学薄膜的激光损伤3主要内容‹光学薄膜概况„光学薄膜一般性质„光学薄膜在一些光学系统中的应用„激光对光学薄膜的破坏4薄膜概况„研究领域z薄膜物理z薄膜化学z薄膜材料z薄膜力学„应用领域z光学薄膜z电学薄膜z半导体薄膜z磁性薄膜z生物薄膜5薄膜光学形成发展历史„17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（RobertBoyleandRobertHooke）„1801ThomasYong引入光波干涉原理„1816Fresnel发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论„1817Fraunhofer制成了第一块减反薄膜„1873Maxwell提出了Maxwell方程（ATreatiseonElectricityandMagnetism）6„1886Rayleigh证实了Fresnel反射定律„1899Fabry-Perot干涉仪„1932Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部反射„1934Bauer用卤化物制备了减反薄膜„1934Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜„1939Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片7光学薄膜概况„薄膜特点z干涉原理，相干相长与相干相消„重要性z“有光就有膜”z涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，光学系统，大型激光装置等„面临问题z涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉积技术少，沉积过程控制水平不高等；8主要内容„薄膜概况‹光学薄膜一般性质„光学薄膜在一些光学系统中的应用„激光对光学薄膜的破坏9光学薄膜一般性质„理想光学薄膜„光学薄膜吸收及散射„折射率不均匀性和折射率渐变薄膜„薄膜的各向异性和双折射薄膜„薄膜的偏振和消偏振特性10„薄膜的相位及位相薄膜„等效折射率、等效导纳和等效界面„薄膜的色散及色散补偿„薄膜的应力及应力控制11理想光学薄膜„光学薄膜z改变光束切向方向－薄膜波导z改变光束法向方向－光学薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜薄膜波导12理想光学薄膜„薄膜光性计算方法z等效界面法z矩阵法等效界面法13矩阵法00EE+−10100nnnnr+−=10002nnnt+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡111000rrt⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+11EE111122iiEeEeEEδδ−+−+−+=[phone]iinEenEenEnEδδ+−＝界面的透射及反射系数：第一个界面处的电场关系：薄膜内部的电场关系：−+−−=−薄膜内部电场方向符号表示14依次类推：−+00EE=1100100iiiiiimimmmiiiiiiabereEEcdreetδδδδ++++−−==⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦∏∏矩阵法aEEtm101==+++设：,21iccc+=21iaaa+=则()()222112212211aacacaicacar+−++=()22111221cacacacatgr+−=θ可以得到：()()()2211221221222212acacacacRraa⎡⎤++−⎣⎦==+22211aaT+=15光学薄膜吸收„材料吸收z共振吸收z单光子吸收z自由电子吸收z杂质吸收z色心吸收z声子吸收z多光子吸收16光学薄膜吸收„折射率由实数变为复数：„折射角由实数变为复数：„等效导纳由实数变为复数；„反射系数和透射系数…..„膜层厚度引起的位相差…..njjjiCOICOR+=θˆcosiknn−=ˆ17光学薄膜吸收„反射系数„透射系数ρ=riεε01010101()()()()nnikknnikk−−−=+−+0001012()()()niknnikk−+−+tiεε=τ=18势透过率与薄膜吸收损耗„势透过率„反射率„透射率„吸收率Ψ=1TR=−ATT+00BCRBCζζ⎛⎞−=⎜⎟+⎝⎠*00⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−CBCBζζ01*00Re()()()mTBCBCζζζζ+Ψ=++*0*00Re()()()mBCABCBCζζζζΨ−=++19光学薄膜的散射„光学薄膜的表面散射„光学薄膜的体散射20光学薄膜的表面散射„表面统计参量z均方根粗糙度（RMS）z相关长度z高度分布函数z自协方差函数（ACF）„表面散射处理方法z标量理论－散射总损耗问题z矢量理论－研究散射的角分布204~⎟⎠⎞⎜⎝⎛λπσRs)(00kkFgdpdp−=Ω21光学薄膜的表面散射„散射引起界面反射及透射系数变化⎥⎦⎤⎢⎣⎡×+=∑∞=−11!411mmggmmgLTettπ⎥⎦⎤⎢⎣⎡×+=∑∞=−1!41mmggmmgLTerrπ22光学薄膜的体散射„体散射的贡献与薄膜的吸收类似„存在散射薄膜的位相厚度()()420233003164sin2λφφπθθπnnadIISVSV−−==∫()())(ˆ20xzdiISVn+⋅−=λπδ总界面起伏引起的厚度变化体散射等效的吸收23多层膜散射特性„理想多层薄膜⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡×⎥⎦⎤⎢⎣⎡•⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++−−−−=−+∏0111111001001111miijijiiiiimjjEeerereeerererrtEEjjjjδδδδδδδδ…()()()()121201121200maiabibEEcicdidE+++−++⎡⎤⎡⎤⎡⎤=×⎢⎥⎢⎥⎢⎥++⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦上述参数利用散射薄膜的相应值替换24光学薄膜的分层界面散射模型254005006007008004.2324.2364.2404.2444.2484.2524.2564.260σ=0.5nmσ=1.0nmσ=1.5nmσ=2.0nmσ=2.5nmRs(%)波长/nm4005006007008000.01.0x10-32.0x10-33.0x10-34.0x10-35.0x10-36.0x10-3TIS波长/nmσ=0.5nmσ=1.0nmσ=1.5nmσ=2.0nmσ=2.5nm不同RMS粗糙度条件下玻璃基片的Rs和TIS变化曲线计算实例26梯度折射率薄膜„光学薄膜通常具有折射率渐变性质„利用折射率渐变设计并制备新型薄膜27梯度折射率薄膜„梯度折射率薄膜内电磁场传输()()222lnln0EEEEcωεμεε∇++∇⋅∇+∇×∇×=⎡⎤⎣⎦()()222lnln0HHHHcωεμμμ∇++∇⋅∇+∇×∇×=⎡⎤⎣⎦由解微分方程可得到电磁波在非均匀介质中的传输状况，但是解微分方程的方法主要决定于折射率渐变的函数，只有在某些情况下才能精确解。28梯度折射率薄膜设计方法„薄膜特征矩阵法„傅立叶合成法„计算机辅助设计29梯度折射率膜的应用利用GLAD技术制备的宽带增透薄膜30梯度折射率膜的应用024681012141.41.61.82.02.2RefractiveIndexOpticalThickness4005006007000.00.20.40.60.81.0TransmittanceWavelength(nm)Rugate小波函数折射率曲线及光谱特性31梯度折射率膜的应用0102030401.01.21.41.61.82.02.2RefractiveIndexOpticalThickness4004505005506006507000.00.20.40.60.81.0TransmittanceWavelength(nm)红色滤光片折射率随厚度变化图和0°入射时膜层透过率曲线图32薄膜的各向异性和双折射薄膜„各向异性薄膜的微结构„双折射薄膜理论分析„双折射薄膜生长过程模拟„双折射薄膜实验制备及光学特性分析33各向异性薄膜的微结构1995年，Robbie小组最早利用GLAD技术制备了结构稳定的MgF2“雕塑”薄膜，并用扫描电镜观察到薄膜的螺旋结构K.Robbie,M.J.Brett,A.Lakhtakia.Firstthinfilmrealizationofahelicoidalbianisotropicmedium,J.Vac.Sci.TechnolA,Vol.13:2991(1995)雕塑薄膜的制备示意图34双折射薄膜理论分析„介电常数变为介电张量„双折射结构二维理论模型„双折射结构三维理论模型„双折射薄膜界面特性分析„双折射薄膜的电场传输特性分析35双折射结构二维理论模型sε表示不同的入射方向，倾斜柱表示薄膜的柱状方向θ±S偏振光的有效介电常数入射角无关的物理量，取决于柱状结构的方向等参量。但是P偏振光与入射方向及柱状结构的方向有关，经过数学推导，可以得到P偏振光折射率的解析形式。),(βθεpWANGJian-Guo,SHAOJian-Da,FANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~22336双折射结构三维理论模型倾斜柱状结构薄膜的三维示意图，其中，d为薄膜厚度(或光栅凹槽深度)；Λx,y为x轴和y轴方向的光栅周期；Lx,y是x方向和y方向光栅脊的宽度倾斜柱状结构薄膜的截面示意图，其中为柱状角的方向βWANGJian-Guo,SHAOJian-Da,andFANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~22337双折射薄膜界面特性分析„双折射特性增加光波在界面传输的复杂性„即使对单轴双折射薄膜，同样存在不同于各向同性界面的传输行为z同侧折射38双折射薄膜的电场传输特性分析非常波在各向同性介质与各向异性介质界面处的入射波、反射波和折射波的示意图非常光波在双折射薄膜内部正向及反向传播的波矢及光线方向示意图390246810121416180102030405060708090φ(deg)Incidentangle(deg)n0=1.8,ne=1.5在双折射薄膜与入射介质界面产生同侧折射现象时对应φ的范围随入射角度的变化关系光线在两个沿光轴成45度角切割的具有正折射率的单轴晶体界面出现的同侧折射现象双折射薄膜界面同侧折射Y.Zhang,B.Fluegel,A.Mascarenhas,Phys.Rev.Lett.91,157404(2003)H.J.Qi,J.G.Wang,J.D.Shao,Z.X.Fan,ScienceinChina,Ser.G,2005,48(5):513~52040双折射薄膜的电场传输特性分析垂直入射条件下双折射薄膜界面及内部正向及反向传播的电场示意图各向同性薄膜特征矩阵⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡jjjjjjiiδδηδηδcossinsincosjjjjdNθλπδcos2=对于p偏振光，对于s偏振光，jjjN其中，θηcos/=jjjNθηcos=41利用电磁场切向连续条件，可以得到：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧−+++=+=++−+=+=−+−+−+−+−+−−−+−+−+−+−−−+−+)])()[(1])()[(1biibiiaaabiibiiaaaEeeHeeHHHEeeHeeEEEδδδδδδδδηηηηηηηηηη其矩阵形式为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−−++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+−+−+−+−−+−+−−−+−−+bbiiiiiiiiaaHEeeeeeeeeHEδδδδδδδδηηηηηηηη)(1特征矩阵同样，上述结果可以推广到多层薄膜H.J.Qi,D.P.Zhang,J.D.ShaoandZ.X.Fan.“Matrixanalysisofanisotropicopticalthinfilm”,EurophysicsLetters,2005,70(2):257~26342Zig-Zag生长的MonteCarlo模拟„薄膜生长简化模型z无边沿粘附、无扩散z有边沿粘附、无扩散z有边沿粘附、有扩散„入射粒子倾斜引入„对称改变入射角度粒子在一维晶格上沉积及吸附示意图，可能的吸附位置用(a~d)表示扩散粒子最近邻位置示意图及编号43(a)160K(b)240K(c)280K(d)320K不同沉积温度下束