第五章-光学薄膜系统的设计(二)

高反射膜的设计金属反射镜金属反射膜的常见材料:铝(Al),银(Ag),金(Au),铜(Cu)分类：金属反射镜、金属-介质反射镜、多层介质高反射镜1.紫外到红外都有很高反射率的唯一材料2.铝膜表面在空气中能生成一层薄的Al2O3层，膜层牢固、稳定3.铝膜也常用Al2O3作保护层，但是如果铝膜用来作紫外反射镜，则不用Al2O3和SiO作保护层,而用MgF2或LiF铝膜高反射率铝膜在制备工艺上，首先应该选用高纯度的铝，以很高的沉积速率沉积到冷基片（温度低于100ºC）上，同时真空度应高于10-4Pa。另一方面，保护膜的制备工艺也影响反射镜的反射率覆盖有25nm厚MgF2的铝膜在121.6nm处的反射率随MgF2蒸发速率的变化关系覆盖有25nm厚MgF2的铝膜在MgF2蒸发速率为0.8nm/s和4.5nm/s时的反射率1.可见和红外区有很高的反射率2.倾斜使用时偏振效应最小3.与基片的附着力很差4.作前表面镀层时，易于受到硫化物影响失去光泽，若用SiOx或MgF2作保护膜，它们与银膜附着也很差。银膜改善银膜附着力和保护银膜表面新途径：在衬底上先制备Al2O3缓冲层，在Ag膜表面制备Al2O3+SiOx层金膜1.红外区有很高的反射率，常作红外反射镜2.强度与稳定性比银膜好3.与玻璃基片的附着力较差，常用金属铬膜作为缓冲层其他金属反射镜：铑(Rh)，铂(Pt)反射率远低于其他金属反射镜，只在对腐蚀有特殊要求情况下使用金属-介质高反膜采用金属-介质组合膜系作高反射膜的目的：2.提高金属膜层的反射率，常用方案是加(LH)S介质膜堆提高衬底与金属膜之间附着力的缓冲层保护形式：金属的复折射率为n-ik，则单层金属膜的反射率为22222)1()1(11knknikniknR1.对金属膜层的保护在金属膜表面提高硬度的保护层如果在金属膜上加镀折射率分别为n1和n2的两层0/4厚介质膜，并且n2材料紧贴金属膜，垂直入射时，波长0的导纳为242122212421222122212212)/()/(1)/()/(11111knnnnnknnnnniknnniknnnYYR则垂直入射时，其反射率为)(221iknnnY改进后铝膜的反射率曲线在(n1/n2)21情况下，上式得到的反射率比纯金属反射率大，而且n1/n2比值越大，反射率增加越多。如果再镀多个同样周期的介质膜，反射率将会进一步提高。不过这种提高只是部分区域的。多层介质高反射镜若干反射镜串置的光学系统总的透射率激光陀螺仪谐振腔基片折射率为ng，镀光学厚度为0/4的高折射率(n1)膜层后，由于膜层上下界面的反射光同位相，所以反射率增加。n0n1ng对中心波长,单层膜和基片组合的导纳为gnn21则垂直入射的反射率为：2210210200//ggnnnnnnnnR介质高反射膜的原理如果nH、nL分别是高低折射率层的折射率，并使介质膜系两边为高折射率层，每层的厚度为0/4,即，对中心波长0，导纳为ALHHGs)(gHsLHnnnnY22在空气中垂直入射时，中心波长0处的反射率为22222)/()/(1)/()/(1gHsLHgHsLHnnnnnnnnRnH/nL↑或s↑R↑如果1)/()/(22gHsLHnnnn)/()/(4122HgsHLnnnnR理论上，只要增加膜系的层数，反射率可无限接近100%，但是当膜系的反射率很高时，额外增加膜系的层数，并不能反射率，有时反而下降。？400500600700020406080100R/%wavelength/nm5915透明基片(ng=1.52)上由0/4厚的高(1.8)、低(1.49)折射率材料介质交替堆积而成的中心波长532nm的反射镜的反射率曲线，其周期数分别为5，9，15，25介质高反射带宽的计算假设多层膜由s个重复的周期构成，而基本周期由任意所需层数（现以2层为例）的膜组成，基本周期的特征矩阵为Mcossinsincoscossinsincos22211211HHLLinniinnimmmmMsM则多层膜的特征矩阵为：经过计算，我们发现膜系的透射带和反射带由确定。）（221121mm1)212211mm（满足条件的波长，位于反射带内1)212211mm（满足条件的波长，位于反射带外1)212211mm（所以反射带由决定，其对应的波长称为截止波长222211sin21cos)21HLLHnnnnmm（假设截止波长对应的位相厚度为e，1sin21cos22eHLLHennnn22cosLHLHennnn又g224200)1(2ge)2(sincos22ge1)212211mm（则根据)(sin21LHLHnnnng高反射带边界对应对应位相高反射带的宽度，仅仅同多层膜的材料折射率有关，折射率比值越大，反射带越宽。)(sin21LHLHnnnng所以，用相对波数g表示的高反射区域为gg11至相应的波长范围为：g101g102高反射膜的波长带宽为：000211ggg多层膜的高反射带宽同膜料折射率比值的关系以上讨论的为主反射带，即各层厚度为反射带中心波长的1/4,若各层厚度为1/4波长的奇数倍，则在这一波长上也存在高反射带，如果主反射带中心波长为0，那么以0/3,0/5,0/7等为中心,同样存在着高反射带，各高反射带的波数宽度相同2△g，但是各高反射区的波长宽度是不同的，级次越高，波长宽度越窄。反射率和相对波数的关系500100015002000020406080100R/%wavelength/nm因而要制备窄带高反膜，除选择折射率比小的两种材料外，还可以选用较高级次的反射带，以30,50等作为控制波长以上没有考虑薄膜材料的色散，实际中各种材料的色散是不一样的，尽管几何厚度相同，但是对不同波长，光学厚度略有不同，因此实际中要作适当修正。非等厚周期膜系任意周期膜系都存在反射带和透射带，出现反射带的必要条件是2qdnii即基本周期的各层薄膜的光学厚度之和是中心波长的1/2整数倍，但是上述条件不是充分条件，对于那些波长，尽管基本周期的膜层厚度之和是他们的1/2,然而只要各层薄膜厚度是他们的1/2整数倍，那么各层都是虚设层，基本周期和整个膜系都形同虚设，于是这些波长对应的是透射带，而不是反射带。（1）1:1膜堆AHLGm)(基本周期的膜层厚度之和为244000nd可能出现反射带的中心波长满足条件q/0，3,2,1q，6,4,2q，6/,4/,2/000当虚设层实际反射带中心波长在，7/,5/,3/000（2）2:1膜堆ALHGm)3234(AHLGm)3234(或基本周期的膜层厚度之和为2432434000nd可能出现反射带的中心波长满足条件q/0，3,2,1q，9,6,3q，9/,6/,3/000当虚设层（3）3:1膜堆ALHGm)2123(AHLGm)2123(或基本周期的膜层厚度之和为2421423000nd可能出现反射带的中心波长满足条件q/0，3,2,1q，12,8,4q，12/,8/,4/000当虚设层等厚与非等厚周期膜系的特性比较1.¼膜堆的高反射带对于g=1,3,…等是对称的，而非等厚的周期膜系不一定具有对称性2.对于相同的折射率材料，1/4膜堆的反射带宽比任何非等厚的周期膜系宽度大，对1/4膜堆的反射带宽度有简单的解析表达式，而非等厚的周期膜系很难给出一般的解析表达式3.对于给定的膜层数和折射率值以及给定的干涉级次，1/4膜堆具有最高反射率高反射带的展宽/4膜堆得到的高反射区仅决定于膜层折射率，而面前有实用价值的材料中，可见区折射率最大的2.6，最小的1.35，红外区最大的也不过6.0，因此反射带的宽度是非常有限的。实际应用中，高反射带宽不能满足要求，需进一步展宽。展宽高反射带的方法1.使膜系相继各层的厚度参差不齐，形成规则递增。其目的在于确保对十分宽的区域内的任何波长，膜系中都有足够的膜层，其光学厚度接近/4，以给出高的反射率。高折射率材料ZnS,低折射率材料MgF2，基片折射率1.53，膜厚按算术级数递增和按几何级数递增的高反射带宽(公差-0.02和公比0.97)2.展宽反射带的另一个方法是在一个/4多层膜上，迭加另一个中心波长不同的多层膜。（但必须注意的是，如果每个多层膜都是由奇数层构成，并且最外层的折射率相同，那么叠加后将在展宽的高反射带中心出现透射率峰值。这是由于两个多层膜的作用象F-P腔的反射板。2ba中心波长平均值处kba2/)2(若满足整个装置透射率为1,2,1,02/)2(qqba若使条件不满足，则可以消去透射峰，在两多层膜间加一层1/4平均波长的低折射率层，便可简单得到这个结果3.用中心波长不同的两个对称周期膜堆跌加成单一膜系，同样能扩展高反射区，而不会在两个中心波长的平均值处产生透射次峰mHLH)22(mLHL)22(或者4.将其他形式的周期膜堆组合起来，也可以扩展高反射区。