薄膜光学第二章

教学内容教学目的和要求减反膜；高反膜；中性分束膜；截止滤光片；带通滤光片；偏振分束膜；消偏振膜。作用；应用背景；设计基础；结构特点。了解常用膜系的应用背景、掌握其光学特性、结构特点及其设计的基本知识，为以后发展打下基础。第二章介质膜系及其应用2.1减反膜（增透膜）作用和应用背景减反膜的作用：减少介质间界面反射。一般情况下界面反射的危害：引起光学系统的光能量损失；加剧光学系统的杂散光干扰，加大系统噪声；在高功率激光系统中，界面反射可能引起反激光，损伤光学元件，所以为减少光能损耗，提高成像质量，照相机、电视机、显微镜等等中的光学镜头都镀减反膜。为尽量减弱反激光，高功率激光系统中的透射光学元件表面也镀减反膜。减反膜的关键技术指标：透过率和色中性色中性好，膜系的透过率与波长的关系曲线比较平坦。常见的减反膜的结构：单层减反膜和多层减反膜；常见的减反膜n0、n1越接近，表面反射率就越低。对于从空气入射介质场合，n0＝1。n1＝1.44~1.92,R=3.25~10%（在可见和近红外区）;在红外区域（硅和锗基底）,R31%22011022011011nnnnRnnnn界面n0n1入射反射光垂直入射一光学界面，其反射率：单层减反膜在光的入射界面上镀一层低折射率（n0nfns）的膜层减少反射率。界面n0ns入射反射2002/,(/4)fsYRYYnn波长膜厚22020sfsfR反射率为零的条件为0fs典型的单层减反膜的R－曲线呈V型，存在一个谷底，在此波长处具有最小反射率。单层减反膜的讨论：单层减反膜理论上只能在一个波长处实现零反射率所以色中性差，即反射率的波长相关性强,影响成像系统的色平衡）；实际上，满足条件的光学玻璃并不存在，很难实现零反射，剩余反射率不理想(常用的薄膜最低折射率材料氟化镁（1.38）)。0fs如果入射光偏离正入射，那么最小反射率对应的波长向短波方向移动。为什么？双层减反膜为改善单层减反膜的不足：色中性差以及很难实现零反射，提出双层减反膜的设计。具体结构有:1）双层/4膜堆2）/2~/4膜堆界面n0ns入射反射1)双层/4膜堆22020202222200220////sfsfsfLsHLHsLsHRR单层膜：，＝双层膜：，＝GLA变成GHLA，可以实现零反射，但不能克服色中性差的缺陷,R－曲线呈V型，适用与工作波段较窄的场合。2)/2~/4膜堆G2HLA膜系：基质/2膜层/4膜层空气基质n0ns入射反射/2膜层/4膜层22020sLsLR1）反射率在参考波长处与/2膜层光学参数无关，等价与一单层减反膜系；2）/2膜层在偏离参考波长处影响膜系的反射率，在参考波长两侧可望得到反射率的极小值。R－曲线呈W型。所以在参考波长处反射率较双层/4膜堆高，但该波长两侧R－曲线较平坦，色中性较好。（通过调整虚设层的折射率实现，虚设层起到平滑膜系反射透射特性的作用）膜系反射率为膜系特点：多层减反膜系结构膜层增加，有利于灵活选取膜的参数满足多项要求（反射率、色中性等）。目前大多采用的三层膜结构为GM2HLA，更多层的膜系大多是以此为雏形发展而来的。多层减反膜双层减反膜要么能提高参考波长处的反射率但色中性差，要么改善膜系的色中性但无法改善膜系反射率。多层减反膜系基质n0ns入射反射/4膜层,nM/2膜层,nH/4膜层,nL组成:基质折射率ns，中等折射率nM的/4膜层，高折射率nH的/2膜层,折射率nL的/4膜层，空气折射率n0GM2HLA膜系特性基质n0ns入射反射/4膜层,nM/2膜层,nH/4膜层,nL/2膜层等效界面1等效界面2nHr1,R1,Y1r2,R2,Y2等价于一个平行平板干涉仪12012110222121201104(1)(1)2,,1sin211/2,/2,2HHRRTRRTTFndFRRRRnd，对于膜层于是为的整数倍时,sin=0，透射率达到最大值(T0)。R1＝R2时，T0＝1。如F1和T0＝1，T＝(1－F)。剩余反射率最小值1－T0，最大值～1－T0/(1＋F)。所以对于GM2HLA膜系，F尽可能小，而且尽量R1＝R2。不过R1、R2只有在少数几个分离的波长上才能重合。在反射率和带宽之间需统筹兼顾(精细度与反射率)。例题1三层增透膜的结构参数为：求在参考波长处的反射率和透过率。1231.88,/42.05,/21.71,/41.52snnnn第一步：以中间/2膜层为选定层，求其上下两个表面的等效反射率。上等效界面由空气，折射率为n1的/4膜层和中间/2膜层为选定层组成。下等效界面由基质，折射率为n3的/4膜层和中间/2膜层为选定层组成。求上等效界面的等效发射率R1：同样下等效界面的等效发射率R2为折射率为n1的/4膜层的特征矩阵22111221111111111///10/00/0cossin/sincosnnBCYinninninniCBinniinni22200211200212222.051.880.07072.051.88YnRYn2222223222232.051.710.00102.051.71ssssYnRYn第二步：求以上下两表面反射率分别为R1、R2的/2膜层等价透过率：1202212000230(1)(1)(10.0707)(10.001)110.07070.0010.997451sin10112.5510%RRTRRTTTTFFRTT当波长偏离参考波长时，n1、n3的/4膜层不再是/4膜层，所以R1和R2的值就发生变化；同样n3的/2膜层不再是/2，所以R值也发生变化。如图所示R1和R2与波长的曲线无交点。整个膜系透过率T曲线呈V型。g(0/)0.70.80.91.01.11.21.31.02.03.0R(%)R1R2R如果n3的折射率变为1.62,其它不变,则在参考波长处R1值不变,R2值变为0.00733。从图2.1.3知在参考波长两侧各有一个波长处，R1值＝R2值，整个膜系在该两处透过率最大（100%）。透过率曲线呈W型。通过调节间隔层的厚度(等价于调节等效相位厚)调节反射率最小的波长位置；改变第一层或第三层的厚度可以改变R1和R2对波长曲线的水平相对位置(等价于调节等效相位厚1、2)，其结果是改变低反射光谱的宽度以及整个膜系的反射率；利用不同的折射率n1、n3可改变R1和R2的相对大小。g(0/)0.70.80.91.01.11.21.31.02.03.0R(%)R1R2R1）以GM2HLA膜系为初始膜系，将目标设计指标输入膜系设计软件，将膜层厚度和折射率作为可调整的变量，由计算软件自动给出优化设计；简单，但经常无法满足要求。2）以GM2HLA膜系为初始膜系，将目标设计指标输入膜系设计软件，将膜层的折射率作为固定值而将膜层的厚度作为可调整变量，同时允许计算机在三层结构无法满足要求时增加膜层数（替代层），直至满足要求为止。可能会出现层数很多，膜层很薄的现象。多层减反膜的设计常用替代层：三层对称ABA结构任意一个周期性对称膜系都存在一个单层膜和它等效。这个等效的单层膜的折射率等于周期性对称膜系基本周期的等效折射率，而它的等效位相厚度等于基本周期的等效位相厚度与周期数之积。cossin/cossin/cossin/cossin/sincossincossincossincoseeeAAABBBAAAeeeAAABBBAAAinininininininin膜层特征矩阵等效二个独立方程五个参数（三个膜层厚度+两个材料折射率）一般处理方式为1）先选材料，即膜层折射率nA、nB；2）根据方程求出膜层厚度。A、B均为/2，有ne=n2A/nB。等效层的厚度仍然为/4的奇数倍。等效折射率既可以大于比实际膜层的折射率大，也可以比实际膜层的折射率小。A、B均为，有ne=nA，e=A。等效层的仍为虚设层。2A=B时，如果B为/2，则不存在(0.5AB0.5A)三层对称等效膜层。如果B为，则ne=(n3A/nB)1/2。ne既可以大于比实际膜层的折射率大，也可以比实际膜层的折射率小。对于参考波长，宽带减反膜的设计步骤：1）优化出一个可以达到目标的最少膜层的/4膜系结构；2）用三层对称膜系合成折射率不易实现的膜层；3）再次优化膜层厚度，以补偿合成所带来的特性下降。高折射率基底的减反膜红外光谱区常用红外基底材料：硅（n=3.5）、锗（n=4.0）、碲化铅（n=5.5）、砷化镓（n=3.3）、砷化铟、锑化铟等。常用增透膜材料：一氧化硅（8m及红外第一和第二大气窗口3~5和8~14m）；硫化锌（2~16m）；以及氧化钇、氧化钪等。红外减反膜设计规则遥减法1）所用膜层厚度均为/4膜厚；2）规定各膜层折射率从基底材料折射率开始逐渐递减排列；3）如果满足条件总结：1）掌握减反膜的作用及应用；2）掌握减反膜结构及其计算方法；3）了解减反膜设计的基本思路。12011...kskknnnnnnnn就可在下列k个波长处实现零反射。0000001111...,~22(1)422kkkkkk2.2高反膜作用和应用背景高反膜的作用：增加介质间界面反射，旨在减少损耗。反射镜的作用：改变光的传输方向。应用场合：所有需要改变光传输方向的地方均会用到。典型的有0反射镜、45反射镜等；也可分成介质膜反射镜和金属膜反射镜等。0反射镜45反射镜介质反射膜介质反射膜的特点：1）反射率高（~99.99%）；2）性能稳定;3）不易受损伤；4）对入射角敏感；5）带宽窄。介质反射膜应用场合：1）多元件复杂光学系统；2）激光谐振腔；3）高功率激光；4）不要求宽带的场合。介质反射膜特性分析：单层反射膜多层反射膜；周期膜系非周期膜系介质反射膜指标：反射率和带宽212222011022220110////sssssnYnnnnnnnRnnnnnn－＝＋n1ns，膜层起增反作用。但单层增反膜起的作用有限，所以要多层膜增反。采用厚度均为/4的高、低折射率交替的介质多层膜可以提高反射率。单层介质反射膜空气n0膜层n1基质ns周期性多层膜堆的反射率GH(LH)SA膜系22220220,(/)/(/)/SHHLSSHLHsSHLHsnnYnnnnnnnRnnnnn膜系等效反射率为－＋nHnL空气n0基质nsnLnHnHnLnHS个/4膜厚的LH膜堆的等效光学导纳为理论上，nH/nL越大或膜层数越多，则反射率越高。但由于材料吸收、散射等因素的影响，膜层数增加到一定数量时，反射率不再增加。膜层数增多，虽然反射率增加，但反射带宽不变，而且反射带宽外，反射率随波数出现明显的振荡。高反射的带宽特性对于GH(LH)SA膜系，如果每个LH膜组合的特征矩阵为那么S个LH膜系的总特征矩阵为1112S2122SmmMmm11122122mmMmm而且LH膜系的特征矩阵由上一章的讨论可知sinsincoscossincossincosLHLHLHLLLHHHiiMii22112211cossin22HLLHnnmmnn