第1章--薄膜光学特性计算基础

光学薄膜技术OpticalthinfilmsandTechnology联系方式电话：[phone]QQ:323194299E-mail：[e-mail]皖西学院主要内容绪论第一章：光学薄膜特性的理论基础第二章：光学薄膜系统的设计（介质膜系及其应用）第三章:光学薄膜制备技术第四章：光学薄膜制备工艺第五章:薄膜材料及其性质第六章：光学薄膜特性测试研究范畴及内容主要论述层状介质的光学特性。薄膜是一薄的层状介质，是构成现代各种光电器件的基础。在薄膜层中，光波传输、电子效应都与其在块状材料中的行为不同。本课程主要讲述波在层状介质中的传播规律、膜系设计以及薄膜的制备、检测技术等。本课程的内容构架光学薄膜技术薄膜设计基本理论光学薄膜基本种类薄膜制造技术薄膜制造工艺减反射膜高反射膜截止滤光片带通滤光片偏振分束膜消偏振膜光学特性计算：导纳矩阵真空技术、薄膜沉积技术工艺参数、实验设计、厚度监控薄膜材料及其性质微观结构、常用材料薄膜特性测试光学特性测试非光学特性测试课程目的了解光学薄膜的基础理论及典型膜系，掌握简单的膜系设计方法；了解薄膜制备方法及相关工艺，了解常用光学薄膜的性能指标及相关检测方法；对有志从事薄膜领域工作的同学起到一定的作用；对从事其他学科研究、应用的同学起到了解光学薄膜、应用光学薄膜、用好光学薄膜的作用。课程特点人类生活在周围充满光的世界里，光是一种无时无刻都会遇到的自然现象。更重要的是：光是信息的重要载体，“有光就有膜”，薄膜光学是现代光学必不可少的基础技术，它是物理光学的一个重要分支。——专项技术。另一方面，由于光学薄膜的制备过程与真空技术、表面物理、材料科学、等离子体技术等密切相关，所以光学薄膜也可以称得上是一门——综合学科；薄膜光学技术随着现代科学技术的发展而迅速发展，特别是计算机技术给薄膜理论分析带来了巨大的方便。1.唐晋发，顾培夫，刘旭，等，现代光学薄膜技术，浙江大学出版社,20062.卢进军，刘卫国编著，光学薄膜技术,西安工业大学出版社3.唐晋发,郑权，应用薄膜光学，科学技术出版社，19864.唐晋发，顾培夫，薄膜光学与技术，机械工业出版社,19895.林永昌，卢维强，光学薄膜原理，国防工业出版社,1990主要参考书籍考试方式考试平时分：30%卷面分：70%什么是光学薄膜？什么是光学薄膜技术？光学薄膜的发展史？光学薄膜的种类？光学薄膜应用？绪论1.什么是光学薄膜肥皂泡、水面上的油膜镀膜镜片滤光片、反射镜光学薄膜：泛指在光学器件或光电子元器件表面各类膜系。介质膜系的作用：改变薄膜光学特性改变方法：利用物理化学等方法沉积的、利用光的干涉简而言之，指控制光束行为的薄膜。常见薄膜（增透、反射、分光、分色、带通或截止等）光学薄膜技术是光学技术的一个重要分支，包括(1)薄膜光学:研究光在分层媒质中的传播规律.(2)薄膜制备技术:研究光学薄膜的各种制备技术。2.什么是光学薄膜技术光学薄膜:光横穿过薄膜而进行传播光学波导:光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播注意:薄膜光学分为两种1、五光十色的肥皂泡、水面上色彩斑斓的油膜、两玻璃片间色彩鲜明的光环；2、早在17世纪，这些现象就引起了许多自然科学家的注意，他们各自提出了一些初步解释，但均不令人满意；3、1801年托马斯.杨干涉实验结果及菲涅尔对此进一步发扬光大，上述现象才彻底为人们弄清，物理光学的基础从此建立起来。薄膜光学的物理依据就是光的干涉。4、1827年，夫琅和费将抛光的平面玻璃一半放在浓硫酸或浓硝酸中腐蚀、清洗干净后发现，经酸腐蚀的表面所反射的光强远低于另一半表面的反射光强。3.光学薄膜的发展史5、1886年瑞利在英国皇家协会报告说：“失泽”的冕玻璃平板，其反射比刚抛光更低原因是玻璃形成了薄薄的一层膜。6、1891年丹尼斯.泰勒报到，在使用几年后的普通物镜的火石玻璃透镜上“失泽”现象十分明显。7、1930年出现了油扩散—机械泵抽气系统，可以获得高真空，实用的真空镀膜机才成为可能。目前制备光学薄膜的主要方法是：真空蒸发法（20世纪初）和溅射法（19世纪中期）8、30年代中期，德国的鲍尔和美国的斯特朗先后用真空蒸发方法制备了单层减反射膜；减反射膜Antireflectioncoatings高反射膜High-reflectancecoatings中性分束膜Neutralbeamsplitters截止滤光片Edgefilters带通滤光片Band-passfilters偏振分光膜Polarizingbeamsplitters相位膜Phasecoatings4.光学薄膜种类:根据薄膜对光束控制类型分类。5.光学薄膜的应用A:光学薄膜在光学系统中的作用：(1)提高光学效率、减少杂散光。如高效减反射薄膜、高反射薄膜。(2)实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。(3)通过波长的选择性透过，提高系统的信噪比。如窄带或带通滤光片、长波通、短波通滤光片。(4)实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等。B:与镀膜技术密切相关的产业镀膜眼镜、幕墙玻璃、滤光片,车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片,光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件，红外膜，投影显示等。第1章光学薄膜特性理论计算第1.1节电磁波及其传播第1.2节单一界面的反射和透射率第1.3节单层介质薄膜的反射和透射第1.4节多层介质薄膜的特性计算第1.5节金属薄膜的光学特性几个条件工作波段：光学波段薄膜厚度与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物理机理：光的干涉研究对象：光学薄膜而非光学波导第1.1节电磁波及其传播变化的电场和变化的磁场不断地相互转化，并由近及远的传播形成电磁波。Maxwell’sequations：0∇∇)2(∂∂-∇)1(∂∂∇BρDtBEtDjH物质方程：EjHBEDE—电场强度，H—磁场强度，D—电位移，B—磁感应强度j是传导电流密度矢量，是位移电流密度矢量，ρ是电荷体密度tDjD1.电磁波定义：说明：2方程的意义:揭示电场与磁场变化规律，电磁场与物质的关系。EjHBED将物质方程：代入到（1）和（2）式可得：)4(∂∂-=×∇tHE)3(∂∂+=×∇tEEH得到对（4）式取旋度，再将（3）式代人，可得根据矢量恒等式，（5）式的左边可写成：)5(∂∂∂∂-∂∇∂-∇∇tEEttHE()())6(∇-∇∇∇∇2EEE•=××2.波动方程目标，由2个微分方程就出单个量的微分方程（波动方程）波动方程的一个解：(8)vxt-iωE=Eexp0iv21波动方程：)7(∂∂∂∂∇222tEμσtEμεE+=它表示一个振幅为E0，角频率为的平面波，以速度υ沿x正向传播。H也有相似的表达式（5）式和（6）相等，并考虑到介质中没有空间电荷，即ρ=0，则D=E=0，此时可得对于一个沿正x方向的平面波：将（8）代入（7）即得到此式3.折射率：refractiveindex(1)对于不导电的均匀介质：(2)对于导电介质：vcnN(8)vxt-iωE=Eexp0意义：该式表示波长为λ的单色平面波沿x正向传播的波动方程。(1)若平面波沿确定的方向余弦（α、β、γ）传播则波动方程为：电磁波波动方程是波长及折射率的函数(1)表示电磁波在导电介质中是一个衰减波，消光系数k是介质吸收电磁波的度量。物理意义：(2)当x=λ/（2πk）时，振幅减小为原来的1/e。(3)振幅的减小是因为介质内产生的电流将波的能量转换为热能。(4)式中nx称为光程注意：吸收系数k与大学物理中有关光学k（2π/λ）是不同的！4.光学导纳（opticaladmittance)K0为单位矢量推导参照课本定义光学导纳在光波段r=1介质的光学导纳可写为y0—自由空间导纳自由空间N=11、Y以y0为单位时，Y=N（在光波波段介质复折射率表示光学导纳（r=1）磁场强度与电场强度关系通过Y联系在一起说明：2、H、E和k0相互垂直，且符合右手法则，光波是电磁横波；5.边界条件依据法拉第电磁感应定律：同样，在界面上下不存在传导电流（即j=0）时，考虑界面两边的电磁场，则d=0上式意义：电场强度E切向分量是连续的ttHH101.反射定律和折射定律反射定律折射定律第1.2节单一界面的反射和折射(透射)2.Fresnell’s公式振幅反射系数（菲涅耳反射系数）r=Er/Ei振幅透射系数（菲涅耳透射系数)t=Et/Ei求解方法：(1)E、H、k0之间的右旋法则(2)电磁场的边界条件在两种介质的分界面上没有面电荷和面电流的情况下，电磁场量H和E的切向分量是连续的。(1)垂直入射(k0光波传播方向）由切向分量连续：联合1式可得到注意：界面切向、法向区分？下标0表示上介质，下标1表示下介质上表：i、r、t分别表示入射、反射、投射说明：菲涅尔反射、投射系数仅与介质的折射率有关。(2)倾斜入射H与界面平行，称为TM波（横磁波）或称为p-偏振波E与界面平行，称为TE波（横电波）或称为s-偏振波定义：A:TM波(p偏振波)入射时，H与界面平行B：TE波，即S偏振波入射时，E与界面平行提示：电场强度方向为切向方向，磁场强度分解为切向与法向两个方向。引入修正导纳的好处是菲涅耳公式的形式简化易记了。psK10coscos1引入修正导纳NcosSN/cosp菲涅耳公式可改写为1010rK1002t11001100scosNcosNcosN-cosNr110000scosNcosNcos2Nt01100110pcosNcosNcosN-cosNr011000pcosNcosNcos2NtTE、TM波的菲涅尔反射系数相同，仅透射系数不同3.单一界面的反射率和透射率定义：反射率与透射率21010220i20rirrEEIIR2101021010201101010210102110010102001120i21t0o11it44coscoscoscos4)(4coscoscoscos4tcoscosEEcosNcosNIITpNNNNsNNNNNNppppssssN0N110AiAtAr其中，A是能量吸收率。对于无吸收的全介质膜系统T+R=1。1ARTcos/cosNNps注意区分：1、菲涅尔系数、与反射率、投射率的差别2、反射、透射率的定义薄膜系统存在多界面?等效界面思想1、等效介质:由薄膜、基底组合形成,具有等效光学导纳（Y）。2、等效界面两侧的介质：入射介质（N0）和等效介质薄膜系统的反射率=等效界面的反射率200YYR21010220i20rirrEEIIR知识点回顾第一节电磁波及其传播1、麦克斯韦、物质方程组2、波动方程3、折射率4、光学导纳5、边界条件第1.3节单层薄膜的反射和透射1、单层介质膜与基底组合的等效导纳2.单层介质薄膜的光学特性如果要求单层薄膜的反射率、透射率等→求出等效介质的光学导纳等效界面思想:单层薄膜反射率、透射率将单一界面的反射率、透射率公式中的第二介质的修正导纳变为等效介质光学导纳即可。1、单层薄膜系统等效导纳求解单层薄膜界面两侧的电磁场图中箭头的方向是与电场相对应的光的传播方向．即K0的方向。规定：1、除了另作说明外，Et、Ht均用E、H表示，下标省略2、薄膜上下界面上有无数的反射归并所有与初入射的波同方向的取+号，反方向的取-号（例如：在介质n0中所有向下的波之和记为E0+在介质n0中所有向下的波之和记为E0-）3、在1~2边界内的电场均记