光電功能薄膜技術研討光學薄膜基礎1

1、光學薄膜的基本概念和設計,光學薄膜的發(fā)展歷史,人類最早發(fā)現的五光十色的肥皂泡，水面上彩色斑爛的油膜，兩玻璃片間的空氣層中常呈現出色彩鮮艷的光環(huán)，所有這些現象早在十七世紀就引起了許多自然科學家的注意，他們各自部提出了一些初步解釋，但均不令人滿意 ，直到一百五十年以后，即1801年托馬斯 楊干涉實驗結果以及菲涅耳對此進一步發(fā)揚光大以后，上述現象才徹底為人們弄清，物理光學的基礎才從此建立起來今天我們可以說，整部薄膜光學的物理依據就是光的干涉。,夫瑯和費早在1827年制成了可以說是第一批減反射膜，他將經過精細地拋光的平面玻璃一半放在濃硫酸或濃硝酸中腐蝕。將玻璃上的酸液清洗干凈之后發(fā)現，經酸腐蝕的表面所

2、反射的光強遠低于另一半表面的反射光強，即酸經過的那部分玻璃表面失掉了某種成分，形成薄薄一層折射率比玻璃基底折射率低的失澤層，不過玻璃還未遭刻蝕， “因為其適時光仍和另一半表面一樣(實際上更高)，以致在透射光中仔細檢查也不能找出它們的分界線來，”經過硫酸或硝酸的這種處理之后，有些牌號的玻璃表面呈現美麗鮮艷的色彩；使光沿各種不同的角度入射，則色彩婉如肥皂泡一樣變幻無窮。,1886年瑞利在英國皇家協(xié)會報告說：“失澤”的冕玻璃平板，其反射比剛拋光更低原因是玻璃形成了薄薄的一層膜。1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章中寫到，在使用幾年后的普通物鏡的火石玻璃透鏡上“失澤”現象是十

3、分明顯的。我們很高興的是，能夠使這種火石玻璃的擁有者放心，通常用懷疑眼光看待的這層使玻璃“失澤”的薄膜，卻正是觀測者的“摯友”，因為它增加了物鏡的透射率。,事實上，泰勒發(fā)展了一種用化學侵蝕產生“失澤”而制作化學減反膜的方法。 目前制備光學應用的薄膜的主要方法是真空蒸發(fā)法和濺射法，后者在十九世紀中葉就發(fā)現了，而前者可追朔到二十世紀初。但在1930年以前，它們不能作為實用的鍍膜方法，因為沒有獲得高真空的真正適用的抽氣機，直到1930年出現了油擴散泵機械泵抽氣系統(tǒng)以后，制造實用的真空鍍膜機才成為可能。,三十年代中期德國的鮑爾和美國的斯特朗先后用真空蒸發(fā)方法制備了單層減反射膜，這種簡單的減反射膜至今在

4、一般的光學裝置上還被大量地應用。,折射率為152的玻璃敷有折射率為138的氟化鎂薄膜后，單面的反射損失可從4.2%減少到15%左右，例如7塊平板系統(tǒng)鍍膜后，在參考波長上總的透射率可近似地估計為： T(097)7807% 未鍍膜： T=(0.92)7=55.7% 這比沒有經過鍍膜處理的系統(tǒng)提高了約25的透射能量,應用于光學領域的薄膜可分成兩大部分，第一部分是光學薄膜，第二部分是光學波導及其相應器件，前者的特點是光橫穿過薄膜而進行傳播；后者的特征是光沿著平行薄膜界面的方向在膜內傳播，對于光學薄膜，在一塊基片上淀積五、六十層膜并非罕見，涂鍍工藝是比較成熟的；而對光學波導，則膜層層數一般不多，通常僅用

5、一層膜，其鍍制工藝仍處在發(fā)展初期。本課程是前一情況。,薄膜光學是物理光學的一個重要分支，它研究的對象是膜層對光的反射、透射、吸收以及位相特性、偏振效應等，簡而言之，它主要研究光在分層媒質中的傳播規(guī)律性。,光在通過分層媒質時，來自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向產生光的干涉現象，人們正是利用這種干涉現象，通過改變材料及其厚度等特性來人為的控制光的干涉，根據需要來實現光能的重新分配。,折射率 、消光系數 、吸收系數 、極化率 、 光電導率,基本光學常數，復折射率 的實部和虛部。,色散關系,“光學常數”，并非真正常數，入射光頻率的函數色散關系。 洛倫茲色散理論絕緣體和半導體 Drude色

6、散理論金屬,光學常數,光學材料的基本屬性,薄膜光學的幾個基本假設條件： 工作波段：光學 薄膜厚度于考慮的波長在一個數量級 薄膜的面積與波長相比可認為無限大 薄膜材料各向均勻、同性 薄膜材料為非鐵磁性材料 光穿過膜層而非沿著膜層在膜層內傳播,兩束光產生干涉的條件：,頻率相同,振動方向一致,位相相同或位相差恒定,麥克斯韋方程組,微分形式,積分形式,E電場強度 j電流密度矢量 D電位移矢量 jD位移電流矢量 H磁場強度 電荷密度 B磁感應強度 介電常數 磁導率 電導率,各向同性、均勻介質物質方程： D = E B = H j = E,平面電磁波理論E和H的關系,N=n-ik 復折射率,平面電磁波理論

7、E和H的關系,平面電磁波理論,平面電磁波理論 坡印廷矢量,電磁波傳播時，表示單位時間內通過單位面積的能矢量S,稱為坡印廷矢量，或能流密度,這表明電磁波坡印廷矢量和振幅平方及介質的光學導納成正比。,平面電磁波理論單一界面的反射和折射E和H的邊界條件,平面電磁波理論反射和折射定律,平面電磁波理論反射和折射定律,-菲涅爾折射定律 它不僅適用于介質，同樣適用于金屬。,平面電磁波理論反射和折射定律,垂直入射的情況：E和H都與界面平行 由于第二種介質中沒有反射波：H1=Ht E1=Et,在第一種介質中有正方向和反方向兩種波,平面電磁波理論反射和折射定律,r可以是正數、也可以是負數（180度為相越變）,平面電磁波理論反射和折射定律,對于傾斜入射：引進一個修正光納,薄 膜 光 學基礎理論,平面電磁波理論布儒斯特角,當光線入射到介質、金屬表面時p-光、s光反射率隨角度的變化情況,當第二介質是吸收介質，菲涅爾公式也是有效的，不同的只是這種介質的折射率N為復數:N=n-ik 由菲涅耳定律,第二種介質為吸收時的情況,第二種介質為吸收時的情況,波長為546nm的光入射到金屬Ag和Cu上的情形,不管入射角如何，反射光的位相變化不再是00或1800而是它們中間的某一角度, 同時s分量和P分量之間有