光學薄膜--范正修【專業(yè)教育】

1、范正修 2006年10月26日,光學薄膜及其應(yīng)用,1,特備參考,主要內(nèi)容,薄膜概況 光學薄膜一般性質(zhì) 光學薄膜在一些光學系統(tǒng)中的應(yīng)用 光學薄膜的激光損傷,2,特備參考,主要內(nèi)容,光學薄膜概況 光學薄膜一般性質(zhì) 光學薄膜在一些光學系統(tǒng)中的應(yīng)用 激光對光學薄膜的破壞,3,特備參考,薄膜概況,研究領(lǐng)域 薄膜物理 薄膜化學 薄膜材料 薄膜力學 應(yīng)用領(lǐng)域 光學薄膜 電學薄膜 半導體薄膜 磁性薄膜 生物薄膜,4,特備參考,薄膜光學形成發(fā)展歷史,17世紀中期，“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（Robert Boyle and Robert Hooke） 1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 1816 Fre

2、snel 發(fā)現(xiàn)了光波偏振特性,結(jié)合Yong干涉理論及Huygens的子波傳播理論形成了光波衍射理論 1817 Fraunhofer制成了第一塊減反薄膜 1873 Maxwell提出了Maxwell方程（A Treatise on Electricity and Magnetism,5,特備參考,1886 Rayleigh 證實了Fresnel反射定律 1899 Fabry-Perot 干涉儀 1932 Rouard發(fā)現(xiàn)金屬薄膜可以增加外部反射、降低內(nèi)部反射 1934 Bauer用鹵化物制備了減反薄膜 1934 Pfund用ZnS為Michelson干涉儀制備分束鏡 1939 Geffcken制

3、備了金屬介質(zhì)干涉濾光片,6,特備參考,光學薄膜概況,薄膜特點 干涉原理，相干相長與相干相消 重要性 “有光就有膜” 涉及生活方方面面，如眼鏡，裝飾膜等，投影系統(tǒng)，光學系統(tǒng)，大型激光裝置等 面臨問題 涉及到薄膜制備的各個方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意設(shè)計光性曲線，可用沉積技術(shù)少，沉積過程控制水平不高等,7,特備參考,主要內(nèi)容,薄膜概況 光學薄膜一般性質(zhì) 光學薄膜在一些光學系統(tǒng)中的應(yīng)用 激光對光學薄膜的破壞,8,特備參考,光學薄膜一般性質(zhì),理想光學薄膜 光學薄膜吸收及散射 折射率不均勻性和折射率漸變薄膜 薄膜的各向異性和雙折射薄膜 薄膜的偏振和消偏振特性,9,特備參考,薄膜的

4、相位及位相薄膜 等效折射率、等效導納和等效界面 薄膜的色散及色散補償 薄膜的應(yīng)力及應(yīng)力控制,10,特備參考,理想光學薄膜,光學薄膜 改變光束切向方向薄膜波導 改變光束法向方向光學薄膜,薄膜波導,11,特備參考,理想光學薄膜,薄膜光性計算方法 等效界面法 矩陣法,等效界面法,12,特備參考,矩陣法,界面的透射及反射系數(shù),第一個界面處的電場關(guān)系,薄膜內(nèi)部的電場關(guān)系,薄膜內(nèi)部電場方向符號表示,13,特備參考,依次類推,矩陣法,設(shè),則,可以得到,14,特備參考,光學薄膜吸收,材料吸收 共振吸收 單光子吸收 自由電子吸收 雜質(zhì)吸收 色心吸收 聲子吸收 多光子吸收,15,特備參考,光學薄膜吸收,折射率由實

5、數(shù)變?yōu)閺蛿?shù)： 折射角由實數(shù)變?yōu)閺蛿?shù)： 等效導納由實數(shù)變?yōu)閺蛿?shù)； 反射系數(shù)和透射系數(shù) . 膜層厚度引起的位相差,16,特備參考,光學薄膜吸收,反射系數(shù) 透射系數(shù),17,特備參考,勢透過率與薄膜吸收損耗,勢透過率 反射率 透射率 吸收率,18,特備參考,光學薄膜的散射,光學薄膜的表面散射 光學薄膜的體散射,19,特備參考,光學薄膜的表面散射,表面統(tǒng)計參量 均方根粗糙度（RMS） 相關(guān)長度 高度分布函數(shù) 自協(xié)方差函數(shù)（ACF） 表面散射處理方法 標量理論散射總損耗問題 矢量理論研究散射的角分布,20,特備參考,光學薄膜的表面散射,散射引起界面反射及透射系數(shù)變化,21,特備參考,光學薄膜的體散射,體散

6、射的貢獻與薄膜的吸收類似 存在散射薄膜的位相厚度,界面起伏引起的厚度變化,體散射等效的吸收,22,特備參考,多層膜散射特性,理想多層薄膜,上述參數(shù)利用散射薄膜的相應(yīng)值替換,23,特備參考,光學薄膜的分層界面散射模型,24,特備參考,不同RMS粗糙度條件下玻璃基片的Rs和TIS變化曲線,計算實例,25,特備參考,梯度折射率薄膜,光學薄膜通常具有折射率漸變性質(zhì) 利用折射率漸變設(shè)計并制備新型薄膜,26,特備參考,梯度折射率薄膜,梯度折射率薄膜內(nèi)電磁場傳輸,由解微分方程可得到電磁波在非均勻介質(zhì)中的傳輸狀況，但是解微 分方程的方法主要決定于折射率漸變的函數(shù)，只有在某些情況下才能 精確解,27,特備參考,

7、梯度折射率薄膜設(shè)計方法,薄膜特征矩陣法 傅立葉合成法 計算機輔助設(shè)計,28,特備參考,梯度折射率膜的應(yīng)用,利用GLAD技術(shù)制備的寬帶增透薄膜,29,特備參考,梯度折射率膜的應(yīng)用,Rugate小波函數(shù)折射率曲線及光譜特性,30,特備參考,梯度折射率膜的應(yīng)用,紅色濾光片折射率隨厚度變化圖和0入射時膜層透過率曲線圖,31,特備參考,薄膜的各向異性和雙折射薄膜,各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu) 雙折射薄膜理論分析 雙折射薄膜生長過程模擬 雙折射薄膜實驗制備及光學特性分析,32,特備參考,各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu),1995年，Robbie小組最早利用GLAD技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的MgF2 “雕塑”薄膜，并用掃描電鏡觀察到

8、薄膜的螺旋結(jié)構(gòu) K. Robbie, M. J. Brett, A. Lakhtakia.First thin film realization of a helicoidal bianisotropic medium , J. Vac. Sci. Technol A, Vol.13:2991 (1995,雕塑薄膜的制備示意圖,33,特備參考,雙折射薄膜理論分析,介電常數(shù)變?yōu)榻殡姀埩?雙折射結(jié)構(gòu)二維理論模型 雙折射結(jié)構(gòu)三維理論模型 雙折射薄膜界面特性分析 雙折射薄膜的電場傳輸特性分析,34,特備參考,雙折射結(jié)構(gòu)二維理論模型,表示不同的入射方向，傾斜柱 表示薄膜的柱狀方向,S偏振光的有效介電常數(shù)

9、入射角無關(guān)的物理量，取決于柱狀結(jié)構(gòu)的方向等參量。但是P偏振光與入射方向及柱狀結(jié)構(gòu)的方向有關(guān)， 經(jīng)過數(shù)學推導，可以得到P偏振光折射率的解析形式,WANG Jian-Guo, SHAO Jian-Da, FAN Zheng-Xiu, Chinese Physics Letters, 2005, 22(1): 221223,35,特備參考,雙折射結(jié)構(gòu)三維理論模型,傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的三維示意圖，其中，d 為薄膜厚度(或光柵凹槽深度)； x,y為x軸和y軸方向的光柵周期；Lx,y是x方向和y方向光柵脊的寬度,傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的截面示意圖，其中 為柱狀角的方向,WANG Jian-Guo, SHAO Ji

10、an-Da, and FAN Zheng-Xiu, Chinese Physics Letters, 2005, 22(1): 221223,36,特備參考,雙折射薄膜界面特性分析,雙折射特性增加光波在界面?zhèn)鬏數(shù)膹碗s性 即使對單軸雙折射薄膜，同樣存在不同于各向同性界面的傳輸行為 同側(cè)折射,37,特備參考,雙折射薄膜的電場傳輸特性分析,非常波在各向同性介質(zhì)與各向異性介質(zhì)界面處的入射波、反射波和折射波的示意圖,非常光波在雙折射薄膜內(nèi)部正向及反向傳播的波矢及光線方向示意圖,38,特備參考,雙折射薄膜界面同側(cè)折射,在雙折射薄膜與入射介質(zhì)界面產(chǎn)生同側(cè)折射現(xiàn)象時對應(yīng)的范圍隨入射角度的變化關(guān)系,光線在兩個沿

11、光軸成45度角切割的具有正折射率的單軸晶體界面出現(xiàn)的同側(cè)折射現(xiàn)象,Y. Zhang, B. Fluegel, A. Mascarenhas, Phys. Rev. Lett. 91, 157404 (2003,H.J. Qi, J.G. Wang, J.D. Shao, Z.X. Fan, Science in China, Ser. G, 2005, 48(5): 513520,39,特備參考,雙折射薄膜的電場傳輸特性分析,垂直入射條件下雙折射薄膜界面及內(nèi)部正向及反向傳播的電場示意圖,各向同性薄膜特征矩陣,其中,對于p偏振光,對于s偏振光,40,特備參考,利用電磁場切向連續(xù)條件，可以得到,其

12、矩陣形式為,特征矩陣,同樣，上述結(jié)果可以推廣到多層薄膜,H.J. Qi, D.P. Zhang, J.D. Shao and Z.X. Fan. “Matrix analysis of anisotropic optical thin film”, Europhysics Letters, 2005, 70(2): 257263,41,特備參考,Zig-Zag生長的Monte Carlo 模擬,薄膜生長簡化模型 無邊沿粘附、無擴散 有邊沿粘附、無擴散 有邊沿粘附、有擴散 入射粒子傾斜引入 對稱改變?nèi)肷浣嵌?粒子在一維晶格上沉積及吸附示意圖，可能的吸附位置用(ad)表示,擴散粒子最近鄰位置示意圖

13、及編號,42,特備參考,不同沉積溫度下束流入射角為60時薄膜模擬結(jié)果,H.J. Qi, J.D. Shao, D. P. Zhang, K. Yi, Z.X. Fan, Applied Surface Science (Accepted,43,特備參考,夾具運動的計算機控制示意圖,王建國,邵建達,范正修.夾具三維運動控制裝置,發(fā)明專利申請?zhí)? 200410018497.6 王建國,邵建達,范正修.鍍膜夾具的計算機控制裝置，發(fā)明專利申請?zhí)? 200410084247.2,雙折射薄膜實驗制備及分析,44,特備參考,a) =60 （b） =80 不同角度制備ZrO2薄膜的SEM結(jié)構(gòu),60 時, =3

14、3； =80 時, =45,ZrO2薄膜結(jié)構(gòu)與光性分析,45,特備參考,不同基片旋轉(zhuǎn)速度制備的ZrO2薄膜的SEM結(jié)構(gòu) (a) 0rpm; (b) 0.14 rpm; (c) 1.08 rpm; (d) 17.3 rpm,柱體直徑在3050nm之間,46,特備參考,TiO2 薄膜斷面SEM結(jié)構(gòu) (a) =60 (b) =70 (c) =75 (d) =80,TiO2薄膜結(jié)構(gòu)與光性分析,47,特備參考,GLAD TiO2 薄膜的表面SEM結(jié)構(gòu), (a) =60; (b) =70; (c) =75; (d) =80; 內(nèi)插圖為表面結(jié)構(gòu)的FFT變換。兩個耳朵的形貌表明GLAD表面具有各向異性的結(jié)構(gòu),

15、48,特備參考,TiO2薄膜：沉積角度為75，基片的旋轉(zhuǎn)速度分別為: (a) 0.135rpm(b) 1.08rpm(c)17.3rpm,a,b,c,49,特備參考,位相延遲膜,定義及應(yīng)用背景 分類 設(shè)計與實驗結(jié)果,50,特備參考,反射式相位延遲器能對入射偏振光的p, s分量的相位發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一定的相移，但是并不影響其高的反射率。 相位延遲器（QWR）對每個波長在主角范圍內(nèi)，均能獲得相移，即對入射線偏振光產(chǎn)生相位變化，把線偏振光變成圓偏振光，反之亦然。 在具有波片功能的同時，還可用作光束相移轉(zhuǎn)向器件及光束相移平移器件,位相延遲膜,51,特備參考,位相延遲膜,角立方反射鏡： 利用光束在3塊

16、空間互成54.7的反射鏡的表面3次反射，反射光偏振態(tài)的變化而獲得相位延遲。 外反射式相位延遲器： 利用不同偏振態(tài)光在不同厚度的膜層相位變化而獲得相位延遲。 全內(nèi)反射式相位延遲器： 利用光的全內(nèi)反射原理以及不同偏振態(tài)光穿透深度不同而調(diào)節(jié)相位延遲,52,特備參考,入射角為54, 270相位延遲膜的透射率和相移特性,全介質(zhì)層相位延遲膜設(shè)計與制備,53,特備參考,入射角為45,全介質(zhì)層相位延遲膜的設(shè)計、實驗測量與擬合曲線（該樣品的在1315nm處相移為267.5，與設(shè)計要求的僅相差2.5,全介質(zhì)層相位延遲膜設(shè)計與制備,54,特備參考,雙波段相位延遲膜設(shè)計的光譜特性和相移特性曲線,在632.8nm需要達

17、到85左右的反射率，相對于相移在設(shè)計光譜范圍內(nèi)的振蕩增大,雙反射帶相位延遲膜的設(shè)計與制備,55,特備參考,雙波段相位延遲膜的測試的光譜特性和相移特性曲線,樣品在1315nm處的相移值為267.2，僅與設(shè)計值相差2.8,56,特備參考,單層膜的相位延遲,寬波段相位延遲膜的設(shè)計,57,特備參考,等效折射率、等效導納和等效界面,等效折射率、導納和界面概念 等效折射率理論推導,58,特備參考,等效折射率,對稱膜系pqp的矩陣推導,單層膜的特征矩陣,59,特備參考,60,特備參考,等效折射率,對于一個對稱周期膜系(PQP) S,若,若,是有條件的，該條件正好對應(yīng)截止區(qū)與透射區(qū)的分界線,61,特備參考,6

18、2,特備參考,禁帶區(qū),透射區(qū),63,特備參考,等效折射率性質(zhì),64,特備參考,等效折射率應(yīng)用波紋壓縮,0.5LH0.5L)4 膜系產(chǎn)生的波紋,65,特備參考,波紋壓縮方法,選取適當?shù)慕M合膜，使其通帶內(nèi)的等效折射率與基片相接近 改變基本周期內(nèi)的膜層厚度，使其等效折射率變到更接近的預期值 在多層膜的兩側(cè)(靠近基底側(cè)和靠近入射介質(zhì)側(cè))加鍍匹配層，使其同基底以及入射介質(zhì)匹配,66,特備參考,目標：壓縮500nm附近的波紋,實例一,67,特備參考,0.62M(0.5LH0.5L)12 0.72N M=1.38 N=1.11 L=1.46 H=1.86,68,特備參考,Glass/0.9(0.5HL0.5

19、H)2 (0.5HL0.5H)9 0.99(0.5HL0.5H)3/Air,實例二,69,特備參考,實例三：顏色濾光片設(shè)計,綠色濾光片設(shè)計曲線圖（H(HLH2L)5 H7L，H: 2.3, L:1.45,紅色濾光片設(shè)計曲線（HM(HL)11 (HN)1 1.16(HN)2 1.16(HL)9 0.58H，H:2.3 L:1.46 M:1.79 N:1.6,70,特備參考,薄膜的色散及色散補償,群速度的色散 光學薄膜色散（GT腔） 啁啾鏡的定義、設(shè)計及制備,71,特備參考,群速度的色散,體現(xiàn)了光波能量的信息，表征了多個頻率成分的整體（群）行為,載波表征整個光波的相位信息，其傳遞速度被定義為相速度

20、,72,特備參考,受介質(zhì)折射率色散的影響，含有介質(zhì)折射率的波矢,其展開式的一階系數(shù) 定義為群速度延遲,二階系數(shù) 定義為群速度色散,通常情況下，利用下式表示對位相的整體關(guān)注,GD,GDD,TOD,73,特備參考,群速度的色散,高斯極限脈沖,通過色散介質(zhì)的脈沖,當高斯極限脈沖通過色散介質(zhì)，會發(fā)生頻率啁啾，脈沖展寬。而鈦寶石是正色散介質(zhì)，加上自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)，在振蕩器里產(chǎn)生的光脈沖會發(fā)生上啁啾，也就是高頻成分滯后,脈沖同時被展寬,74,特備參考,光學薄膜的色散分析,對于高反射膜，Rb=100%，令,則,75,特備參考,GT腔的色散分析,76,特備參考,GT腔的色散分析,薄膜反射系數(shù)為,薄膜反射

21、率為,反射光的相位變化,77,特備參考,R=0.16時反射光的相位變化、群延遲時間、群延遲色散及三階色散,78,特備參考,GT腔進行色散補償實例,Cr:LiSAF晶體的GDD和TOD,79,特備參考,GT腔進行色散補償實例,設(shè)計的G-T鏡的膜層結(jié)構(gòu)（左圖）及對3-mmCr:LiSAF晶體的正群延遲色散進行補償后剩余群延遲色散（右圖,80,特備參考,啁啾鏡,定義及分類 理論設(shè)計 制備結(jié)果,81,特備參考,啁啾鏡,啁啾鏡特征 在運轉(zhuǎn)波段內(nèi)有足夠高的反射率； 具有與運轉(zhuǎn)激光相匹配的群色散延遲補償能力； 考慮到抗激光損傷的要求，在運轉(zhuǎn)波段內(nèi)沒有場強的共振吸收峰,群色散延遲和補償薄膜具有啁啾特性，所以稱

22、為啁啾鏡或啁啾薄膜,82,特備參考,啁啾鏡類型,83,特備參考,啁啾鏡的特點,一般啁啾鏡缺點：相位調(diào)制產(chǎn)生波紋、在腔內(nèi)形成較強的駐波場 雙啁啾鏡優(yōu)點：在啁啾波區(qū)腔外側(cè)的反射率為零，以此來消除共振效應(yīng)和位相色散波紋本身的駐波場。 雙啁啾鏡的設(shè)計思路：在單啁啾膜諧振層的外側(cè),構(gòu)筑一個寬頻帶減反射膜。耦合模理論可以給出良好的匹配條件,84,特備參考,啁啾鏡設(shè)計方法,傅立葉變換法 光學諧振方法 非周期膜系設(shè)計方法,85,特備參考,傅立葉變換法,對于折射率按一定規(guī)律分布的薄膜，在薄膜厚度處微分反射系數(shù),薄膜的反射系數(shù),傅立葉變換形式,反傅立葉變換,為了實現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)的高反射，薄膜必須有rugate結(jié)構(gòu)

23、，即,86,特備參考,光學諧振方法,由于光學薄膜的位相特性取決于光波在薄膜中行進的路程，所以可以利用附加共振腔的方法獲得必要的群延遲色散率。共振腔層的存在可以誘導光波進入膜層內(nèi)部，通過共振腔的數(shù)目及其在膜系中的位置可以改變共振波長，因此可以調(diào)節(jié)不同級次延遲色散的大小和正負,87,特備參考,非周期膜系設(shè)計及雙啁啾,88,特備參考,啁啾鏡制備,飛秒脈沖鎖模實驗得到的15fs脈沖,89,特備參考,薄膜的應(yīng)力及應(yīng)力控制,薄膜應(yīng)力 熱應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力 多層膜應(yīng)力模型 薄膜的面形控制 工藝參數(shù)對薄膜應(yīng)力影響 調(diào)整工藝參數(shù)控制薄膜應(yīng)力,90,特備參考,薄膜應(yīng)力,熱應(yīng)力 若薄膜與基片間的熱膨脹系數(shù)不同或溫度在基片

24、中不均勻分布，基片將產(chǎn)生附加變形，這種與溫度相關(guān)的變形驅(qū)動力即為熱應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力 薄膜應(yīng)力起源于薄膜生長過程中的某種結(jié)構(gòu)不完整性(如雜質(zhì)、空位、晶粒邊界、位錯和層錯等)、表面能態(tài)的存在以及薄膜與基片界面間的晶格錯配,91,特備參考,薄膜應(yīng)力與基底彎曲,92,特備參考,多層膜應(yīng)力模型,模型假設(shè) 多層膜中的膜層在平行于基底的平面上為各向同性 膜層之間的界面互不相濕,93,特備參考,多層膜應(yīng)力模型,厚度為t的膜層沉積在基底上時，由于力及瞬時力矩的平衡作用，所產(chǎn)生的沉積應(yīng)力可表示為,其中，b為圓形基片的直徑， Ef為膜層的雙軸模量， 為薄膜基底復合體的中性軸位置，F(xiàn)為膜層沉積所引起的基底與膜層之間的大小

25、相等方向相反的力,熱應(yīng)力為A、B兩種材料與基底之間熱應(yīng)力的和，表示為,其中EA、EB，A、B，A、B分別為材料A和材料B的彈性模量、泊松比及熱膨脹系數(shù),94,特備參考,多層膜應(yīng)力模型,模型計算結(jié)果與實驗曲線的擬合情況,95,特備參考,工藝參數(shù)對薄膜應(yīng)力影響,沉積溫度對ZrO2薄膜應(yīng)力影響,沉積溫度對SiO2薄膜應(yīng)力影響,96,特備參考,薄膜應(yīng)力控制,沉積參數(shù)調(diào)整 沉積溫度 沉積速率 氧分壓等 薄膜后處理技術(shù) 背面鍍膜 退火 離子刻蝕,97,特備參考,光學薄膜概況 光學薄膜一般性質(zhì) 光學薄膜在一些光學系統(tǒng)中的應(yīng)用 激光對光學薄膜的破壞,主要內(nèi)容,98,特備參考,光學薄膜在一些光學系統(tǒng)中的應(yīng)用,光

26、學薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用 光學薄膜在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 光學薄膜在顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用 極紫外和軟X射線薄膜,99,特備參考,光學薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用,激光系統(tǒng)中對薄膜的要求 光性、閾值、面形 幾種主要光學薄膜 光學薄膜常用沉積技術(shù) 電子束技術(shù)制備光學薄膜 離子束輔助技術(shù)沉積光學薄膜 離子束濺射技術(shù)沉積光學薄膜,100,特備參考,反射膜,常規(guī)反射膜 介質(zhì)反射膜 金屬反射膜 金屬介質(zhì)反射膜 反射膜進展 超快系統(tǒng)中反射膜,101,特備參考,電介質(zhì)反射膜,標準結(jié)構(gòu) 奇數(shù) 偶數(shù) 反射率 奇數(shù) 偶數(shù) 帶寬,102,特備參考,金屬及金屬介質(zhì)反射膜,金屬反射膜的反射率,利用低折射率材料，先把金屬光學常數(shù)中的虛

27、部轉(zhuǎn)化為0，然后再鍍介質(zhì)反射膜后的反射率為,臨近金屬層的低折射率層的厚度為,103,特備參考,反射膜反射率進展,104,特備參考,超快系統(tǒng)中反射膜,脈沖寬帶對反射膜性能的影響,105,特備參考,增透膜,常規(guī)增透膜理論 矢量合成方法 單波長增透 寬帶增透 超寬帶增透,106,特備參考,矢量作圖法,此方法設(shè)計減反薄膜時比較直觀，其前提條件為： 膜層中無吸收層 薄膜特性可以近似的由界面處單次反射來決定,界面處振幅反射系數(shù)為,薄膜單層的位相厚度為,考慮到膜層的位相延遲，則反射系數(shù)為,107,特備參考,符號定義及旋轉(zhuǎn)方向,108,特備參考,單波長增透膜,單層增透膜 膜系結(jié)構(gòu)： A/L/G 反射率,雙層增

28、透膜 膜系結(jié)構(gòu)：A/LH/G 折射率之間的關(guān)系,109,特備參考,增透膜,三層和多層寬帶增透膜 實現(xiàn)寬帶增透 層數(shù)越多，增透帶寬越大，效果越好 倍頻增透膜 通常用矢量法設(shè)計 需要層數(shù)比增透波長數(shù)目多一 多波長增透膜 可用矢量法，計算機優(yōu)化更方便,110,特備參考,三倍頻增透膜實例,111,特備參考,多波長增透膜設(shè)計實例,112,特備參考,干涉濾光片,結(jié)構(gòu)及理論分析 FP腔 干涉帶通濾光片的類型 其它濾光片類型 窄帶和超窄帶濾光片 寬帶和超寬帶濾光片 長通和短通截止濾光片,113,特備參考,膜系結(jié)構(gòu),114,特備參考,當 , 時,當,時,當,時,115,特備參考,干涉濾光片,干涉帶通濾光片的類型

29、 金屬濾光片：G/M2LM/G 透導濾光片G/(HL)mHXLMXLH(LH)m/G 電介質(zhì)濾光片：G/(HL)m 2H(LH)m/G,116,特備參考,干涉濾光片的實例,117,特備參考,雙腔濾光片, 膜系結(jié)構(gòu)： G/(HL)8H 2H H(LH)8 L(HL)8H 2H H(LH)8,118,特備參考,薄膜的偏振和消偏振特性,薄膜起偏振原因 偏振分光設(shè)計 棱鏡型 平板型 雙折射多層膜 消偏振設(shè)計,119,特備參考,傾斜入射起偏振實例,120,特備參考,兩種偏振態(tài)光波分離原因,等效導納發(fā)生變化,p-偏振,s-偏振,傾斜入射起偏振原因,121,特備參考,圖1，圖2分別表示入射介質(zhì)分別為空氣、玻

30、璃（n=1.52）時 不同材料的p, s光修正導納隨入射角度變化的情況,圖 1,圖 2,122,特備參考,為了對兩種不同材料滿足布儒斯特角條件，P光等效折射率必須相等,同時由折射定律,可以得到,棱鏡型偏振分光設(shè)計,123,特備參考,空氣中入射角度為0時的光譜曲線,空氣中入射角度為13度時的光譜曲線,棱鏡型偏振分光設(shè)計,124,特備參考,空氣中入射角度為13時的光譜曲線,實物圖片及光路傳輸,棱鏡型偏振分光設(shè)計,125,特備參考,工作波區(qū)為,平板偏振膜,126,特備參考,平板偏振膜實例,127,特備參考,雙折射薄膜實現(xiàn)起偏,p偏振分量膜系結(jié)構(gòu)為1.52/3HL3HL (2H2L)11 2H 2L

31、H/1.0,128,特備參考,薄膜消偏振設(shè)計,利用入射介質(zhì)、膜層和基片組合設(shè)計 利用吸收膜系實現(xiàn)消偏振分光鏡設(shè)計 利用受抑全反射原理設(shè)計大角度下消偏振設(shè)計 利用薄膜雙折射特性實現(xiàn)消偏振設(shè)計 利用計算機優(yōu)化程序進行設(shè)計,129,特備參考,利用入射介質(zhì)、膜層和基片組合,定義偏振分離量 為,對于(H/2LH/2)組合，在,若低折射率的值是高折射率值的三次方時，該膜層組 合在該波長處無偏振分離,處,130,特備參考,吸收膜系實現(xiàn)消偏振分光鏡設(shè)計,光波在介質(zhì)中的傳播是橫波，但光波在金屬中就不再是純橫波，它還有一部分是縱波，因此偏振效應(yīng)比較小，并且金屬膜的中性好，所以采用介質(zhì)-金屬-介質(zhì)消偏振膜系比全介質(zhì)

32、消偏振薄膜具有更優(yōu)良的特性。 金屬膜P偏振反射率最小值可近似表示為,純AG反射率和波長關(guān)系曲線 1.52(Ag)1.52,131,特備參考,吸收膜系實現(xiàn)消偏振分光鏡設(shè)計,其次是設(shè)計Ag膜兩側(cè)得匹配膜系，銀膜兩側(cè)介質(zhì)材料相同，入射角相同，對于同一厚度的銀膜來說，介質(zhì)折射率越高，偏振效應(yīng)越小,AG+匹配介質(zhì) 反射率和波長關(guān)系曲線 1.52(ZnS Ag ZnS)1.52,132,特備參考,一般為了進一步減少偏振效應(yīng)，需要插入中間折射率材料，比如選用MgO, MgF2材料，然后采用Needle方法進行數(shù)值優(yōu)化，一個12層膜系設(shè)計結(jié)果如下（45入射,133,特備參考,利用受抑全反射原理設(shè)計大角度下消偏

33、振,棱鏡中單層膜的反射,發(fā)生FTIR時,134,特備參考,設(shè)計實例,d1取不同厚度值時的p, s兩種偏振光的反射率曲線(n0=2.4、n1=1.38，入射角度為45,d1取不同厚度值時的p, s兩種偏振光的反射率曲線(n0=1.81、n1=1.46，入射角度為45,135,特備參考,入射角度為45時設(shè)計結(jié)果，其中nA=n0=2.4 nB=1.38,入射角度為62時設(shè)計結(jié)果，其中nA=n0=1.81 nB=1.46,136,特備參考,雙折射薄膜消偏振設(shè)計,消偏振薄膜設(shè)計思路 消偏振薄膜設(shè)計實例 分束薄膜 截止濾光片 帶通濾光片 寬帶增透薄膜,137,特備參考,正晶體,光軸,n0,ng,在這種特殊

34、情況下，兩種偏振態(tài)光波分離，且在界面均遵守 Snell定律,界面 1,界面 2,消偏振薄膜設(shè)計思路,138,特備參考,如同各向同性薄膜，在消偏振分截止濾光片及帶通濾光片中經(jīng)常利用高低折射率交替膜堆 HLH,139,特備參考,H-層,L-層,140,特備參考,對于兩種偏振態(tài)，高低折射率比值分別為,s-偏振光,p-偏振光,為了實現(xiàn)消偏振薄膜設(shè)計，必須滿足下列方程,因此，折射率調(diào)整須滿足,141,特備參考,對于p偏振光，膜系的結(jié)構(gòu)為 1.52/(HL)15 H/1.0,45消偏振分束薄膜,H.J. Qi, R.J. Hong, K. Yi, J.D. Shao, Z.X. Fan, “Non-pol

35、arizing beam splitter design”, Europhysics Letters, 2004, 67 (5): 859-865,142,特備參考,對于s偏振光波，薄膜結(jié)構(gòu)為：1.52/0.8620H 0.3698L 1.3012H 0.7343L 1.3777H 0.6182L(HL)11 0.8250H 1.0547L 0.3934H 0.4887L/1.0,45消偏振截止濾光片,143,特備參考,對于p-偏振光，膜系為： 1.52/(HL)10 H 2L (HL)10 H L (HL)10 H 2L (HL)10 H /1.0,45消偏振寬帶通濾光片,144,特備參考,

36、對于p-偏振光，膜系為：1.52/1.5037H 2.5875L 2.1166H 1.0280L 0.9722H 1.0141L H (HLHLHLH)4 H 0.9442L 0.8298H 0.6370L/1.0,H.J. Qi, R.J. Hong, K. Yi, J.D. Shao, Z.X. Fan, “Non-polarizing and polarizing filter design”, Appl. Opt., 2005, 44(12): 2343-2348,145,特備參考,波長分離膜（倍頻,146,特備參考,短波通濾光片的實例,消半波孔的短波通薄膜的制備,147,特備參考,抽

37、運光與輸出光的分離膜,148,特備參考,抽運光與輸出光的分離膜,149,特備參考,光學薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用,光學薄膜常用沉積技術(shù) 電子束技術(shù)制備光學薄膜 離子束輔助技術(shù)沉積光學薄膜 離子束濺射技術(shù)沉積光學薄膜,150,特備參考,電子束技術(shù),鍍膜室內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖及薄膜中心1800直徑的電子束蒸發(fā)鍍膜機,151,特備參考,離子束輔助技術(shù),優(yōu)點 提高薄膜致密性 抑制薄膜內(nèi)大缺陷生成 合適工藝可以提高薄膜損傷閾值,152,特備參考,離子束濺射技術(shù),濺射過程三個階段 離子源發(fā)射高能撞擊離子； 被濺射的粒子（原子或分子）出射靶面； 被濺射的粒子沉積在基片上成膜,153,特備參考,光通信薄膜類型 有各類減反

38、射膜、波帶分離膜、增益平坦濾光片(GFF)、波分復用濾光片(WDMF)和交叉波分離器(interleaver)等等,光學薄膜在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,154,特備參考,155,特備參考,光通訊對薄膜濾光片的要求 極端穩(wěn)定的中心波長 窄的帶寬：目前200G、100G濾光片已是通用商品，50G濾光片（半寬小于0.4nm），工藝成熟并實現(xiàn)系統(tǒng)運行 高透過率：高通帶率，低通帶波紋 高矩形度，高截止度，必須用多腔濾光片構(gòu)成 高的環(huán)境穩(wěn)定性，膜層必須足夠致密，堆積密度約為1 高溫度穩(wěn)定性，與基體的熱應(yīng)力匹配，進行力學補償 通帶內(nèi)的群延遲色散補償,156,特備參考,157,特備參考,薄膜濾光片制備中使用技術(shù) D

39、WDM濾光片的溫度漂移及抑止技術(shù) DWDM濾光片群延遲及群延遲色散及補償技術(shù) 精確的膜厚控制技術(shù),158,特備參考,光學薄膜在顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用,投影顯示系統(tǒng)分類 LCD（Liquid Crystal Display）液晶投影顯示 DLP（Digital Light Porcessor）數(shù)字光處理投影顯示 LCOS（Liquid Crystal on Silicon）硅基底上液晶投影顯示,159,特備參考,LCD液晶投影顯示,1、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、二向色鏡， 4、反射鏡，5、X棱鏡，6、液晶光閥，7、投影透鏡,160,特備參考,DLP投影顯示,1、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、場

40、透，4、色輪，5、光導管，6、反射鏡，7、TIR光門，8、DMD芯片，9、投影鏡頭,161,特備參考,LCOS投影顯示,1、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、場透鏡，4、二向色鏡，5、折疊反射鏡，6、偏振分束鏡，7、LCOS面板，8、X棱鏡，9、投影鏡頭,162,特備參考,投影系統(tǒng)中需要的薄膜元件,LCD 冷光鏡、紫外紅外濾光片、折疊反射鏡、二向色鏡、偏振分束鏡、X-cube、減反射膜 DLP 冷光鏡、紫外紅外濾光片、折疊反射鏡、光導管、色輪、TIR棱鏡、減反射膜 LCOS 冷光鏡、紫外紅外濾光片、折疊反射鏡、二向色鏡、偏振分束鏡、X-cube、減反射膜,163,特備參考,投影系統(tǒng)中的關(guān)鍵薄膜元

41、件,偏振與消偏振分束膜 光導管用寬角度寬光譜反射膜 高性能顏色濾光,164,特備參考,激光對光學薄膜的破壞,光學薄膜的本征吸收 光學薄膜的駐波場和溫度場 光學薄膜的缺陷破壞 光學薄膜的非線性吸收及熱力破壞 光學薄膜激光破壞閾值的測量,165,特備參考,激光對光學薄膜損傷的基本過程,激光對光學薄膜的損傷過程包含了激光作用的光學力學過程、場擊穿過程等，但最基本的還是熱過程，光通過本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線性吸收轉(zhuǎn)化為熱，由熱熔融或熱力耦合導致薄膜的最終損傷,166,特備參考,光學薄膜的本征吸收,設(shè)激光強度是高斯分布，則,a為高斯半徑，時間為瞬間作用時，薄膜溫升,I0和J0分別是x=0, r=0時的功

42、率密度和能量密度，Dt為熱擴散長度，為吸收系數(shù)。對于一般材料,=2,167,特備參考,光學薄膜中的駐波場和溫度場,增透膜、反射膜、偏振膜、帶通濾光片的駐波場 單層膜、增透膜、反射膜的界面溫度變化 干涉濾光片的帶內(nèi)、帶外溫度場的變化,168,特備參考,增透膜駐波場,169,特備參考,反射膜駐波場,170,特備參考,偏振膜駐波場,171,特備參考,濾光片帶內(nèi)、外駐波場,雙腔窄帶干涉濾光片的駐波場模擬,172,特備參考,單層膜的溫度場研究,表面吸附層厚度對TiO2單層膜溫度場分布的影響,表面吸附層消光系數(shù)對TiO2單層膜溫度場分布的影響,173,特備參考,高反射膜界面溫度研究,不考慮表面及界面吸收的

43、溫度場,考慮界表面吸附、界面吸收的溫度場,174,特備參考,濾光片帶內(nèi)、外溫度場變化,175,特備參考,光學薄膜的缺陷破壞,缺陷是薄膜結(jié)構(gòu)中最復雜的成分，從幾何形態(tài)上看，缺陷可以是空洞和結(jié)瘤，從其功能上看，應(yīng)包括：結(jié)構(gòu)缺陷、雜質(zhì)缺陷、化學缺陷、力學缺陷、電致缺陷等。 鑒于缺陷的組分形狀千變?nèi)f化，所以處理起來相當困難，對于雜質(zhì)缺陷一般理解為吸收缺陷，為了便于處理把吸收缺陷當作小球處理,176,特備參考,光學薄膜的缺陷破壞,雜質(zhì)熱傳導方程的精確解,其中,從以上方程可以看出，由雜質(zhì)吸收引起的薄膜溫升與激光的強度分布、雜質(zhì)吸收截面和激光脈沖寬度密切相關(guān)，從薄膜破壞角度出發(fā)更關(guān)心r=a附近的溫升，當該處

44、溫升達到臨界溫度Tc時，對應(yīng)的激光能量Itl為薄膜的破壞閾值,177,特備參考,雜質(zhì)缺陷的急劇加熱可能發(fā)展成熱爆炸過程，這個過程從缺陷內(nèi)部發(fā)生，在缺陷迅速升溫到數(shù)千度的高溫時，雜質(zhì)材料急劇氣化并形成很大的內(nèi)壓強，這種爆炸力向薄膜的外層發(fā)展，首先使膜層隆起繼而把膜層沖掉形成破坑，并在破坑的周邊形成波浪式力學波。 雜質(zhì)缺陷不僅是直接熱源，而且還是非線性過程的薄弱環(huán)節(jié)，缺陷區(qū)域是初始電子易于發(fā)射的區(qū)域，這些電子構(gòu)成雪崩離化的初始電子從而大大降低薄膜的擊穿閾值,光學薄膜的缺陷破壞,178,特備參考,光學薄膜的缺陷破壞,179,特備參考,結(jié)瘤缺陷在薄膜破壞中的作用,結(jié)瘤缺陷是由于基體表面或薄膜內(nèi)部存在某

45、種種子源。薄膜在種子上繼續(xù)沉積而形成的，它在薄膜內(nèi)部形成一個錐體，在薄膜表面形成凸起，錐體的形狀和取向，凸起的高低與形態(tài)與種子源密切相關(guān)，也與沉積工藝和沉積條件有關(guān),180,特備參考,結(jié)瘤缺陷一個重要的作用就是改變激光在結(jié)瘤區(qū)內(nèi)及其周圍的場分布，在薄膜吸收不變的條件下，激光場的局部加強導致局部吸收增加，局部吸收增加導致局部溫度上升，劇烈的溫度梯度又導致薄膜內(nèi)應(yīng)力的增加，這種應(yīng)力與薄膜幾何畸變引起的附加應(yīng)力是形成薄膜破壞的重要因素,結(jié)瘤缺陷在薄膜破壞中的作用,181,特備參考,結(jié)瘤缺陷在薄膜破壞中的作用,激光場分布的畸變函蓋了以下幾方面因素 薄膜膜層形變，引起結(jié)瘤內(nèi)駐波場分布的變化 結(jié)瘤與薄膜連接的部分嚴重的幾何變形導致相關(guān)區(qū)域激光場的分布變化 凸起的結(jié)瘤形成一個微透鏡，光照時會產(chǎn)生聚焦強區(qū) 從薄膜的應(yīng)力出發(fā)，薄膜在結(jié)瘤區(qū)由幾何形變產(chǎn)生應(yīng)力，而激光作用下，由于巨大的溫度梯度又產(chǎn)生熱致內(nèi)應(yīng)力，薄膜在激光作用下的應(yīng)力發(fā)展應(yīng)該是形變應(yīng)力與熱致應(yīng)力之和,182,