薄膜光學(xué)課件

1、典型膜系介紹 根據(jù)其作用可以將光學(xué)薄膜的類型簡單的分為： 1、減反射膜或者叫增透膜 2、分束膜 3、反射膜 4、濾光片 5、其他特殊應(yīng)用的薄膜一. 減反射膜（增透膜）在眾多的光學(xué)系統(tǒng)中，一個(gè)相當(dāng)重要的組成部分是鏡片上能降低反射的鍍膜。在很多應(yīng)用領(lǐng)域中，增透膜是不可缺少的，否則，無法達(dá)到應(yīng)用的要求。 就拿一個(gè)由18塊透鏡組成的35mm的自動變焦的照相機(jī)來說，假定每個(gè)玻璃和空氣的界面有4%的反射，沒有增透的鏡頭光透過率為23%，鍍有一層膜（剩余的反射為1.3%）的鏡頭光透過率為62.4%，鍍多層膜（剩余的反射為0.5%）的為83.5%。 大功率激光系統(tǒng)要求某些元件有極低的表面反射，以避免敏感元件受

2、到不需要的反射光的破壞。此外，寬帶增透膜可以提高象質(zhì)量、色平衡和作用距離，而使系統(tǒng)的全部性能增強(qiáng)。 當(dāng)光線從折射率為n0的介質(zhì)射入折射率為n1的另一介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上就會產(chǎn)生光的反射， 如果介質(zhì)沒有吸收，分界面是一光學(xué)表面，光線又是垂直入射，則反射率R為：例，折射率為1.52的冕牌玻璃，每個(gè)表面的反射約為4.2%，折射率較高的火石玻璃表面的反射更為顯著。這種表面反射造成了兩個(gè)嚴(yán)重的后果： 光能量損失，使像的亮度降低； 表面反射光經(jīng)過多次反射或漫射，有一部分成為雜散光，最后也達(dá)到像平面，使像的襯度降低，分辨率下降，從而影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。 減反射膜，又稱增透膜，它的主要功能是減少或消

3、除透鏡、棱鏡、平面鏡等光學(xué)表面的反射光，從而增加這些元件的透光量，減少或消除系統(tǒng)的雜散光。 最簡單的增透膜是單層膜，它是鍍在光學(xué)零件光學(xué)表面上的一層折射率較低的介于空氣折射率和光學(xué)元件折射率之間的薄膜。以使某些顏色的單色光在表面上的反射干涉相消，增加透射。使用最普遍的介質(zhì)膜材料為氟化鎂，它的折射率為1.38。減反射膜可由簡單的單層膜至二十層以上的多層膜系構(gòu)成，單層膜能使某一波長的反射率實(shí)際為零，多層膜則在某一波段具有實(shí)際為零的反射率。減反射膜的工作原理是基于薄膜干涉原理 入射光在介質(zhì)膜兩表面反射后得兩束相干光，選擇折射率適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)膜材料，可使兩束相干光的振幅接近相等，再控制薄膜厚度，使兩相干光

4、的光程差滿足干涉極小條件，此時(shí)反射光能量將完全消除或大大減弱。適當(dāng)條件下可完全沒有反射光或只有很弱的反射光。 1.1 單層減反射膜為了減少表面反射率，就在玻璃表面上鍍上一層低折射率的薄膜。理想的單層增透膜的條件是，膜層的光學(xué)厚度為四分之一波長，其折射率為入射介質(zhì)和基片折射率乘積的平方根。 在可見區(qū)，使用得最普遍的是折射率為1.62左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率為1.28，但是至今能利用的薄膜的最低折射率是1.38(氟化鎂)。這雖然不很理想，但也得到了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。最低反射率：單層減反射膜只能對某個(gè)波長和它附近的較窄波段內(nèi)的光波起增透作用。為了在較寬的光譜范圍達(dá)到更有效的增透效果，常采用雙層

5、、三層甚至更多層數(shù)的減反射膜。1.2 雙層減反射膜從上面晶體鍍MgF2增透膜的例中可以看到，為了達(dá)到全增透的效果，2，則要求將基底的折射率1.65提高到1.9（n1=1.38，n2=1.9）。怎么辦？先沉積一層折射率為1.77光學(xué)厚度為/的薄膜，而后再鍍MgF2單層膜，就能達(dá)到全增透的要求。 常見的多層膜系統(tǒng)是玻璃高折射率材料低折射率材料空氣 ，簡稱GHLA系統(tǒng) 。H層通常用二氧化鋯（ n2.1）、二氧化鈦（n2.40）和硫化鋅（n2.32） 等 ；L層一般用氟化鎂（n1.38）等。 1、雙層0/4膜堆 對于單層氟化鎂膜來說，冕牌玻璃的折射率是太低了。為此，我們可以在玻璃基片上先鍍一層0/4厚

6、的、折射率為n2的薄膜，這時(shí)對于波長0來說，薄膜和基片組合的系統(tǒng)可以用一折射率為Y= n22 /n3的假想基片來等價(jià)。顯然，當(dāng)n2n3時(shí)，有Yn3，也就是說，在玻璃基片上先鍍一層高折射率的0/4厚的膜層后，基片的折射率從n3提高到n22/n3，然后再鍍上0/4厚的氟化鎂膜就能起到更好的增透效果。構(gòu)成0404型增透膜。但對于偏離0的波長，表面反射增加，反射率曲線呈V字形，所以也有把這種0/40/4雙層增透膜稱為V形膜的。在限定兩層膜的厚度都是0/4的前提下，欲使波長0的反射光減至零，它們的折射率應(yīng)滿足如下關(guān)系：如果外層膜確定用折射率n1為1.38的氟化鎂，則內(nèi)層膜的折射率n2取決于基片材料n3。

7、見公式（2）。上面討論的0404 結(jié)構(gòu)的V形膜只能在較窄的光譜范圍內(nèi)有效地減反射，因此僅適宜于工作波段窄的系統(tǒng)中應(yīng)用。2、0/20/4膜堆 G2HLA 厚度為0204型的雙層增透膜，在中心波長0兩側(cè)，可望有兩個(gè)反射率極小值，反射率曲線呈W型，所以也把這種雙層增膜稱作為W型膜。同一個(gè)G2HLA膜系的減反射效果隨著基底折射率的不同而大不相同。欲獲得好的減反射效果，膜層折射率應(yīng)當(dāng)隨著基底折射率的不同而進(jìn)行調(diào)整。同樣，同一個(gè)折射率的基底，膜層折射率變化時(shí)，減反射效果也大不相同。1.3 多層減反射膜雙層增透膜的減反射性能比單層增透膜要優(yōu)越得多，但它并沒有全部克服單層增透膜的兩個(gè)主要缺點(diǎn)：（1）剩余反射高

8、；（2）帶寬小。 為了克服以上的缺點(diǎn)人們設(shè)計(jì)出了三層以及多層增透膜。對于04-04 型的增透膜（V型膜）在中心波長處增透效果好但是帶寬較小，02-04 型的增透膜（W型膜）在一定程度上展寬了帶寬但是總體的減反射效果不理想，人們想到將它們結(jié)合起 來，設(shè)計(jì)出0/4-0/4-0/4等型增透膜，不僅提高了增透效果，而且展寬了帶寬。04-02 W型膜在低反射區(qū)的中央有一個(gè)的凸峰，為了降低這個(gè)反射率的凸峰，又要保持半波長層的光滑光譜特性的作用，可以將半波長層分成折射率稍稍不同的兩個(gè)1/4波長層。 也可以在雙層V型膜的基礎(chǔ)上構(gòu)造多層減反射膜，例如在04-04 V型膜的中間插入半波長的光滑層，得到典型的040

9、204 三層減反射膜結(jié)構(gòu)?？傊?，人們可以通過調(diào)整層數(shù)、厚度、材料來不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于實(shí)際工作中04的整數(shù)倍厚度容易控制，人們把全部由04整數(shù)倍厚度組成的膜系稱為規(guī)整膜系，反之為非規(guī)整膜系。對于不同折射率的基片，要用不同折射率的薄膜材料，通常是通過改變內(nèi)層膜的折射率來實(shí)現(xiàn)匹配的。書本p20圖2.1.5列出了各種不同折射率基片上的三層增透膜的反射率曲線。 圖2.1.5表明，對于折射率低于1.63的基片，04-02-04 型三層減反射膜是合適的；而對于折射率大于1.66的基片，04-02-02 型三層減反射膜更為合適。1.4 高折射率基底材料的的減反射膜 在可見區(qū)應(yīng)用的大多數(shù)光學(xué)玻璃，通常在波長大

10、于3微米以后就不再透明。因此，在紅外區(qū)經(jīng)常采用某些特種玻璃和晶體材料特別是半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體有很高的折射率，例如硅約為3.4，而鍺大約是4，碲化鉛是5.5。這些半導(dǎo)體基片若不鍍增透膜，就不可能 廣泛地使用。這個(gè)問題不同于可見區(qū)，在可見區(qū)，其目的是將大約4%的反射損失減小到千分之幾。而在紅外區(qū)，則是將30%左右的反射損失減小為百分之幾。一般說在紅外區(qū)百分之幾的損失是允許的。前面關(guān)于單層增透膜的考慮，也同樣完全適用于高折射率基片。鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、及銻化銦基片，都可用單層硫化鋅、二氧化鈰或一氧化硅有效地增透。同樣地，V型雙層增透膜的設(shè)計(jì)理論，也可用于高折射率基片。二、高反射膜 在光學(xué)薄膜中，

11、反射膜和增透膜幾乎同樣重要，高反射膜是構(gòu)成激光諧振腔的重要部件之一，同時(shí)在激光的發(fā)射和轉(zhuǎn)折中也用高反射膜作反射器，所以反射膜是激光技術(shù)中很重要的組成部分。對于光學(xué)儀器中的反射系統(tǒng)來說，由于單純金屬膜的特性大都已經(jīng)滿足常用要求，因而我們首先討論金屬反射膜，在某些應(yīng)用中，若要求的反射率高于金屬膜所能達(dá)到的數(shù)值則可在金屬膜上加額外的介質(zhì)膜以提高它們的反射率， 最后介紹全介質(zhì)多層反射膜，由于這種反射膜具有最大的反射率和最小的吸收率因而在激光應(yīng)用中得到了廣泛的使用。 2.1 金屬反射膜 p28 在光學(xué)工程中，人們先將比金屬更容易獲得高光潔度的玻璃拋光，再將金屬鍍制在拋光玻璃表面形成金屬高反射鏡。鍍制金屬

12、反射膜常用的材料有鋁（Al）、銀（Ag）、金（Au）等，它們的分光反射率曲線如書p29圖2.2.6。銀膜在可見區(qū)和紅外區(qū)都有很高的反射率，而且在傾斜使用時(shí)引入的偏振效應(yīng)也最小。但是蒸發(fā)的銀膜用作前表面鏡鍍層時(shí)卻因下列兩個(gè)原因受到嚴(yán)重限制：它與基片的粘附性很差；同時(shí)易于受到硫化物的影響而失去光澤。金膜在紅外區(qū)的反射率很高，它的強(qiáng)度和穩(wěn)定性比銀膜好，所以常用它作為紅外反射鏡。金膜與玻璃基片的附著性較差，為此常用鉻膜作為襯底層。曾試圖使用蒸發(fā)的一氧化硅或氟化鎂作為保護(hù)膜，但由于它們與銀的粘附性很差，沒有獲得成功。所以通常僅用于短期使用的場合或作為后表面鏡的鍍層。 由于多數(shù)金屬膜都比較軟，容易損壞所以

13、常常在金屬膜外面加一層保護(hù)膜，這樣既能改進(jìn)強(qiáng)度，又能保護(hù)金屬膜不受大氣侵蝕。最常用的鋁保護(hù)膜是一氧化硅，此外，氧化鋁也常作為鋁保護(hù)膜。作為紫外反射鏡的鋁膜不能用一氧化硅或氧化鋁作保護(hù)膜，因?yàn)樗鼈冊谧贤鈪^(qū)有顯著的吸收。鍍制紫外高反射鏡比鍍 制可見區(qū)和紅外區(qū)的高反射鏡要困難得多。用氟化鎂（鍍層很牢固）和氟化鋰（鍍層強(qiáng)度較差）作為防止鋁氧化的保護(hù)膜，在紫外區(qū)得到了成功的應(yīng)用?？偨Y(jié)金屬反射膜四點(diǎn)特性1、高反射波段非常寬闊，可以覆蓋幾乎全部光譜范圍，當(dāng)然，就每一種具體的金屬而言，它都有自己最佳的反射波段。2、各種金屬膜層與基底的附著能力有較大差距。如Al、Cr、Ni（鎳）與玻璃附著牢固；而Au、Ag與玻

14、璃附著能力很差。3、金屬膜層的化學(xué)穩(wěn)定性較差，易被環(huán)境氣體腐蝕。4、膜層軟，易劃傷。 金屬膜材料的選擇 鋁：最常用，紫外、可見、紅外 銀：反射率最高，穩(wěn)定性差 金：紅外常用、穩(wěn)定 鉑、銠：穩(wěn)定、牢固2.2 多層介質(zhì)高反射膜 p24 上一節(jié)所述的金屬反射膜包含較大的吸收損失，對于高性能的多光束干涉儀中的反射膜以及激光器諧振腔的反射鏡，要求更高的反射率和盡可能小的吸收損失。在折射率為ng的基片上鍍以光學(xué)厚度為0/4的高折射率（n1）的膜層后，光線垂直入射的反射率為： 用高、低折射率交替的，每層0/4厚的介質(zhì)多層膜能夠得到更高的反射率。這是因?yàn)閺哪は邓薪缑嫔戏瓷涞墓馐?dāng)它們回到前表面時(shí)具有相同位

15、相，從而產(chǎn)生相長干涉。對這樣一組介質(zhì)膜系，在理論上可望得到十分接近于100%的反射率。 如果nH和nL是高、低折射率層的折射率，并使介質(zhì)膜系兩邊的最外層為高折射率層，其每層的厚度均為0/4，當(dāng)光束由空氣中垂直入射時(shí)，中心波長0的反射率，也即極大值反射率為式中，ng基片的折射率，2S+1是多層膜的層數(shù)。nH和nL比值愈大，則反射率愈高。當(dāng)膜系的反射率很高時(shí)，額外加鍍兩層將使膜系的透射率縮小(nL/nH) 倍。理論上只要增加膜系的層數(shù)，反射率可無限地接近100%，實(shí)際上由于膜層中的吸收、散射損失，當(dāng)膜系達(dá)到一定層數(shù)時(shí)，繼續(xù)加鍍兩層并不能提高其反射率。有時(shí)甚至由于吸收、散射的增加，而使反射率下降。因

16、此，膜系中的吸收和散射損耗限制了介質(zhì)膜系的最大層數(shù)。上圖表示一個(gè)典型的/4介質(zhì)膜系的特性?？梢钥闯觯嬖谥粋€(gè)隨著層數(shù)的增加，反射率穩(wěn)定地增加的高反射帶寬度2g 。這個(gè)寬度是有限的，在高反射帶的兩邊，反射率陡然降落為小的振蕩著的數(shù)值。繼續(xù)增加層數(shù)，并不影響高反射帶的寬度，只是增大了反射帶內(nèi)的反射率以及帶外的振蕩數(shù)目。 因此，厚度均為0/4的介質(zhì)高反射膜，其高反射帶寬度僅取決高、低折射率層的折射率比值，而與層數(shù)無關(guān)。2.3 展寬高反射帶的多層介質(zhì)膜 /4膜堆所能得到的高反射區(qū)僅取決于膜料折射率之比值（p26公式2.2.4）。在可見光區(qū)域能找到的 有實(shí)用價(jià)值的 材料中，折射率最大的不超過2.6，而

17、最小的不小于1.3，在紅外區(qū)域中，最大折射率也不超過6.0。因此單個(gè) /4多層膜的高反射區(qū)是有限的。在很多應(yīng)用中，高反射區(qū)域不夠?qū)拸V，不能滿足使用要求。 因而發(fā)展了一些方法以展寬其高反射帶的寬度。展寬高反射帶的寬度的方法方法一 使膜系相繼各層的厚度形成規(guī)則遞增或遞減。其目的在于確保對十分寬的區(qū)域內(nèi)的任何波長，膜系中都有足夠多的膜層，其光學(xué)厚度十分接近/4，以給出對的高反射率。方法二、在一個(gè)/4多層膜上，疊加另一個(gè)中心波長不同的多層膜。必須注意的是，如果每個(gè)多層膜都是由奇數(shù)層構(gòu)成，并且最外層的折射率相同，那么在疊加之后，將在展寬了的高反射帶的中心出現(xiàn)透射率峰值。這個(gè)峰值的出現(xiàn)，是因?yàn)閮蓚€(gè)多層膜的

18、作用。見書p27圖2.2.3曲線A和曲線B是測得的兩個(gè)/4多層高反射膜的反射率，每個(gè)膜有相同的奇數(shù)層，并且都起止于高折射率層。曲線C表示由這兩個(gè)多層膜疊加合成的膜系的實(shí)測反射率。在兩個(gè)多層膜之間，加進(jìn)一層厚度為1/4平均波長的低折射率層，如曲線D所示，透射峰完全消失，得到寬闊平頂?shù)姆瓷渎是€。光線傾斜入射時(shí)，反射帶將有所變化：反射帶整體向短波方向移動，總反射曲線兩端陡度變差。見書p28圖2.2.4和圖2.2.5 三、中性分束膜 中性分束鏡能夠在一定波段內(nèi)把一束光按比例分成光譜成分相同的兩束光， 也即它在一定的波長區(qū)域內(nèi)，如可見區(qū)內(nèi)，對各波長具有相同的透射率和反射率之比值透反比。因而反射光和透射

19、光不帶有顏色，呈色中性。分光鏡通?？偸莾A斜使用的，它能把入射光分離成反射光和透射光兩部分。對于不同的用途，分光鏡往往有不同的透反比TR。大部份是要求T/R=1，即透反比5050的中性分束鏡是最常用的。對分光膜的另一個(gè)要求則是分光性能呈中性，也就是要求在一定波長范圍內(nèi)，T/R比值不隨波長變化。分光膜主要有二種類型：一是金屬分光膜；二是介質(zhì)分光膜。分束鏡又可以按使用方式分為平板和棱鏡分光兩種：1、把膜層鍍在透明的平板玻璃上。P30圖2.3.1（a）2、把膜層鍍在45的直角棱鏡斜面上，再膠合一個(gè)同樣形狀的棱鏡，構(gòu)成膠合立方體。P30圖2.3.1（b）膠合立方體分光鏡的優(yōu)點(diǎn)是，在儀器中裝調(diào)方便，而且由

20、于膜層不是暴露在空氣中，不易損壞腐蝕，因而對膜層材料的機(jī)械、化學(xué)穩(wěn)定性要求較低。但是膠合立方體分光鏡的偏振效應(yīng)較大。3.1 金屬中性分光鏡 P32金屬分光鏡是最常用的分光鏡。金屬分光膜的優(yōu)點(diǎn)：a、呈中性。b、用于制備不同透、反比值的分光膜。c、金屬分光膜與基底結(jié)合很牢固。Ag膜：吸收小、中性差、穩(wěn)定性差 在一般場合下要求分光膜的吸收小。在可見區(qū)，銀是吸收最小的一種金屬膜，但中性稍差，在光譜的藍(lán)色端反射率下降，而且銀的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性都不好，一般只在膠合棱鏡中使用。Al膜和Cr也經(jīng)常用作分光膜；Al膜也存在中性和牢固度的問題;Cr膜的中性較好，其機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性都非常好，它的分光曲線比較

21、平坦，在可見區(qū)域，一般長波端的反射率比短波端高10%左右。鎳鉻合金（80Ni-20Cr) 在0.24 5的寬闊的波長范圍內(nèi)，顯示出非常平坦的分光特性。并且機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性都非常好。金屬膜分光鏡的一個(gè)共同的缺點(diǎn)是吸收損失較大，降低了分光的效率。分光鏡的反射率和入射光的方向有關(guān)。從空氣側(cè)入射測得的反射率要比從玻璃側(cè)入射測得的要高，而透射率與光的傳播方向無關(guān)。因而從空氣側(cè)入射時(shí)的吸收比從玻璃側(cè)入射時(shí)的吸收要小得多。因此必須注意金屬分光膜的正確安置。因?yàn)榉止忡R的吸收損失和分光膜周圍的介質(zhì)有關(guān)，因此也可以通過改變周圍的介質(zhì)，使吸收損失減小。例如，在玻璃基板上先鍍一層/4 硫化鋅膜，然后鍍上鉻膜，就可

22、使分光鏡的吸收顯著減小。在T和R近似相等的條件下，只鍍一層鉻膜的分光鏡的T+R約為60%，而增加一層/4膜后，T+R可提高至82%左右。3.2 介質(zhì)分光膜 P30 介質(zhì)膜分光鏡與金屬分光鏡相比較，因?yàn)榻橘|(zhì)膜的吸收小到可以忽略的程度，所以分光效率高，這是介質(zhì)分光鏡的優(yōu)點(diǎn)，但是介質(zhì)膜的特性對波長較敏感，給中性分光帶來困難；同時(shí)，一般介質(zhì)膜分光鏡的偏振相應(yīng)較大，這也是它的不足之處。在透明基片ng上鍍上一層/4的高折射率的介質(zhì)薄膜(n1)就能增加反射率，減小透射率，在中心波長附近一個(gè)相當(dāng)寬的波長范圍內(nèi)這種膜的反射率隨波長改變得非常緩慢一般講可見區(qū)透明材料的折射率都在2.5以下，對自然光要達(dá)到50/50

23、的分光，單層膜是困難的，它僅適用于反射率要求較低的場合。所以必須使用多層介質(zhì)膜。對于平板分光鏡通?？刹捎肎HLHLA或G2LHLHLA，其中A為空氣，G為折射率ng=1.52的基片，H、L是有效厚度為0/4、折射率分別為2.35和1.38的高、低折射率薄膜。P30圖2.3.2在某些光學(xué)系統(tǒng)中，由于平板分光鏡的背面反射造成雙像并引進(jìn)像差，因此必須采用膠合立方體分光鏡，并且采用多層介質(zhì)薄膜。對于結(jié)構(gòu)如 GHLHG這樣的三層膜系統(tǒng)，nH=2.3; nL=1.38 時(shí)，它的中心波長的反射率約為50%，但是膜層具有強(qiáng)烈的選擇性，反射光和透射光帶有明顯的色彩。為了得到中性程度好、R/T接近于1的介質(zhì)膜立方

24、體分光鏡，可以增加薄膜層數(shù)，并且通過逐步修改膜系，設(shè)計(jì)出特性良好的分光鏡。第一步：基于0/4膜系，采用GHLHLG和GLHLHLG 等膜系。膠合棱鏡的折射率ng=1.52；高折射率材料nH=2.3的硫化鋅;低折射率材料nL=1.38的氟化鎂。這種分光鏡的反射光為綠色，而透射光呈紅色。第二步：提高光譜兩端的反射率，從而達(dá)到改善中性的目的。在第一步中增加 0/2厚度的膜層。這樣，除中心波長外，其余波長的反射率都有不同程度的增長。可以增加2L層，如G2LHLHLG和G2LHLH2LG等。光譜兩端的反射率有所提高，但不十分顯著，所以2L層適宜于作微小的調(diào)整。若要作較大程度的調(diào)整，則需增加2H層，例如G

25、HLHL2HG 、GLHLHL2HG和G2LHLHL2HG等。GHLHL2HG波長420680nm反射率差值小于3.3%；GLHLHL2HG波長420690nm反射率差值小于2.8%；G2LHLHL2HG波長410700nm反射率差值小于3.3%；而且R/T接近1，這對于許多實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)能夠滿足要求。小結(jié)棱鏡膠合的分光鏡的膜系： A、G|HLHL2H|G; B、G|LHLHL2H|G; C、G|2LHLHL2H|G。 在這三種膜系中，A是基本的膜系。B、C是對A修改后的膜系，在基底一側(cè)度上一層L或2L，可以使R/T比值更加趨近于1。這是因?yàn)檫@里的L或2L層在膜系中起到平滑光譜的作用，而2H層在

26、這里起到對長短波側(cè)曲線的反射率或透射率有所提高或有所降低以達(dá)到增寬中性范圍的目的。 為了使分光鏡的透反比基本上符合50/50的要求，還可進(jìn)一步修改設(shè)計(jì)。修改后的分光鏡仍應(yīng)保持良好的中性。修改方法可以用一中間折射率的0/4M膜代替一高折射率膜層，使反射率得到適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為了避免應(yīng)用第三種材料，也可采用減小nH /nL比值的方法，使整個(gè)可見區(qū)的反射率曲線下降。此外，還可用破壞0/4膜系的方法，達(dá)到調(diào)整的目的。例如，GLHLHL2HG GLH L HL2HG 圖中分光曲線在R=50%附近振蕩，基本上達(dá)到了修改的目的。在某些系統(tǒng)中，為了提供最佳的中性，或調(diào)整實(shí)際測量與計(jì)算之間的微小差異，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上

27、，還可通過修改最后一層0/2厚的硫化鋅膜的厚度的簡單辦法來進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)償，例如上述膜系進(jìn)一步改進(jìn)為GLH L HL HG后，藍(lán)端的反射率下降2.4%左右。反之也可提高藍(lán)端的反射，降低紅端的反射率。3.3 偏振中性分束棱鏡 偏振中性分束棱鏡是利用斜入射時(shí)光的偏振，實(shí)現(xiàn)50/50中性分光。 原理： 對于折射率不同的兩種介質(zhì)的分界面 nHnL ，當(dāng)入射角滿足布儒斯特角條件時(shí)，即tgH=nL/nH ，P偏振光的反射為零，而S偏振光則部分反射，部分透射。為了增加S偏振光的反射率，保持P偏振光的透射率接近于1，可以將兩種材料交替沉積制成多層膜。當(dāng)層數(shù)足夠多時(shí)，S偏振光的反射率接近于1，P偏振光的透射率接近

28、于1，因而對于自然光而言，在一定的波長范圍內(nèi)，可以得到50/50的透反比，是良好的中性分光鏡，也是偏振度很高的薄膜偏振鏡。布儒斯特角條件： tgH = nL/nH 折射定律： nHsinH = nLsinL = ngsing 如果給定膜層的折射率nL和nH，也即確定了膜層的折射角L 和H 。有兩種途徑可以實(shí)現(xiàn)全偏振條件：選定棱鏡的折射率ng ，計(jì)算棱鏡應(yīng)有的角度g 選定棱鏡的角度（g=45較方便），然后計(jì)算玻璃應(yīng)有的折射率。如當(dāng)薄膜的折射率為2.35和1.35，棱鏡角為45，這時(shí)玻璃的折射率應(yīng)為1.66。相反，若棱鏡的折射率1.52，膜料的折射率為2.35和1.35,則滿足布儒斯特角條件的棱鏡

29、內(nèi)入射角是50.5。提醒:對于不同的高低折射率材料,則要求用不同折射率的玻璃材料來制作棱鏡,方能達(dá)到全偏振分光的目的。 在偏振分光膜的每個(gè)界面上，入射角都必須滿足布儒斯特角條件。因而，如果以空氣作為入射介質(zhì)，對于常用的介質(zhì)材料，要使光線在膜層內(nèi)的入射角滿足布儒斯特角條件，則在空氣中的入射角必將大于90，因此這組雙層膜系必須封入膠合棱鏡內(nèi)。對于介質(zhì)分光鏡來說， P偏振分量的反射率通?？偸堑陀赟偏振分量的反射率，在立方體分光鏡中，這種偏振效應(yīng)更是顯著。以致這種分光鏡在對偏振效應(yīng)限制較嚴(yán)的場合不能使用，而必須應(yīng)用金屬膜的分光鏡。歸納金屬、介質(zhì)分束鏡的優(yōu)缺點(diǎn)：金屬分束鏡優(yōu)點(diǎn)：中性好，光譜范圍寬，偏振效

30、應(yīng)小，制作簡單缺點(diǎn)：吸收大使用注意事項(xiàng)：光的入射方向介質(zhì)分束鏡優(yōu)點(diǎn)：吸收小，幾乎可以忽略缺點(diǎn)：光譜范圍窄，偏振分離明顯，角度效應(yīng)明顯現(xiàn)舉出下列材料供參考： nH nL ng nH nL ng 1.9 1.46 1.637； 2.3 1.46 1.74 1.95 1.46 1.65； 2.35 1.38 1.68 2.05 1.46 1.68； 2.4 1.46 1.76 2.15 1.46 1.71； 四、截止濾光片4.1 概述 所謂截止濾光片是指要求某一波長范圍的光束高效透射，而偏離這一波長的光束驟然變化為高反射(或稱抑制)的干涉截止濾光片,有著廣泛的應(yīng)用（例如：電影放映機(jī)中的冷光鏡等）。

31、通常我們把抑制短波區(qū)、透射長波區(qū)的濾光片稱為長波通濾光片。相反抑制長波區(qū)、透射短波區(qū)的截止濾光片就稱為短波通濾光片。吸收截止濾光片應(yīng)用最廣泛，可以由顏色玻璃、晶體、燒結(jié)多孔明膠、無機(jī)和有機(jī)液體以及吸收薄膜制成。其主要優(yōu)點(diǎn)是使用簡單，對入射角不敏感，造價(jià)便宜適中。但吸收型截止濾光片的截止波長不是隨便可以移動的。本節(jié)主要介紹薄膜干涉型截止濾光片。下圖表示長波通和短波通濾光片的典型特性曲線： p33圖2.4.1 干涉截止濾光片的幾個(gè)重要指標(biāo)：1透射曲線開始上升(或下降)時(shí)的波長以及透過率T=50%的點(diǎn)落在某一波長的范圍內(nèi)（0 ）； 2高透射帶的光譜寬度、平均透射率以及在此透射帶內(nèi)允許的最小透射率；

32、3截止帶的光譜寬度，以及在此截止帶內(nèi)所允許最大的透過率。 干涉截止濾光片的基本膜系類型是/4周期性 膜堆（LH）。圖中所示為/4多層膜的透射率曲線形狀。它既可以用作截止長波的短波通濾光片，也 可以用作截止短波的長波通濾光片。只要改變監(jiān)控膜層厚度的波長，截止限的位置是可以移動的。圖2.4.2圖中明顯的特點(diǎn)是通帶透射率的既深又多的波紋。干涉截止濾光片膜系設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是消除和減小通帶波紋。如果對/4多層膜作簡單的修改，在/4多層膜的每一側(cè)加一個(gè)/8膜層即可。如果原膜系起止于高折射率層，則要求加一對低折射率層，否則剛好相反。 4.2 通帶波紋的壓縮 壓縮帶通波紋有許多不同的途徑，最簡單的是選取一個(gè)

33、組合膜。 組合（ ），其中nH =2.30，nL=1.38，在玻璃上給出一個(gè)良好的長波通濾光片；而組合（ ）具有較好的短波通濾光片特性。圖2.4.5一種壓縮波紋的簡單的方法是改變基本周期內(nèi)的膜層厚度，則要求光潔基片保持低的反射率即基片應(yīng)有低的折射率，所以，這種方法對于K9玻璃系列是比較有效的。在可見光區(qū)，玻璃是十分滿意的基片材料，但是這種方法不能不加修改就用于紅外區(qū)，例如用于硅板和鍺板。舉例：若短波通濾光片的技術(shù)要求為：HR：780 930nm R99% HT：496 664nm T95%HR代表高反；HT代表高透。我們需采用短波通的膜系：上面的短波通膜系改變?yōu)椋?nG|15(H2L)HL|n

34、0 nH =2.15(TiO2)；nL =1.46(SiO2)；nG =1.52 二圖比較，通帶中的波紋有較大的壓縮，從496nm664mn通帶內(nèi)的波紋趨向于0，波紋壓縮是十分理想的。 在膜系的基底側(cè)與入射的空氣側(cè)，加上匹配層，以起到壓縮通帶波紋的作用。我們上面講到短波通膜系nG|15(H2L)HL|n0的最外二層HL實(shí)際上是空氣側(cè)的匹配膜系，這樣可以使通帶的波紋比較?。蝗羧サ艨諝鈧?cè)的匹配層，則通帶內(nèi)的波迅速加劇，以致無法使用。所以，這二層顯然是十分關(guān)鍵的匹配層。 但是我們從圖5-6中可以得到，在靠近截止帶側(cè)的通帶中有三個(gè)比較大的反射次峰存在。這往往會影響到干涉截止濾光片在實(shí)際中的應(yīng)用，為此，

35、需盡量想辦法降低反射峰的負(fù)面影響。為了達(dá)到這目的。我們在短波通濾光片主膜系的二側(cè)加上匹配層，基底側(cè)的匹配層為2H1.5L，而在空氣側(cè)加上2L匹配層，膜系可設(shè)計(jì)成：nG|2H1.5L15(2HL)2L|n0nH =2.15 nL =1.46 nG =1.52 通帶長波側(cè)的次峰由于原來的三個(gè)減少到一個(gè)，而且664720nm波段的通帶透過率顯然提高到接近于100%，而且波紋有很大的壓縮，波紋趨向于0。496664nm波段，雖然波紋比圖5-6有增加，但其Tav仍然可達(dá)到95%左右與圖5-6持平。短波側(cè)通帶440nm附近的反射次峰有所減弱。截止濾光片的應(yīng)用 p51 從數(shù)量上講，干涉型截止濾光片的應(yīng)用數(shù)量

36、僅次于減反射膜；從種類上講，干涉型截止濾光片的應(yīng)用類型是所有光學(xué)薄膜器件中最多的。1、彩色分光膜 在彩色技術(shù)中使用的二向色鏡是反射和透射光譜均被利用的長波通或短波通濾光片。它的作用是將一束光分離為不同顏色的幾束光。二向色鏡一般都是傾斜使用的，這就不可避免地帶來偏振影響，造成彩色還原的失真。對于各種技術(shù)的不同應(yīng)用場合，彩色分光元件可以設(shè)計(jì)成平板型和棱鏡型。圖2.4.13;圖2.4.14; 圖2.4.15解決棱鏡式分光元件偏振效應(yīng)的方法是合理設(shè)計(jì)分光棱鏡的形式，盡可能減小光束在膜面上的入射角。一般入射角降到22.5，再結(jié)合其他減偏手段，可以得到低色偏的棱鏡分光元件。圖2.4.16；圖2.4.19；

37、圖2.4.1.20彩色擴(kuò)印機(jī)及彩色放大機(jī)的彩色頭中使用的分光元件是在入射角為0時(shí)使用的，圖2.4.21給出了一套紅綠藍(lán)三原色濾光片的設(shè)計(jì)光譜特性。圖2.4.21五、帶通濾光片 p58 帶通濾光片是指在一定的波段內(nèi)，只有中間一小段 是高透射率的通帶，而在通帶的兩側(cè)是高反射率的截止帶。 濾光片的主要參數(shù)：0 中心波長或稱峰值波長；Tmax中心波長透射率，也即峰值透射率；2透過率為峰值透過率一半的波長寬度，也稱通帶半寬度，有時(shí)也用2/0表示相對半寬度。圖2.5.1帶通濾光片有兩種形式:1、由一個(gè)長波通膜系和一個(gè)短波通膜系的重疊通帶波段形成帶通濾光片的通帶。光譜特性：較寬的截止帶；較深的截止深度；但通

38、帶不夠窄；常用于寬帶通濾光片。但那些相對半寬度小于l5%或更窄的干涉濾光片上述的方法就做不到了，它們需要用其它原理設(shè)計(jì)。2、法布里珀珞干涉儀形式的濾光膜系 光譜特性：很窄的通帶；較窄的截止帶；截止深度不深；大多數(shù)情況下需要配合使用截止濾光片來拓寬截止帶和增加截止深度。最簡單的薄膜窄帶濾光片是根據(jù)法布里珀珞多光束干涉儀制成的，法布里-珀珞干涉儀是由兩塊相同的、間距為d的平行反射板組成，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具可以代換成一個(gè)薄膜組合。圖2.5.2現(xiàn)在將它們代換成薄膜的組合：兩個(gè)金屬反射層夾一個(gè)介質(zhì)層，介質(zhì)層取代間距d的位置，稱為間隔層。這種代換有兩點(diǎn)不同：第一，濾光片的全部膜層（包括二個(gè)反射膜）是鍍在同一基片玻

39、璃上的，所以濾光片的各層膜是基片面型的臨摹品，因此FP干涉濾光片中基片面型一般不會影響濾光片的光學(xué)性能，但我們知道，在FP標(biāo)準(zhǔn)具中，兩反射板的面型不同是會嚴(yán)重影響標(biāo)準(zhǔn)具的光學(xué)性能的。第二，濾光片的間隔層是折射率大于1的介質(zhì)膜，標(biāo)準(zhǔn)具的間隔層是折射率等于1的空氣。而且標(biāo)準(zhǔn)具的間隔d不容易做得很小，因此標(biāo)準(zhǔn)具一般是高干涉級次的，而濾光片則可以把間隔層做到一級次干涉。FP干涉濾光片的反射膜可以是金屬膜，我們稱它為金屬介質(zhì)FP干涉濾光片；反射膜也可以是全介質(zhì)膜，稱之為全介質(zhì)FP干涉濾光片。FP濾光片的特性R1、R2、T1、T2分別表示兩反射板的反射率和透射率，1、2為反射板的反射相移，為間隔層的位相厚

40、度。 通帶半寬度：公式2.5.3相對半寬度：公式2.5.4峰值透過率：公式2.5.5當(dāng)反射膜沒有吸收、散射損失而且反射膜完全對稱時(shí)，即T1=T2=1-R1=1-R2，R1=R2時(shí)，Tmax=1；當(dāng)兩個(gè)反射膜完全對稱，且有散射、吸收存在時(shí)：峰值透過率公式2.5.6R12、T12、A12分別表示兩反射膜的反射率、透射率和吸收率。兩個(gè)反射膜的不對稱性對峰值透過率的影響：公式2.5.8兩個(gè)反射膜不對稱的FP濾光片的峰值透過率圖：圖2.5.3兩個(gè)反射膜的不對稱性影響FP濾光片的峰值透過率，但是極不敏感。甚至在兩個(gè)反射膜的透射率相差兩倍時(shí)，峰值透過率仍然還有75%。討論：在實(shí)際上存在吸收、散射的情況下，反射膜的透射率愈低，吸收、散射愈大，則峰值透射率愈低。例如T120.012,A12=0.005,Tmax50%左右