物理光學(xué)17 第十七次課薄膜光學(xué)基礎(chǔ)

1、第十七次課、薄膜光學(xué)基礎(chǔ) 一、單層膜的分光特性(二、雙層消反膜)(三、多層增反膜)內(nèi)容1n1=1n2=1.596%的光透射n1=1通過(guò)兩個(gè)界面后，92%的光透射 比較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中光能的損失將是比較嚴(yán)重的，例如八個(gè)折射率為1.5的透鏡并列組成的光學(xué)系統(tǒng)，沿著系統(tǒng)中軸傳播的光能反射損失就大約達(dá)到48%。 對(duì)于現(xiàn)代更加復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)(如變焦距物鏡包括十多個(gè)透鏡)來(lái)說(shuō)，可想而知，光能的反射損失就更嚴(yán)重了。所以必須消除或者減少反射。 有效的解決辦法就是在玻璃零件表面鍍制起增透(減反射)作用的薄膜。 2i3dAi1i2BCDER1ER2ER3ER4E0n1n2n3ET1ET2ET3ET4GF一單層膜的

2、分光特性上表面相鄰兩束光的位相差：上表面各光波的復(fù)振幅為：其中，r21=-r12在無(wú)吸收的情況下3i3dAi1i2BCDER1ER2ER3ER4E0n1n2n3ET1ET2ET3ET4GF下表面相鄰兩束光的位相差：下表面各光波的復(fù)振幅為：4和透射系數(shù)： (2) 單層薄膜反射率： (3) 于是得到單層薄膜反射系數(shù)： (1) 單層薄膜透射率： (4) 由(3)和(4)式得：R+T=1 (5)上式是在薄膜無(wú)吸收的情況下的結(jié)果。 5在正入射的情況下，i1= i2= i3=0，則有：(7) (8) (3) (1) (6) (9) 6n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38單

3、層膜的 (d)曲線圖7(1)、n1n2n2n3) (10)(12)(11) 位相厚度 (3) (13)光學(xué)厚度 8 (15) (16a) (10)(14) (16b) 這樣的膜層稱之為消反膜或增透膜。 消反射條件 9n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38單層膜的 (d)曲線圖10(2)、n1n3(或n1n2n3) (17) (18) 這種膜層稱為增反膜或稱高反膜。 (10)(11) (14) 11n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38單層膜的 (d)曲線圖12n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38稱

4、具有這樣光學(xué)厚度的薄膜為四分之一波長(zhǎng)膜。單層膜的折射率大(小)于周?chē)劫|(zhì)的折射率時(shí)，四分之一波長(zhǎng)膜是高反膜；單層膜的折射率處于兩種周?chē)劫|(zhì)折射率之間時(shí)，四分之一波長(zhǎng)膜是增透膜。13根據(jù)上面的討論，無(wú)論單層膜的折射率大(小)于周?chē)劫|(zhì)的折射率還是處于兩種周?chē)劫|(zhì)折射率之間，當(dāng)薄膜是半波長(zhǎng)膜時(shí)，反射率和不存在單層膜時(shí)的反射率相同。允許N=0僅是理論上的討論。但N=0相當(dāng)于實(shí)際上沒(méi)有鍍膜，所以對(duì)于半波長(zhǎng)膜實(shí)際上N的取值應(yīng)該從1開(kāi)始，即最薄的膜厚(光學(xué)厚度)應(yīng)該是：稱具有這樣光學(xué)厚度的薄膜為半波長(zhǎng)膜。n2=1.7n2=3n2=2n2=1.23n2=1.38n2=1.3514在斜入射的情況下，入射光要分

5、別按p偏振光和s偏振光來(lái)考慮。由第七次課的知識(shí)可知，(7)式和(8)式中的nj( j=1，2，3)分別用對(duì)應(yīng)的等效折射率來(lái)表示。對(duì)于s偏振光為：njcosij (j=1，2，3)對(duì)于p偏振光為：nj/cosij (j=1，2，3) 在正入射的情況下，i1= i2= i3=0，則有：(7) (8) (3) (1) (6) 15以上是針對(duì)單層膜的討論。但是，單層膜往往達(dá)不到特殊要求，這就要求采用多層膜，例如用雙層、三層以及層數(shù)更多的膜系。進(jìn)行理論分析設(shè)計(jì)的方法有很多，如遞推法(魯阿德法)、干涉矩陣法、菲涅耳系數(shù)矩陣法，瓦失切克法等等。16 薄膜在現(xiàn)代尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，薄膜有很多種類，應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域的起分光作用的薄膜稱為光學(xué)薄膜。 有關(guān)薄膜的理論和研制技術(shù)已構(gòu)成現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)新的分支領(lǐng)域薄膜光學(xué)。 常見(jiàn)的光學(xué)薄膜有金屬薄膜和透明介質(zhì)膜等。 光學(xué)薄膜起著分光作用，不但有單層膜，更多的是多層膜，因此鍍制在光學(xué)零件表面上光學(xué)薄膜本身就構(gòu)成一個(gè)分系統(tǒng)，可簡(jiǎn)稱為薄膜系統(tǒng)。 根據(jù)方才的討論可知，光學(xué)薄膜的工作原理和光學(xué)性質(zhì)可以用多光束干涉理論來(lái)分析，但與法布里-珀羅干涉儀的情況不同，不但要記入第一束反射光，還要考慮薄膜兩側(cè)媒質(zhì)的折射率不相同，把媒質(zhì)分為入射媒質(zhì)、薄膜媒質(zhì)和基底媒質(zhì)三部分