第章介質膜系及其應用

教學內容教學目的和要求減反膜

高反膜

中性分束膜

截止濾光片

帶通濾光片

偏振分束膜

消偏振膜作用

應用背景

設計基礎

結構特點了解常用膜系的應用背景、掌握其光學特性、結構特點及其設計的基本知識，為以后發(fā)展打下基礎。目前一頁\總數一百六十頁\編于十二點補充：光學膜系基本知識規(guī)整膜系：

非規(guī)整膜系：膜系分類設計波長（參考波長、中心波長）各層膜的光學厚度為設計波長四分之一的整數倍。有一層薄膜的光學厚度不是設計波長的四分之一整數倍。目前二頁\總數一百六十頁\編于十二點一般可以表示為：G/xMyHzL/AS/xMyHzL/A膜系表示方法其中：

G代表基底，也可以用S表示基底H（L、M）代表高（低、中）折射率膜層A代表入射介質（一般為空氣）x、y、z表示各層膜厚度為λ/4的倍數備注：當x、y、z全為整數時則為規(guī)整膜系當x、y、z之一為非整數時則為非規(guī)整膜系目前三頁\總數一百六十頁\編于十二點G/M1.8HL/A膜系表示實例G/MH/A

G/2MH/A

G/M2HL/A

G/M1.8H/AG/1.8MHL/A非規(guī)整膜系

規(guī)整膜系

非規(guī)整膜系

規(guī)整膜系

非規(guī)整膜系

規(guī)整膜系

目前四頁\總數一百六十頁\編于十二點2.1減反射膜（增透膜）

減反膜的作用：減少介質間界面反射。一、作用和應用背景(2)加劇光學系統(tǒng)的雜散光干擾，加大系統(tǒng)噪聲；一般情況下界面反射的危害：(1)引起光學系統(tǒng)的光能量損失;(3)在高功率激光系統(tǒng)中，界面反射可能引起反激光，損傷光學元件。目前五頁\總數一百六十頁\編于十二點

色中性好：膜系的透過率與波長的關系曲線比較平坦。減反膜的關鍵技術指標透過率：透過率越大越好，或者反射率越小越好。應用：為減少光能損耗，提高成像質量，照相機、電視機、顯微鏡等等中的光學鏡頭都鍍減反膜。為盡量減弱反激光，高功率激光系統(tǒng)中的透射光學元件表面也鍍減反膜。目前六頁\總數一百六十頁\編于十二點單層減反膜和多層減反膜分析：n0、n1越接近，表面反射率就越低。eg：對于從空氣入射介質場合，n0＝1。n1＝1.44~1.92,R=3.25~10%（在可見和近紅外區(qū)）;在紅外區(qū)域（硅和鍺基底）,R>31%界面n0n1入射反射光垂直入射一光學界面二、常見的減反膜的結構1、單一界面反射率目前七頁\總數一百六十頁\編于十二點在入射界面上鍍一層低折射率（n0<nf

<

ns）的膜層減少反射率。界面n0ns入射反射分析：反射率為零的條件為典型的單層減反膜的R－曲線呈V型，存在一個谷底，在此波長處具有最小反射率。2、單層減反射膜目前八頁\總數一百六十頁\編于十二點單層減反膜理論上只能在一個波長處實現零反射率所以色中性差，即反射率的波長相關性強,影響成像系統(tǒng)的色平衡）；實際上，滿足條件的光學玻璃并不存在，很難實現零反射，剩余反射率不理想(常用的薄膜最低折射率材料氟化鎂（1.38）)。單層減反膜的討論：目前九頁\總數一百六十頁\編于十二點為改善單層減反膜的不足：色中性差以及很難實現零反射，提出雙層減反膜的設計。具體結構有:1）雙層/4膜堆2）/2~/4膜堆3、雙層減反射膜1)雙層/4膜堆界面n0ns入射反射k為奇數k為偶數目前十頁\總數一百六十頁\編于十二點GLA變成GHLA可以實現零反射，但不能克服色中性差的缺陷;

R－曲線呈V型，通帶越來越窄（和單層膜比較),適用與工作波段較窄的場合.G/HL/A1.52/1.7,1.38/1單層減反射膜G/L/A1.52/1.38/1G/L/A1.52/1.38/1目前十一頁\總數一百六十頁\編于十二點G2HLA膜系：基質/2膜層/4膜層空氣基質n0ns入射反射/2膜層/4膜層膜系反射率為2)/2~/4膜堆n0λ/4n1

λ/2n2基板ns目前十二頁\總數一百六十頁\編于十二點1）反射率在參考波長處與/2膜層光學參數無關，等價與一單層減反膜系；2）R－曲線呈W型，/2膜層在偏離參考波長處影響膜系的反射率，在參考波長兩側可望得到反射率的極小值。膜系特點：目前十三頁\總數一百六十頁\編于十二點(1)在參考波長處反射率較雙層/4膜堆高(2)該波長兩側R－曲線較平坦，色中性較好兩種膜系比較G/HL/A1.52/1.7,1.38/1G/2HL/A目前十四頁\總數一百六十頁\編于十二點目前大多采用的三層膜結構為GM2HLA，更多層的膜系大多是以此為雛形發(fā)展而來的。(1)能提高參考波長處的反射率但色中性差(雙層/4膜堆)(2)改善膜系的色中性但無法改善膜系中心波長反射率。(/2~/4膜堆)多層減反膜系4、多層減反射膜多層減反膜系結構雙層減反膜缺點：目前十五頁\總數一百六十頁\編于十二點基質n0ns入射反射/4膜層,nM/2膜層,nH/4膜層,nL組成:基質折射率ns，中等折射率nM

的/4膜層，高折射率nH的/2膜層,折射率nL的/4膜層，空氣折射率n0GM2HLA母膜系特性目前十六頁\總數一百六十頁\編于十二點基質n0ns入射反射/4膜層,nM/2膜層,nH/4膜層,nL/2膜層等效界面1等效界面2nHr1,R1,Y1r2,R2,Y2

選定中間層，外層膜與入射介質及內層膜與基底等效為兩個界面;其振幅反射系數和反射率分別為r1,r2及R1，R2處理方法目前十七頁\總數一百六十頁\編于十二點(1)=m時(m為整數)→sin=0→T=Tmax=T0(2)R1＝R2時，T0＝1。(3)如F<<1和T0＝1→

T＝在1~(1－F)之間。(4)當T0≠1，R

min=1－T0,R

max=1－T0/(1＋F)。注：λ0中心波長，λ計算波長分析對于GM2HLA膜系，F盡可能小，而且盡量R1＝R2。不過R1、R2只有在少數幾個分離的波長上才能重合。目前十八頁\總數一百六十頁\編于十二點例題1三層增透膜的結構參數為：求在參考波長處的反射率和透過率。

上等效界面：空氣+/4膜層(n1)組成，/2膜層(n2)相當于基底第一步：以中間/2膜層為選定層，求其上下兩個表面的等效反射率。下等效界面：基底+/4膜層(n3)組成，/2膜層(n2)相當于基底目前十九頁\總數一百六十頁\編于十二點求上等效界面的等效反射率R1：同樣下等效界面的等效反射率R2為折射率為n1的/4膜層的特征矩陣目前二十頁\總數一百六十頁\編于十二點第二步：求以上下兩表面反射率分別為R1、R2的/2膜層等價透過率：目前二十一頁\總數一百六十頁\編于十二點當波長偏離參考波長時，R1和R2的值發(fā)生變化；如圖所示R1和R2與波長的曲線無交點。整個膜系透過率T曲線呈V型。g(0/)0.70.80.91.01.11.21.31.02.03.0R(%)R1R2R注意目前二十二頁\總數一百六十頁\編于十二點如果n3的折射率變?yōu)?.62,其它不變,則在參考波長處R1值不變,R2值變?yōu)?.00733。g(0/)0.70.80.91.01.11.21.31.02.03.0R(%)R1R2R(1)在參考波長兩側各出現一處R1＝R2，整個膜系在該兩處反射率為0，透過率最大（100%）。(2)反射率曲線呈W型。分析目前二十三頁\總數一百六十頁\編于十二點(1)通過調節(jié)間隔層的厚度(等價于調節(jié)等效相位厚)調節(jié)反射率最小的波長位置；(2)改變第一層或第三層的厚度可以改變R1和R2對波長曲線的水平相對位置(等價于調節(jié)等效相位厚1、2)，其結果是改變低反射光譜的寬度以及整個膜系的反射率；(3)利用不同的折射率n1、n3可改變R1和R2的相對大小。結論目前二十四頁\總數一百六十頁\編于十二點1）以GM2HLA膜系為初始膜系，將目標設計指標輸入膜系設計軟件，將膜層厚度和折射率作為可調整的變量，由計算軟件自動給出優(yōu)化設計；簡單，但經常無法滿足要求。多層減反膜的設計2）以GM2HLA膜系為初始膜系，將目標設計指標輸入膜系設計軟件，將膜層的折射率作為固定值而將膜層的厚度作為可調整變量，同時允許計算機在三層結構無法滿足要求時增加膜層數（替代層），直至滿足要求為止。可能會出現層數很多，膜層很薄的現象。目前二十五頁\總數一百六十頁\編于十二點等效定律任意一個周期性對稱膜系都存在一個單層膜與之等效。等效折射率就是基本周期的等效折射率；等效相位厚度等于基本周期的等效相位厚度的周期數倍。常用替代層：三層對稱ABA結構目前二十六頁\總數一百六十頁\編于十二點二個獨立方程五個參數（三個膜層厚度+兩個材料折射率）一般處理方式為1）先選材料，即膜層折射率nA、nB；2）根據方程求出膜層厚度。膜層特征矩陣等效目前二十七頁\總數一百六十頁\編于十二點1）優(yōu)化出一個可以達到目標的最少膜層的/4膜系結構；2）用三層對稱膜系合成折射率不易實現的膜層；3）再次優(yōu)化膜層厚度，以補償合成所帶來的特性下降。寬帶減反膜的設計步驟：目前二十八頁\總數一百六十頁\編于十二點高折射率基底的減反膜紅外光譜區(qū)常用紅外基底材料：硅（n=3.5）、鍺（n=4.0）、碲化鉛（n=5.5）、砷化鎵（n=3.3）、砷化銦、銻化銦等。常用增透膜材料：一氧化硅（8m及紅外第一和第二大氣窗口3~5和8~14

m）；硫化鋅（2~16

m）；以及氧化釔、氧化鈧等。紅外減反膜設計規(guī)則遙減法1）所用膜層厚度均為/4膜厚；2）規(guī)定各膜層折射率從基底材料折射率開始逐漸遞減排列；3）如果滿足條件目前二十九頁\總數一百六十頁\編于十二點總結：1）掌握減反膜的作用及應用；2）掌握減反膜結構及其計算方法；3）了解減反膜設計的基本思路。就可在下列k個波長處實現零反射。目前三十頁\總數一百六十頁\編于十二點2.2高反射膜0反射鏡45反射鏡一、作用和應用背景例如：反射鏡的作用改變光的傳輸方向。作用:增加介質間界面反射，旨在減少損耗。應用場合：所有需要改變光傳輸方向的地方均會用到。高反射膜分類：介質高反射膜和金屬高反射膜。目前三十一頁\總數一百六十頁\編于十二點二、介質高反射膜介質反射膜的特點：1）反射率高（~99.99%）2）性能穩(wěn)定3）不易受損傷4）對入射角敏感5）帶寬窄1）多元件復雜光學系統(tǒng)2）激光諧振腔3）高功率激光4）不要求寬帶的場合介質反射膜應用場合：介質高反射膜指標：反射率和帶寬(反射率越高越好、帶寬越寬越好)單層高反射膜多層高反射膜:周期膜系非周期膜系目前三十二頁\總數一百六十頁\編于十二點1、單層介質高反射膜光學特性空氣n0膜層n1基質ns當薄膜膜層光學厚度為λ/4，光波垂直入射：目前三十三頁\總數一百六十頁\編于十二點注意：n1>ns，膜層起增反作用。1)在低折射率的基底上沉積一層高折射率的薄膜，可以有效地提高反射率。2)但單層膜可實現的高反射率一般不會超過50%。Eg:ns=1.52n1=2.15n0n0目前三十四頁\總數一百六十頁\編于十二點2、周期性多層膜堆的光譜特性GH(LH)SA形式→G(HL)SHA形式表示方法：nHnL空氣n0基質nsnLnHnHnLnH或者G/L(HL)S/A.形式→G/(LH)SL/A形式在基底G上鍍了2S+1層薄膜，其中包含S個LH雙層薄膜，且每層薄膜光學厚度均為λ/4。目前三十五頁\總數一百六十頁\編于十二點以GH(LH)SA形式→G(HL)SHA形式為例分析：2S+1層薄膜等效光學導納：反射率：目前三十六頁\總數一百六十頁\編于十二點分析：理論上，nH/nL越大、膜層數（2S+1）越多→反射率越高。；相對波數注意：1）膜層數增加到一定數量時，反射率不再增加，這是由于材料吸收、散射等因素的影響。2）反射帶寬內：膜層數增多，雖然反射率增加，帶寬不變；反射帶寬外，反射率隨波數出現明顯的振蕩。目前三十七頁\總數一百六十頁\編于十二點G/(HL)4H/AG/(HL)８H/AG/(HL)16H/AG/(HL)32H/A目前三十八頁\總數一百六十頁\編于十二點周期性膜堆(LH)s的高反射帶(位置)S個LH膜系的總特征矩陣為每個LH膜組合的特征矩陣為如果L=H=,則目前三十九頁\總數一百六十頁\編于十二點重要結論的波長λ位于高反射帶內；高反射帶以g=1,3,5…為中心的一系列波數區(qū)間．

的波長λ位于高透射帶內；高透射帶以g=2,4,6…為中心的一系列波數區(qū)間．的波長λ是高反射帶與高透射帶的拐點波長，即：截止波長．滿足目前四十頁\總數一百六十頁\編于十二點H(LH)S周期性多層膜的光譜特性a.在波段，高透.高反帶相間周期出現；在波段，不再有高反帶出現。

——透、反射光譜是波數的周期函數b.高反帶中心波數為1，3，5,……;高透帶中心波數為2，4，6，.…..。目前四十一頁\總數一百六十頁\編于十二點

周期性膜堆(LH)s的高反射帶（寬度）

分析：按照結論3：當的波長是高反射帶與高透射帶的拐點波長，即截止波長設截止波長為e，對應的相位厚為e,則目前四十二頁\總數一百六十頁\編于十二點目前四十三頁\總數一百六十頁\編于十二點1)當膜料一定的情況下，所有高反射帶的波數寬度相等；2)高反射帶波數寬度僅僅與構成多層膜的折射率比有關，nH/nL越大，g就越大，高反射帶寬越寬。分析目前四十四頁\總數一百六十頁\編于十二點3)波數g表示的高反射區(qū)：當s層薄膜的厚度均為時，在g=1時，反射率最高復習：第一章中若一個膜系中k層膜的厚度均為各層膜的特征矩陣為

目前四十五頁\總數一百六十頁\編于十二點等效光學導納均為：其反射率均相同

結論與g=1時反射率相同，且均取極大值g=2k時，反射率取極小值（透射率取極大值）目前四十六頁\總數一百六十頁\編于十二點高反射率區(qū)間：1)用波數表示：1±Δg，3±Δg，5±Δg，…….（可以寫成統(tǒng)一的公式：(2k+1)±Δg）2)用波長表示：按照

求出相應的波長范圍分析：1)各個高反射帶寬具有相同的波數寬度（2Δg）2)波長寬度不等。

，，

3)波數越大，對應的波長寬度越窄。λ目前四十七頁\總數一百六十頁\編于十二點注意：1)

2)

只與

，但

還與中心波長有關

G/(LH)S/A膜系高反帶中心波長的反射率R由等效光學導納公式：

求出：反射率目前四十八頁\總數一百六十頁\編于十二點G/(LH)S/A膜系與G/H(LH)S/A對比G/(LH)S/AG/H(LH)S/A說明:由于工藝原因,實用的高反射膜系G/H(LH)S/A,其與G/(LH)S/A膜系有完全相同的通帶.高反射帶和帶寬,只是中心波長處的反射率稍有差別.目前四十九頁\總數一百六十頁\編于十二點非等厚周期膜系(增加帶寬)非等厚周期膜系出現反射帶的條件：即基本周期的各層薄膜的光學厚度之和是中心波長的1\2整數倍，下標i代表基本周期中第i層薄膜，λ是可能出現的反射帶的中心波長。注意：但這個條件不是充分的。如果膜系滿足上述條件，但各個膜層的光學厚也是2的整數倍，那么各個膜層就變成虛設層，整個膜系都形同虛設。定律：任意周期性膜系都存在反射帶和透射帶。對于每個周期都有目前五十頁\總數一百六十頁\編于十二點求2:1膜堆反射、透射的波長位置。分析：含有m個雙層薄膜即周期數為m，周期內雙層薄膜的厚度不相等：且出現反射帶的中心波長必須滿足

如果周期內的每一層膜光學厚度滿足時膜系為虛設層

目前五十一頁\總數一百六十頁\編于十二點1）14波堆的高反帶對于g＝1,2,3…呈對稱的，而非等厚的周期膜系不一定具有對稱性。2）對于相同的折射率材料，14波堆的反射帶寬比任何非等厚的周期膜系的寬度大。等厚周期膜相對非等厚周期膜優(yōu)點3）對于給定的膜層數、折射率值以及給定的干涉級次，14波堆具有最高反射率。目前五十二頁\總數一百六十頁\編于十二點高反射帶的展寬(解決帶寬不夠的問題)高反射帶的波數寬度僅僅與構成多層膜的折射率比關。Eg:可見區(qū)材料折射率1.35~2.6;紅外區(qū)材料折射率6。為了突破材料折射率對帶寬的限制，加寬反射帶寬，可以采用兩種方法：目前五十三頁\總數一百六十頁\編于十二點使各膜系的光學厚度形成規(guī)則的遞增或遞減。其目的是使相當寬的波段區(qū)域內任何波長光都具有足夠多的膜層，其光學厚度均十分接近/4，所以這些光有足夠高的反射率。（各膜層的厚度可以成等差數列也可以成等比數列設計）方法一：算術級數遞增(q層）：幾何級數遞增（q層）：目前五十四頁\總數一百六十頁\編于十二點方法二：將兩個或多個中心波長不同的/4多層膜堆聯合疊加使用。若每個膜堆都由奇數層組成，且最外層的折射率相同，那么疊加之后將在展寬了的高反射帶中心出現一透射峰。注意：目前五十五頁\總數一百六十頁\編于十二點/2膜層等效界面1等效界面2nHr1,R1,Y1r2,R2,Y2HLAB為的整數倍時,sin=0，透射率達到最大值(T0)。且R1＝R2時，T0＝1。在各自的中心波長處均為，且δ=0，即中間層消失，則透過率恒等于1。將兩個多層膜疊加在一起，使其特征曲線在兩個監(jiān)控波長的平均值處相交，則在平均波長處始終存在一個透射率峰值。目前五十六頁\總數一百六十頁\編于十二點目前五十七頁\總數一百六十頁\編于十二點1）在兩多層膜的中間加入一層厚度為/4平均波長的低折射率介質膜；2）兩個中心波長不同的對稱周期膜堆的組合成單一膜堆。消透射峰方法：目前五十八頁\總數一百六十頁\編于十二點G/0.9[H(LH)4]1.1[H(LH)4]/A目前五十九頁\總數一百六十頁\編于十二點G/0.9[H(LH)4]L1.1[H(LH)4]/A目前六十頁\總數一百六十頁\編于十二點傾斜入射的高反射帶全介質高反膜系用于斜入射時，其反射特性改變（反射波段和反射率也有所變化）。反射特性改變兩個原因：1）斜入射導致光學厚度的改變；2）膜層的等效光學導納和入射光的偏振態(tài)有關。目前六十一頁\總數一百六十頁\編于十二點1）S光和P光的反射帶寬不等。2）S光和P光的反射帶往短波方向移動。3）S光的反射帶寬比P光的反射帶寬寬。目前六十二頁\總數一百六十頁\編于十二點目前六十三頁\總數一百六十頁\編于十二點金屬反射膜的特點：金屬反射膜的常用材料：三、金屬高反射膜1）反射帶寬比較寬；2）對入射角不敏感；3）反射率比較低；4）容易受損傷。1）鋁膜；2）銀膜；3）金膜；4）銅膜。目前六十四頁\總數一百六十頁\編于十二點鋁膜

從紫外到紅外都有較高的反射率(~88%)；牢固、穩(wěn)定（鋁膜表面在大氣中能生成一層薄的氧化鋁膜）。保護層材料：氟化鎂或氟化鋰（紫外），一氧化硅或氧化鋁（可見和紅外）目前六十五頁\總數一百六十頁\編于十二點銀膜在可見光區(qū)和紅外區(qū)都具有高的反射率(95%)；光波在傾斜入射時引入的偏振效應較??；與玻璃基片的黏附性很差，同時易受硫化物的影響而失去光著，故使用壽命較短。保護層材料：一氧化硅（抗潮氣）和氧化鋁組合目前六十六頁\總數一百六十頁\編于十二點金膜在紅外區(qū)具有高的反射率(~95%)；與玻璃基片的黏附性差，常用鉻膜作為襯底。用離子束轟擊輔助可提高金膜和玻璃基質的附著力度；強度和穩(wěn)定性都比銀膜好。不能擦洗。目前六十七頁\總數一百六十頁\編于十二點在金屬高反膜表面鍍介質膜，其作用為：四、金屬—介質高反射膜1）對金屬膜層起到保護作用。在金屬層和基質之間增加與金屬層和基質之間都有較好附著能力的過渡層；在金屬膜層表面加鍍高硬度透明膜層。2）提高反射率，但減少了帶寬。在金屬膜層表面加鍍(LH)S膜堆(~99%)目前六十八頁\總數一百六十頁\編于十二點金屬膜層折射率

則光垂直入射到金屬薄膜時，其反射率為：

在金屬薄膜層表面鍍上膜堆，此時反射率目前六十九頁\總數一百六十頁\編于十二點2.3中性分束膜2.3.1金屬分束鏡介質分束鏡2.3.3偏振分束鏡目前七十頁\總數一百六十頁\編于十二點利用斜入射的偏振效應實現光的中性分束1、中性分束鏡原理及定義原理：在一定的波長區(qū)域內，對各波長具有相同的透過率、反射率比，因而反射光和透射光呈中性。中性分束：目前七十一頁\總數一百六十頁\編于十二點1）在透明平板上鍍膜（平板分束鏡）2、常用中性分束鏡結構常見兩種形式：2）把膜層鍍在45直角棱鏡斜面上，再膠合一個同樣形狀的棱鏡，構成膠合立方體（棱鏡分束鏡）目前七十二頁\總數一百六十頁\編于十二點平板分束片：結構簡單，裝調方便，但引入像散，膜層暴露在空氣中，易被腐蝕和損壞；兩種棱鏡的比較棱鏡分束器：不引入像散，膜層不暴露在空氣中，不易被腐蝕和損壞，對膜層材料的機械和化學穩(wěn)定性要求較低，結構也稍復雜，偏振效應比較明顯。應用：常應用在中低級光學裝置上應用：常應用于性能要求較高的光學系統(tǒng)目前七十三頁\總數一百六十頁\編于十二點說明：(1)平板分束鏡、棱鏡分束鏡能夠分束的原因均是因為鍍了一層薄膜。(2)薄膜的要求：在一定波長區(qū)域內，反射率幾乎不變，即反射透射比一定。常用中性分束鏡分類金屬分束鏡介質分束鏡目前七十四頁\總數一百六十頁\編于十二點2.3.1金屬分束鏡(1)色中性好，在很寬的光譜范圍內都能實現以近似同樣的分束比工作。1、特點：(2)入射光的偏振態(tài)對分束比的影響沒有介質膜中性分束器敏感。(3)吸收嚴重，吸收損耗接近三分之一。(4)使用時具有方向性。吸收膜分光鏡的透過率與入射光的方向無關，但反射率與入射光的方向有關。從空氣一側入射具有較高的反射率。注意：正確安裝，見圖3—50目前七十五頁\總數一百六十頁\編于十二點最常用的是鎳鉻合金，其特點為在很寬的光譜范圍內（0.24~5m）都能實現色中性分束?；瘜W性能和機械性能都很好。2、金屬分束鏡中金屬膜層材料：銀：在可見區(qū)吸收最小，但色中性較差，在光譜的藍色端反射率下降，化學性能和機械性能都不好，一般僅用在立方膠合棱鏡中。鉻：化學性能和機械性能都很好，色中性比較理想，在可見光區(qū)，長波端的反射率比短波端高出10％。其它有鋁、鍺、鈾等。目前七十六頁\總數一百六十頁\編于十二點G/Ag(5nm)/A目前七十七頁\總數一百六十頁\編于十二點G/Cr(15nm)/A目前七十八頁\總數一百六十頁\編于十二點G/Cr(16nm)Ni(6nm)/A目前七十九頁\總數一百六十頁\編于十二點方法：吸收與周圍介質有關，通過改變周圍介質是吸收損失減小，eg：在鉻膜和基片之間插入一層4的硫化鋅膜3、金屬分束鏡吸收損耗改善目前八十頁\總數一百六十頁\編于十二點G/Ag(5nm)/A目前八十一頁\總數一百六十頁\編于十二點GlZnS-Ag-ZnSlA可見光的中性1：1分光，R+T~90%.厚度為：280，1.2，120目前八十二頁\總數一百六十頁\編于十二點(1)分光效率高（無吸收）(2)偏振效應明顯(3)分光特性色散明顯。(1)單層膜系結構2.3.2介質分束鏡1、特點：2、膜系反射率在ng上鍍一層λ0/4的薄膜，在中心波長處的反射率目前八十三頁\總數一百六十頁\編于十二點對p分量對s分量對自然光的反射率注意:單層介質膜的反射率在可見區(qū)較低，達不到50％。目前八十四頁\總數一百六十頁\編于十二點用周期性多層膜系(LH)s(2)多層介質膜平板分束鏡：G/H/A；G|HLHL|A或者G|2LHLHL|A棱鏡分束鏡：G/HLH/G；G/HLHL/G；G/LHLHL/G目前八十五頁\總數一百六十頁\編于十二點單層分光膜G/H/AG/TiO2/A

平板型介質分束膜目前八十六頁\總數一百六十頁\編于十二點多層分光膜G/HLHL/A入射角45度多層分光膜G/2LHLHL/A目前八十七頁\總數一百六十頁\編于十二點a曲線膜系由兩層（HL），最大反射率為～46％；b曲線膜系比a曲線膜系多一層虛設層，呈M型結構，最大反射率為～50％，中性特性比較好。分析：目前八十八頁\總數一百六十頁\編于十二點棱鏡介質分束膜從空氣|膜層|玻璃變?yōu)椴Ａ膜層|玻璃，單層膜反射率更低。需用多層膜結構?；镜娜龑幽そY構：色中性比較差。最大反射率為～53％目前八十九頁\總數一百六十頁\編于十二點(1)基于λ0/4使膜系,使其在中心波長處的反射率約50％(2)改進結構，提高兩端光譜的反射率。曲線平滑，改變色中性問題：怎樣才能得到中性程度好，且R/T=1的介質膜分束鏡？方法：增加膜層數，逐步修改膜系，設計出特性良好地分束鏡設計步驟：目前九十頁\總數一百六十頁\編于十二點S/HLHL2H/SS/HLHL/SS/2LHLHL/SS/LH(2/3)L1.5HL2H/S增加2H層可顯著改善色中性,而增加2L層效果不大。目前九十一頁\總數一百六十頁\編于十二點利用斜入射時光的偏振效應來實現50/50的中性分光。即反射分量是S分量，透射分量是P分量(1)偏振中性分光膜只適應于自然光和圓偏振光的中性分束；(2)偏振中性分光膜分出的兩束光，光強相等，但偏振狀態(tài)不同，是兩束振動方向互相垂直的線偏振光。因此，也將其稱為偏振分光（束）膜。2.3.3偏振分束鏡原理說明：目前九十二頁\總數一百六十頁\編于十二點偏振中性分光膜—布儒斯特角原理Rp=0的條件：RsRpn1,n2界面反射率隨入射角的變化1.0R0.50θB0306090θ0所以有：又因為：消去θ2,得Rp=0的入射角θ1=θBθB叫布儒斯特角或偏振角。增加S偏振光的反射率目前九十三頁\總數一百六十頁\編于十二點對于偏振中性分束棱鏡結構特點為：兩塊棱鏡＋布儒斯特角入射的膜層；膜層為布儒斯特角入射的(LH)S膜堆；透射光為P光，反射光為S光；分束比與入射光的偏振態(tài)有光。只有對于自然光和y圓偏振光，分束比才50/50.棱鏡介質分束器和平板分束片：透射和反射光均有P光和S光，而偏振中性分束棱鏡透射光為P光，反射光為S光。目前九十四頁\總數一百六十頁\編于十二點2.4干涉截止濾光片目前九十五頁\總數一百六十頁\編于十二點目前九十六頁\總數一百六十頁\編于十二點截止濾光片某一波長范圍的光束高透射，而偏離這一波長的光束驟然變化為高反射（抑制）的波段選擇截止濾光片。吸收型薄膜干涉型吸收與干涉組合型分類:目前九十七頁\總數一百六十頁\編于十二點利用多光束干涉原理，讓某一波長范圍的光束高透，而讓偏離這一波長區(qū)域的光束變?yōu)楦叻吹墓鈱W膜片。長波通濾光片：透射長波波段，濾掉短波波段。1、什么叫干涉截止濾光片：2、種類：2.4.1干涉濾光片概述短波通濾光片：透射短波波段，濾掉長波波段。帶通濾光片：讓某窄光波段通過，濾掉此波段區(qū)以外的光束。目前九十八頁\總數一百六十頁\編于十二點長波通濾光片抑制短波波段，透射長波波段目前九十九頁\總數一百六十頁\編于十二點短波通濾光片抑制長波波段，透射短波波段目前一百頁\總數一百六十頁\編于十二點帶通濾光片讓某窄光波段通過，濾掉此波段區(qū)以外的光束。目前一百零一頁\總數一百六十頁\編于十二點3、截止濾光片的特性參數截止波長；高透射帶的光譜寬度，平均透射率，最小允許透射率；反射帶光譜寬度，平均反射率，最大允許透射率；過渡區(qū)曲線陡度/過渡區(qū)的波長寬度。目前一百零二頁\總數一百六十頁\編于十二點4、膜層特性介紹干涉截止濾光片的基本膜系類型是周期性多層膜系(LH)s。這類膜系的基本特征是一連串的高反帶間隔以一連串的高透帶。高反短波通長波通目前一百零三頁\總數一百六十頁\編于十二點1）并不能實現以某一波長為界，一側高透，另一側高反（沒有任何膜系能實現）。只是在某一有限的波段，實現以某一波長為界實現一側高透，另一側高反。既要關心它的反射特性，又要注意它的透射特性。2）同一種周期性的膜堆(LH)s，也是既可以做短波通濾光片，也可以做長波通濾光片。3）高反鏡、分束鏡都是利用它的反射帶，而濾光片是既用它的反射帶，又用它的透射帶。結論：目前一百零四頁\總數一百六十頁\編于十二點(LH)s干涉截止濾光膜系設計的主要任務就是消除和減小通帶波紋。目前一百零五頁\總數一百六十頁\編于十二點改進結構:在(LH)S的兩側各加一個膜層。

——干涉截止濾光片的基本膜系結構：——通帶光學性能與(LH)S具有相同的高反射帶和高透射帶分布，而且，高反射帶的寬度也與(LH)S的相同。多層膜系(LH)S改造后成對稱膜系基本周期目前一百零六頁\總數一百六十頁\編于十二點（1）對稱多層膜系的性能-等效特性等效定理：一個任意多層膜可等效于雙層膜；具有對稱結構的多層膜可等效于一個單層膜。注：a“等效界面”——與任意多層膜組合導納相對應。b“等效膜層”——不含基底的多層膜與有確定折射率和厚度的介質膜相對應。c“等效”是數學的，也是光學效果的。目前一百零七頁\總數一百六十頁\編于十二點nsnFn0（2）單層膜的特征矩陣特征矩陣特點：1）對于無吸收介質膜，m11＝m22均為實數；2）m12、m21均為純虛數；3）m11m22－

m12m21＝1目前一百零八頁\總數一百六十頁\編于十二點(3).對稱介質膜系的特征矩陣以最簡結構(pqp)為例：目前一百零九頁\總數一百六十頁\編于十二點對膜系（pqp）的特征矩陣也存在下列特征：1）對于無吸收介質膜，M11＝M22均為實數；2）M12、M21均為純虛數；3）M11M22－M12M21＝1。因此，膜系(pqp)在數學上與一個單層介質膜等同目前一百一十頁\總數一百六十頁\編于十二點(4).等效折射率和等效位相厚度設：(pqp)的等效層的折射率為E，位相厚度為可得：

解得：由目前一百一十一頁\總數一百六十頁\編于十二點(pqp)m的等效層的折射率為Em，位相厚度為目前一百一十二頁\總數一百六十頁\編于十二點結論性說明：A.對稱周期性膜系(pqp)m的等效折射率和等效位相厚度與基本周期(pqp)的等效折射率和等效位相厚度的關系為：目前一百一十三頁\總數一百六十頁\編于十二點(5)通帶和截止帶的特性

以或為例：目前一百一十四頁\總數一百六十頁\編于十二點截止帶：高反射帶a.阻帶出現在g=1，3，5，……為中心的波段；

b.阻帶寬度

c.阻帶內：

d.過渡區(qū)的曲線陡度隨的增大，或周期數m的增加,而變陡。目前一百一十五頁\總數一百六十頁\編于十二點通帶：高透射帶a.通帶出現在g=2,4,6,……為中心的波段；b.通帶內：其等效單層膜有：目前一百一十六頁\總數一百六十頁\編于十二點顯然，隨波長的變化情況，將決定膜系通帶內反射率隨波長的變化特性。

目前一百一十七頁\總數一百六十頁\編于十二點目前一百一十八頁\總數一百六十頁\編于十二點設計波長：550nm膜系適合于短波通濾光片膜系適合于長波通濾光片目前一百一十九頁\總數一百六十頁\編于十二點2.4.2.通帶波紋的壓縮“波紋”—通帶內的反射率極大值群。1.波紋產生原因：由于都是波長的函數a.滿足波長點將出現反射次峰b.反射次峰的大小為：目前一百二十頁\總數一百六十頁\編于十二點次峰的高低取決于值趨近于的程度。顯然，反射次峰的出現，是由于位相耦合和折射率失配同時存在而造成的。當時反射次峰的大小為：目前一百二十一頁\總數一百六十頁\編于十二點2、壓縮波紋的方法選取適當的對稱膜系，使得在透射帶內的等效折射率等于基質的折射率即使R1=R2，本質是選膜層材料，要求基片表面的反射損耗要小，但對于不同的基底不一定有合適的膜層材料。改變基本周期的膜層厚度，使等效折射率更接近于預期值。同樣要求基片折射率要低，反射損耗小。這種方法可可見光可以，紅外區(qū)損耗大。在多層膜的每一側加鍍匹配層（/4層），使它與基質以及入射介質匹配。插入層相當于多層膜界面的減反膜。目前一百二十二頁\總數一百六十頁\編于十二點方法三：n0E’EE”ns基本思想:由于單層膜只可能一個零反射點，故常用多層膜或相似的基本周期匹配。減反射膜目前一百二十三頁\總數一百六十頁\編于十二點目前一百二十四頁\總數一百六十頁\編于十二點2.4.3通帶的展寬和壓縮

方法：在不改變基本周期膜層總厚度的前提下，改變基本周期中膜層的厚度比。

例：1.的通帶出現在g=3,6,9,…，而高反帶在g=1,2,4,5,…的相鄰區(qū)間?！◣П粔嚎s。

2.只在g=1,5,9,…處有高反帶，其余全為通帶。——通帶被展寬。目前一百二十五頁\總數一百六十頁\編于十二點T12345678gTg12345678Tg12345678目前一百二十六頁\總數一百六十頁\編于十二點1.分色鏡（彩色分光膜）三基色分色；消紅，消藍。2.寬帶通濾光片“短波通”+“長波通”3.太陽能利用A.熱鏡：對陽光（0.35~3μm）高透過，對室溫輻射（3~50μm）高反射。B.太陽屏：可見光0.4-0.75μm高透，熱輻射(大于0.75μm)高反。4.CCD攝像系統(tǒng)中的紅外截止濾光片——隔離紅外噪聲2.4.4截止濾光片的應用目前一百二十七頁\總數一百六十頁\編于十二點2.5帶通濾光片目前一百二十八頁\總數一百六十頁\編于十二點帶通濾光片的特性參數

λ0——（峰值波長）中心波長Tmax——（峰值透射率）中心波長的透射率2△λ——（通帶寬度）透射率為峰值透射率一半的波長寬度2△λ/

λ0——相對寬度目前一百二十九頁\總數一百六十頁\編于十二點長波通+短波通

這種結構得到的光譜特性是：可以獲得較寬的截止帶和較深的截止度，但不容易獲得很窄的通帶，所以常用于獲得寬帶通濾光片。帶通濾光片的兩種結構形式：F-P干涉濾光片光譜特性是：可以獲得很窄的通帶，但截止帶寬度通常也比較窄,截止度也不深，所以大多數情況下都需要配合使用截止濾光片來拓寬截止帶和增加截止深度。目前一百三十頁\總數一百六十頁\編于十二點2.5.1F-P干涉儀和窄帶濾光片

1.F-P干涉儀由兩個反射率為R1，R2，間隔為d的反射板組成，透射光強的空間分布為：其中：目前一百三十一頁\總數一百六十頁\編于十二點2.全薄膜F-P干涉儀包括間隔層在內的所有功能元件全部由薄膜組成。例:G(HL)82H(LH)8G.全薄膜F-P干涉儀與空氣間隔的F-P干涉儀的唯一區(qū)別:兩反射板之間的間隔層厚度與波長同量級,即：Nd～λ。目前一百三十二頁\總數一百六十頁\編于十二點2.5.2基本原理和特性參數

窄帶通干涉濾光片就是F-P干涉儀

1.最大透射率

窄帶通干涉濾光片的透射特性：

其中：

目前一百三十三頁\總數一百六十頁\編于十二點影響T0的因素：a.如果:吸收和散射均為零，而且R1=R2，那么T0=

1;b.如果：吸收和散射均為零，但是R1≠R2，那么T0≠

1;目前一百三十四頁\總數一百六十頁\編于十二點反射膜的不對稱性對峰值透射率的影響

如果：吸收和散射均為零，但是，R1≠R2如果△/R1足夠小，則可以只取展開式的前兩項，稍加整理即得：目前一百三十五頁\總數一百六十頁\編于十二點反射膜不對稱對法布里—珀珞濾光片峰值透射率的影響目前一百三十六頁\總數一百六十頁\編于十二點C.如果反射膜有吸收、散射損失，假定反射膜仍是完全對稱的，用R12、T12和A12分別表示兩反射膜的反射率、透射率以及吸收和散射損失。由于R12+T12+A12＝1，峰值透射率可以寫成：影響T0的因素：這說明：反射膜的透射率愈低或吸收、散射愈大，則峰值透射率愈低．

目前一百三十七頁\總數一百六十頁\編于十二點A+S~0.5%,R~98.8%,Tmax~50%;這也足以說明F—P濾光片對膜層的吸收、散射損失是極其敏感的。對于金屬—介質法布里—珀珞濾光片，由于金屬反射膜的固有吸收，這種濾光片的峰值透射率不可能做得太高，一般以35—40％為宜．

A+S~1%,R~98.8%,Tmax~30%.目前一百三十八頁\總數一百六十頁\編于十二點2.通帶中心波長λ0

---透射率極大值的位置注意：

a.m是以λ0\2為單位的間隔層厚度；

b.m也是該濾光片可產生的窄通帶的個數。目前一百三十九頁\總數一百六十頁\編于十二點3.通帶寬度2△λ顯然：

a.R1、

R2越高，通帶越窄；

b.提高m數（增加間隔層的厚度），通帶將變窄。但是，一般情況下m不大于4。目前一百四十頁\總數一百六十頁\編于十二點2.5.3不同膜系結構的帶通濾光片1.“金屬--介質”型G/Metal4LMetal/GG/Metal4LMetal/Aa.在通帶以外的長波區(qū)無透射次峰;

b.通帶較寬;c.中心透過率較低;d.制造工藝簡單。特點:目前一百四十一頁\總數一百六十頁\編于十二點K9/Ag(2.3nm)MgF2(560nm)Ag(2.3nm)/A目前一百四十二頁\總數一百六十頁\編于十二點2.全“介質單半波”型

G/(HL)m[k(2H)](LH)m/GG/(HL)mH[k(2L)]H(LH)m/G反射膜/半波間隔層/反射膜特點:

a.A,S很小,R1,R2很高,∴

b.通帶波形近似為三角形;c.通帶兩側截止區(qū)很窄;d.制造工藝難度較大.目前一百四十三頁\總數一百六十頁\編于十二點全介質濾光