薄膜光學(xué)7課件

薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所復(fù)習(xí):反射膜——金屬反射膜增強(qiáng)金屬反射膜全介質(zhì)反射膜薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系金屬反射鏡中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所Ag膜、Al膜及Al+LHLH膜光譜比較增強(qiáng)金屬膜薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所全介質(zhì)高反膜

由1/4波長(zhǎng)厚度的高低折射率材料交替構(gòu)成的HLH…..LH型膜系，其導(dǎo)納可以由其特征矩陣較為容易的得到：而反射率：層數(shù)s趨近無(wú)窮大，R趨近1。薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所5\7\9\17層反射膜光譜

由上圖可以看出最高反射率隨層數(shù)增加，而反射帶寬并不增加薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所反射帶寬：薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所用相對(duì)波數(shù)表示帶寬：用波長(zhǎng)表示帶寬：薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所波長(zhǎng)帶寬同樣道理，在1/3、1/5、1/7、1/9處的反射帶邊界為：薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所全介質(zhì)反射膜反射帶展寬兩個(gè)以上的標(biāo)準(zhǔn)反射膜系的疊加變厚度薄膜：算術(shù)遞減幾何遞減：稍好薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所如何減小反射帶寬薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所紅：G/(LF)50L/Air

綠：G/(7H7F)57F/Air

nH=2.3nL=1.46nF=1.38λ0=550nm薄膜光學(xué)7負(fù)濾光片薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所反射膜系中的電場(chǎng)分布

當(dāng)兩列振幅相同的相干波沿相反方向傳播時(shí)，疊加后便產(chǎn)生駐波。全介質(zhì)高反膜系中沿正、反兩個(gè)方向行進(jìn)的平面電磁波滿(mǎn)足相干條件，當(dāng)反射率接近1時(shí)，滿(mǎn)足駐波形成的條件；精確的計(jì)算可以用矩陣的方法進(jìn)行；

在高能激光反射膜中經(jīng)常關(guān)心電場(chǎng)的分布情況薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所G/(HL)8HAir反射膜系的電場(chǎng)分布情況薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光反射鏡電場(chǎng)設(shè)計(jì)兩個(gè)原則薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所濾光片

干涉截止濾光片窄帶、帶通濾光片金屬濾光片

負(fù)濾光片薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

干涉截止濾光片

有些場(chǎng)合，人們利用反射膜截止某一段光譜，同時(shí)還要求另一段光譜透射。Long-passorShort-passFiltersIRcutofffiltersHotmirrorsColdmirrorsEdgefiltersDichroicFilters我們一般稱(chēng)為前、后截止濾光片和分色膜它們有著近似的膜系結(jié)構(gòu)，使用方式有所不同。薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

要求某一波長(zhǎng)范圍的光束高效透射而偏離這一波長(zhǎng)的光束驟然變化為高反射(或稱(chēng)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），通常我們把抑制短波區(qū)、透射長(zhǎng)波區(qū)的濾光片稱(chēng)為長(zhǎng)波通濾光片。相反抑制長(zhǎng)波區(qū)、透射短波區(qū)的截止濾光片就稱(chēng)為短波通濾光片。薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1．透射曲線開(kāi)始上升(或下降)時(shí)的波長(zhǎng)以及此曲線上升(或下降)的許可斜率2．高透射帶的光譜寬度、平均透射率以及在此透射帶內(nèi)許可的最小透射率3．具有低透射率的反射帶(抑制帶)的光譜寬度以及在此范圍內(nèi)所許可的最大透射率。干涉截止濾光片的幾個(gè)重要指標(biāo)薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

干涉截止濾光片的基本結(jié)構(gòu)與前面講的反射膜是一樣的，都是HL…四分之一波長(zhǎng)的形式薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所通帶波紋的壓縮

可以看出標(biāo)準(zhǔn)的四分之一波長(zhǎng)的反射膜在反射帶以外，透射率是震蕩的，或者說(shuō)通帶內(nèi)由較大的波紋幅度，我們下面利用等效折射率的方法來(lái)分析，找到波紋壓縮的方法。

HL…LH型的膜系在最外端稍加變化則可以用（L/2HL/2)n或(H/2LH/2)n來(lái)替代。這樣我們就可以用周期膜系的等效折射率的方法進(jìn)行分析了。薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

對(duì)于以中間一層為中心，兩邊對(duì)稱(chēng)安置的多層膜，卻具有單層膜特征矩陣的所有特點(diǎn)，在數(shù)學(xué)上存在著一個(gè)等效層，這為等效折射率理論奠定了基礎(chǔ)。下面我們就以最簡(jiǎn)單的對(duì)稱(chēng)膜系(pqp)為例說(shuō)明對(duì)稱(chēng)膜系在數(shù)學(xué)上存在一個(gè)等效折射率的概念。這個(gè)稱(chēng)膜系的特征矩陣為：

對(duì)稱(chēng)膜系的等效折射率薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

由于對(duì)稱(chēng)膜系的待征矩陣和單層膜的特征矩陣具有相同的性質(zhì)，可以假定以相似的形式來(lái)表示：

對(duì)稱(chēng)膜系的等效折射率因此它可以用一層特殊的等效單層膜來(lái)描寫(xiě)，這層等效膜的折射率E（等效折射率）和位相厚度τ(等效位相厚度)可以由下面方程求得：薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

對(duì)稱(chēng)膜系的等效折射率對(duì)于某些波長(zhǎng)范圍M11的絕對(duì)值大于1薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

對(duì)稱(chēng)膜系的等效折射率對(duì)于M11的絕對(duì)值小于1的情況：

上式表示一個(gè)周期性對(duì)稱(chēng)膜系在它的透射帶中仍然存在有一個(gè)等效折射率，它和基本周期對(duì)稱(chēng)組合等效折射率E完全相同，并且它的等效位相厚度等于基本周期的等效位相厚度s倍．薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所L/2HL/2等效折射率H/2LH/2

對(duì)稱(chēng)膜系的等效折射率薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所通過(guò)對(duì)L/2HL/2和H/2LH/2兩種基本型等效折射率分析可以得到L/2HL/2適合短波通…薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

一種壓縮波紋的簡(jiǎn)單的方法是選擇合適的基本周期，通過(guò)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預(yù)期值，要使這種方法有成效，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，在可見(jiàn)光區(qū)，玻璃是十分滿(mǎn)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，更常用的方法是在多層膜的每一側(cè)加鍍匹配層，使它同基片以及入射介質(zhì)匹配。薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所通帶的展寬與壓縮λ/4堆這種型式的長(zhǎng)波通濾光片，其長(zhǎng)波通帶可以一直延伸至膜料和基片的吸收限寬度是足夠的，但短波通濾光片因?yàn)橛懈呒?jí)次的截止區(qū)，所以它的通帶寬度是有限的，在有些情況下例如某些類(lèi)型的熱反光鏡，就要求寬得多的短波通帶，現(xiàn)在我們討論短波通濾光片通帶的展寬的問(wèn)題。薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

通過(guò)改變基本周期的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整每層的折射率、厚度，使的條件不滿(mǎn)足，可以消除某些級(jí)次的反射帶。薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所光學(xué)薄膜的類(lèi)型與符號(hào)1.減反膜2.濾光膜3保護(hù)膜4內(nèi)反射5外反射6高反膜7分束膜8分色膜9偏振膜10導(dǎo)電膜小結(jié)：薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所小結(jié)：1.各種膜系的實(shí)際應(yīng)用薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典型膜系中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所2.概括光學(xué)薄膜的本質(zhì)內(nèi)容

光在通過(guò)分層媒質(zhì)時(shí)，來(lái)自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，人們正是利用這種干涉現(xiàn)象，通過(guò)改變薄膜材料及其厚度等特性來(lái)人為的控制光的干涉，根據(jù)需要來(lái)實(shí)現(xiàn)光能的重新分配。薄膜光學(xué)7薄膜光學(xué)——典