光学薄膜原理讲课稿课件.ppt

1、 参考文献参考文献n1、H.A.Macleod, Thin Film Optical Filters (2nd,3rd ed.),Adam Hilger,Bristol,1986,2002n2. 唐晋发、郑权, 应用薄膜光学, 上海科技出版社，1984n3. 唐晋发、顾培夫, 薄膜光学与技术,机械工业出版社, 1989 n4. 林永昌、卢维强，光学薄膜原理，国防工业出版社，1990n5. 李正中，薄膜光学与镀膜技术，台湾艺轩图书出版社，2001n6. 顾培夫, 薄膜技术，浙江大学出版社, 1990n7. 杨邦朝等，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社n8. H.K.Pulker, Coating

2、s on Glass, Rlsevier 1984n第一章：光学薄膜设计的理论基础第一章：光学薄膜设计的理论基础n 第一节第一节: : 电磁波及其传播电磁波及其传播n 第二节第二节: : 单界面的反射和折射单界面的反射和折射n 第三节第三节: : 单层薄膜的传输矩阵单层薄膜的传输矩阵n 第四节第四节: : 多层薄膜的分析方法多层薄膜的分析方法n第二章：典型薄膜系统的设计第二章：典型薄膜系统的设计n 第一节第一节: : 增透膜增透膜( (减反射膜减反射膜) )n 第二节第二节: : 分光膜分光膜n 第三节第三节: : 高反射膜高反射膜n 第四节第四节: : 干涉截止滤光片干涉截止滤光片n 第五节

3、第五节: : 带通滤光片带通滤光片光学薄膜的发展历史光学薄膜的发展历史n - 17- 17世纪世纪“牛顿环牛顿环” - 1817- 1817年年FraunhoferFraunhofer第一个化学第一个化学ARAR膜膜 - 1930- 1930年扩散泵年扩散泵 - 1939- 1939年年GeffekenGeffeken第一个金属第一个金属- -介质干涉滤光片介质干涉滤光片 - 1960- 1960年激光器诞生年激光器诞生 - 1970- 1970年薄膜微结构的揭示年薄膜微结构的揭示 - - 近年光通讯波分复用技术近年光通讯波分复用技术n- - 国内长春光机所和浙江大学几乎同时于国内长春光机所和

4、浙江大学几乎同时于19571957年开年开始光学薄膜研究始光学薄膜研究 - - 现在国内不仅有许多研究院所，而且有许多薄膜现在国内不仅有许多研究院所，而且有许多薄膜公司公司, ,技术力量不断增强、设备条件不断改善。技术力量不断增强、设备条件不断改善。光学薄膜的基础知识光学薄膜的基础知识1.电磁场理论2.光的干涉12 nn0.98 or 1.48DetectorGFF : EDFdB Applications of thin films (1)-in WDM 1 .DemuxMux 薄膜在薄膜在WDMWDM技术中的应用技术中的应用 lDWDM Filter: Mux, Demux, OADM ,

5、OXCDWDM Filter: Mux, Demux, OADM ,OXC等等lM-WDM Filter: CWDM, Channel separation M-WDM Filter: CWDM, Channel separation 等等lW-WDM Filter: W-WDM Filter: 光网控制，光插分，光放大等光网控制，光插分，光放大等lInterleaver: Interleaver: 与与DWDM FilterDWDM Filter串接，提高复用度串接，提高复用度lGFF: EDFAGFF: EDFA增益平滑增益平滑l截止滤光片截止滤光片: : 分离分离1310nm1310nm

6、与与1550nm,C-band1550nm,C-band和和L-band,L-band,泵浦光泵浦光 和信号光等和信号光等lAR Coatings: AR Coatings: 各种透光元件各种透光元件l反射镜反射镜: : 各种反射元件各种反射元件l中性分束膜中性分束膜: : 泵浦光引入，信号监控等泵浦光引入，信号监控等 l偏振、消偏振膜偏振、消偏振膜: : 分束，隔离分束，隔离 等等等等Applications of thin films (2)-in TFT-LCD Projector 薄膜在投影显示中的应用薄膜在投影显示中的应用 n冷反光镜冷反光镜: : 灯泡、液晶板、薄膜偏振片、位相片隔

7、热灯泡、液晶板、薄膜偏振片、位相片隔热 等等n偏振片偏振片: PCS: PCS、预偏和偏振器、预偏和偏振器, ,特别是宽角宽波段特别是宽角宽波段PBSPBSn截止滤光片截止滤光片: : 白光分成白光分成R,G,BR,G,B或合成彩色图像；修饰颜色；色轮或合成彩色图像；修饰颜色；色轮 等等nAR CoatingsAR Coatings: : 各种透光元件各种透光元件, ,在在TIRTIR棱镜中的宽角棱镜中的宽角ARAR膜膜n反射镜反射镜: : 各种反射元件各种反射元件, ,在光管中的大角度反射镜在光管中的大角度反射镜n消偏振膜消偏振膜: : 在在PhilipsPhilips棱镜中的消偏振分色合色

8、截止滤光片棱镜中的消偏振分色合色截止滤光片n位相膜位相膜: : 补偿液晶板不同波长的相位差，提高补偿液晶板不同波长的相位差，提高对比度对比度 光学薄膜的发展趋势光学薄膜的发展趋势1. 光学薄膜的理论巳趋成熟，重点是设备和制备光学薄膜的理论巳趋成熟，重点是设备和制备技术及检测技术的提高技术及检测技术的提高2. 2. 新的应用开拓新的应用开拓-象激光、光通讯等之类的重象激光、光通讯等之类的重要应用要应用3. 3. 各种功能的光电子薄膜及器件，如光源、调各种功能的光电子薄膜及器件，如光源、调制、放大、接收、显示、传感器等制、放大、接收、显示、传感器等4. 4. 从目前的一维薄膜向多维发展从目前的一维

9、薄膜向多维发展-光子晶体光子晶体5. 5. 薄膜的微小化，集成化，功能化薄膜的微小化，集成化，功能化-MEMS,MOEMSMEMS,MOEMS第一章第一章光学薄膜设计的理论基础光学薄膜设计的理论基础第一节第一节 电磁波及其传播电磁波及其传播用高速电子流轰击原子中的内层电子而产生的电磁辐射远红外线9600mm0.150.01ev由炽热物体、气体中红外线1.0nm8mm1.20.15ev放电或其它光源激近红外线0.71.0mm1.81.2ev发分子或原子等微可见光区0.40.7mm3.11.8ev观客体所产生的电近紫外0.20.4mm6.23.1ev磁辐射远紫外0.030.2mm41.46.2ev

10、 x射线0.1nm0.03mm1200042ev射线1.0pm0.1nm1.2E612000ev放射性原子衰变发出的电磁辐射或高能粒子碰撞产生的电磁辐射光学薄膜基础理论光学薄膜基础理论几个条件：工作波段：光学薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级薄膜的面积与波长相比可认为无限大薄膜材料各向均匀、同性薄膜材料为非铁磁性材料光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播电磁波谱电磁波谱薄膜的干涉薄膜的干涉两束光产生干涉的条件：两束光产生干涉的条件：频率相同频率相同振动方向一致振动方向一致位相相同或位相差恒定位相相同或位相差恒定薄膜的双光束干涉薄膜的双光束干涉 单层膜的多光束干涉单层膜的多光束干涉 多光束干涉强度多光

11、束干涉强度的计算原则上和双光的计算原则上和双光束完全相同，也是先束完全相同，也是先把振动迭加，再计算把振动迭加，再计算强度，差别仅在于参强度，差别仅在于参与干涉的光束由两束与干涉的光束由两束增加到多束，至于计增加到多束，至于计算方法则以采用复振算方法则以采用复振幅最为方便。幅最为方便。EjHBEDm0BDtHEtDjHmtHHtEE222222mmMaxwells equations波动方程波动方程rrvcNmmm00/折射率：refractive index1.波动方程： 在原点0: E=E0 cost 在p点: 真空中 E=E0 cos(t -2x/) 介质中 E=E0 cos(t -2N

12、x/) Nx-光程差用欧拉公式，另一种表示方法： E=E0 e i(t -2Nx/) =E0 e-i2Nx/e it (1)2.复折射率 N: -磁场幅值与电场幅值之比 H=N (kE) 或 若自由空间导纳取1，则光学导纳 Y=N0 x piknvcEkHN(2)折射率与导纳折射率与导纳Refractive index3.坡印廷矢量(能流密度)S:单位时间通过单位面积的能量 S=EH 积分平均值：4.边界条件-切向分量连续 E0 tan= E1 tan , E0itan + E0rtan = E1t tan H0 tan= H1 tan , H0itan + H0rtan = H1t tan2

13、)Re(21ENS (3)(4)第二节第二节 单界面的反射和折射单界面的反射和折射tritriHHHEEE100100a. 垂直入射垂直入射 由切向分量连续：)(0iiEkNH)(0rrEkNH10000101000110001100001010000002,)()()()(NNNEEtNNNNEErENEENENENENEkNEkNEkNitirtritritri(1)(2)(1)N1-(2)得振幅反射系数得振幅反射系数:(1)N0+(2)得振幅透射系数得振幅透射系数:E0iE0rE1t介质 0介质 1kN0N1垂直入射时能量反射率和透射率垂直入射时能量反射率和透射率: 反射能量 面积 R=

14、-=-= 入射能量 面积 透射能量 面积 T= - =-= 入射能量 面积 rStSiSiS21010200)()(NNNNEEir2101021000120101)(4)2()(NNNNNNNNNEENNitN0N1史托克定律史托克定律设r,t分别为光由N0到N1的振幅反射系数和透射系数，r,t分别为光从N1到N0时的振幅反射系数和透射系数N0N1rt11rtrr2rtttttrrttr2trttr(a) (b)(c) (d) (e)(b)是(a)的逆过程,(c)表示r入射，(d)表示t入射,(e)表示(c),(d)的总效果因(b)与(e)等同，故r2+tt=1 (1)rt+tr=0,即r=

15、r (2)(1),(2)叫史托克定律。 b. 倾斜入射倾斜入射cos/cosNNps)()(cos)(costantantantantan1tan0tan0ipiiiiiitriEkEkNErNHHEEEEEonpolarizatip)()(coscos)(costantantantanisiiiiiiEkEkNErNHHEEonpolarizatisiE0iH0riH0iE0rp -S -N: Admittance or index: Amended admi. or effect. index倾斜入射时反射系数和透射系数倾斜入射时反射系数和透射系数: 100tan0tan1tan2itEE

16、ttritritriEEEHHHEEEtan11tan00tan00tan1tan0tan0tan1tan0tan0由切向连续切向反射系数: (1)1- (2):切向透射系数：(1)0+(2):(1)(2)1010tan0tan0tanirEEr上述切向分量比还不是真正的反射系数或透射系数(倾斜入射时面积变化)反射系数: p-: s-:0E0iE0itan1010tan0tan00tan00tan000cos/cos/iririrpEEEEEEr1010tan0tan000irirsEEEEr透射系数: p-: s-:10010tan01tan100tan01tan1012coscoscosc

17、oscos/cos/itititpEEEEEEt100tan0tan1012ititsEEEEt倾斜入射时能量反射率和透射倾斜入射时能量反射率和透射率率:01N0N1ab21010200)()(irEER2010101201010121)(coscos)(coscositititEENNEENNababSASAT21010201)(4)(sstT210102100100101)(4)2coscos(coscosNNTp小结小结210102012101021001010)(4)(2NNNNtNNTNNNNrRNNNtNNNNr 垂直入射垂直入射 倾斜入射倾斜入射N0N1RT21010201210

18、102101001001010)(4)(coscos2,2spstTrRttrcos/cosNNps第三节第三节 单层薄膜的传输矩阵单层薄膜的传输矩阵212122121221212121HEEHEE( e i1 = cos1+ i sin1, e -i1 = cos 1 - i sin 1 )21111112211111101cossinsincos1cossinsincos1iiCBEiiYEH0=YE0, H2=2E2111111cossinsincosii称薄膜的特征矩阵 CB称膜层和基板的组合特征矩阵。BCYCEYEBEEECBYEE2020200故等效导纳：故等效导纳：12rrarc

19、tg第四节第四节 多层膜的分析方多层膜的分析方法法1. 导纳矩阵导纳矩阵法法=(2/) nd cos12222121001rrarctgRTrrRirrYYrM=m11=m22, real; m21,m12 pure imaginaryM11m22-m12m21=1=(m21/m12)1/2M(,)s=M(, s)2.E HLH, HLHLHLH, 0.5HL0.5HM=M11=M22且: |M|=1等效折射率等效位相n设基本周期为: ABA如果是q个周期,则等效折射率仍为E, 位相为qgn长波通截止滤光片长波通截止滤光片 (0.5H L 0.5H) pn 短波通截止滤光片短波通截止滤光片 (

20、0.5L H 0.5L) p 等效导纳等效导纳 (H:2.35, L:1.45)(H:2.35, L:1.45) 0.5H L 0.5H 0.5L H 0.5Lg(0/) E E0.01.841.840.21.821.870.41.731.960.61.532.220.80.853.981.0虚数虚数- -截止区截止区虚数虚数- -截止区截止区1.26.460.521.43.600.941.63.171.071.83.031.122.0虚设虚设虚设虚设G (0.5HL0.5H)10 A G (0.5HL0.5H)10 A3.3.矢量分析法矢量分析法 条件： 1.无吸收薄膜； 2.忽略多次反射什

21、么情况下可忽略多次反射？什么情况下可忽略多次反射？ 双光束干涉与多光束干涉双光束干涉与多光束干涉 R=0.04 T=0.96 R=0.80 T=0.20反射光强 透射光强 反射光强 透射光强1 0.04 1 0.92 2 0.037 2 0.0015 3 0.0000006 3 0.0000031 0.80 1 0.042 0.032 2 0.0263 0.021 3 0.0174 0.013 4 0.0105 0.008 5 0.0076 0.005 6 0.0047 0.003 7 0.0038 0.002 8 0.002 0.077 0.923 0.886 0.111n0n1n21 2

22、31 2 3其中：上述公式可以用矢量合成技术来计算。定义：矢量的模，r1,r2,r3 正值指向原点，负值离开原点，矢量的夹角由膜层位相角的两倍决定，按逆时针方向旋转)(24)(23221321211iiierererrr薄膜的总反射系数为：400nm520nm650nm12=211.3pp0.8p23=222.6p2p1.6p34=231.3pp0.8pr1=-0.16r2=-0.16r3=0.07r4=0.04n1=1.38, n2=1.9, n3=1.65, n4=1.52, n1d1=l/4, n2d2=l/2, n3d3=l/4, l=520nm例: 4. 4.导纳圆图分析法导纳圆图分

23、析法212222222);0,2(nnrn1cossinsincosinniCBiyxBCY/222220cossin)(0cos)(sinsincos)sin(cosnxnyxynxnxnyniniiyxY ReImn2/ nn nd=l/4nd=l/4nd=l/4nd=l/4实部:虚部:圆方程:园心和半径：CBADDCBA0cossin等相厚、等反射率、等反射相移等相厚、等反射率、等反射相移2/ 1222222)4)(),2)(, 0)(tgctgnnrtgctgnnytgctgnyx等相厚等相厚:等反射率等反射率:等反射相移等反射相移:ImRe(0,)=/2 0(0,-)=0 (n,0)

24、(0,0)=/4n-膜层折射率RRnrRRnnxRRnyx12),0 ,1)1 (.1)1 (20020022n0-入射媒质折射率n0R=0=0.1=0.2=0.32/12020020022)(),/, 0(/2tgnnrtgnntgynyx反射相移1.52n0902701801234实例实例1-低折射率膜低折射率膜1.01.382/1.521.521.38/83/8n0=1n=1.38 ns=1.521. /4厚度为Rmin2. 不能实现零反射3. 增或减，R增加4. 相移减少5. 电场增加等相移园 等反射率圆等相厚圆 导纳圆ImRe实例实例2-2-高折射率膜高折射率膜等相厚圆 导纳圆nH,

25、 导纳圆图及电场强度分布导纳圆图及电场强度分布 n E2 = const/Re (Y) - Y Y 越大越大, E, E2 2 越小越小 1. A|H|SubRe (Y)2.A|L|Sub2.352/1.52=3.6H1.5212/3.6=0.3AirH SubE2 HSub1.521.382/1.52=1.251.012/1.25=0.8LE2Air L SubRe (Y)ImReReIm4. 薄膜的彩色分析薄膜的彩色分析 红红 橙橙 黄黄 绿绿 青青 兰兰 紫紫 0.4 0.5 0.6 0.71.00相对灵敏度人眼对可见光各颜色人眼对可见光各颜色的光感受能力不一样，的光感受能力不一样，55

26、0nm550nm最为灵敏，最为灵敏，780nm780nm完全丧失感受能力。完全丧失感受能力。 三基色三基色(R,G,B)(R,G,B)及其应用及其应用黄品青红红兰兰绿绿 加法混色加法混色 减法混色减法混色三基色及混色三基色及混色黑T 400 700T 400 700加法混色加法混色减法混色减法混色二色光混合也能变成白光，如紫光和黄绿光等。二色光混合也能变成白光，如紫光和黄绿光等。混合后可成白光的两种有色光称混合后可成白光的两种有色光称互补色互补色。白 光黄黄绿绿青兰紫紫红橙紫光和红光比绿光反射高，所以紫光和红光比绿光反射高，所以绿增透膜，反紫红绿增透膜，反紫红色品图色品图?CIE(国际照明委员

27、会国际照明委员会)规定用规定用R(700nm),G(546.1nm),B(435.8nm)三种光谱色作为三原色匹配三种光谱色作为三原色匹配等能白光等能白光E?任何颜色都可用色品图任何颜色都可用色品图(x,y)表表示示?M越接近光谱色品曲线，颜色越接近光谱色品曲线，颜色饱和度越高饱和度越高,越接近越接近E,饱和度越低饱和度越低?MN两色的混合色在两色的混合色在MN连线上连线上?PQ两色连线通过两色连线通过E点，叫互补点，叫互补色。色。?380和和770nm色品点的连线不色品点的连线不是光谱色，而是其混合色的色品是光谱色，而是其混合色的色品轨迹。轨迹。E ENMPQ眼镜绿减反射膜彩虹膜Al-MgF

28、2-Cr小结小结第二章第二章典型薄膜系统的设计典型薄膜系统的设计n单层ARsnnn01n1d=l/4第一节：增透膜第一节：增透膜(减反射膜减反射膜)n1nsn01r0 r1e-2i1要求反射极小，r0=r1,即21=, 即 n1d=/4 ( r0有-相移, r1有-相移+膜厚 )sssnnnnnnnnnnn01111010r0r121/4 y/4 y1 1基板基板 ys入射媒质入射媒质 y0入射媒质入射媒质 y0新基板新基板 Ys=y12 /ys R=(y0-Ys)2/(y0+Ys)2 (1.0(1.0)2)222212211/yyyYyYsy00)7 . 1/52. 138. 11 ()7

29、. 1/52. 138. 11 ()()(222222210210YyYyR/4 y1/4 y2基板基板 yssyyY/222(1.0(1.0)2)2非规整厚度双层膜非规整厚度双层膜 固定折射率，变膜厚r1,r2,r3 固定规则膜厚，变折射率n0n1n2nsn0n1n2ns有二种方法得到零反射，但选薄解。层数层数 厚度厚度导纳导纳 特特 性性单层0/4y1零反射条件：双层0/40/40/40/2y1y2y1y2零反射条件: ,V型膜/2虚设，在0反射率等于0/4单层;可有二个零反射波长，W型膜三层0/4 0/20/40/40/20/2y1y2y3y1y2y3零反射条件： ,宽带低反射，用于ys

30、ub 1.65 subyyy01subyyyy/)/(0221subyyyy21230013yyyysub减 反 射 膜L2L1SubLaser beamL1L21.02.01.382/1=1.91.382/1.5=1.261.52ImRe (Y)Damaged surface玻璃膜空气膜第二节第二节: 分光膜分光膜1. 中性分光膜中性分光膜2. 偏振分光膜偏振分光膜3. 消偏振分光膜消偏振分光膜中性分光膜例子：H: ZnS, L: Na3AlF6 G|HLHL|A G|2LHLHL|A校正0=550nm G|HLHL|G G|2LHLH2L|G校正0=640nmRTRT金属中性分光膜金属中性

31、分光膜偏振分光镜偏振分光镜RsTpGGLLHHnnnsinsinsin22sinLHLHGGnnnnnH,L同时满足布儒斯特角，对p分量有效折射率相等，并符合折射定律LLHHnncoscos得偏振条件，nHnL立方棱镜立方棱镜立方棱镜偏振分光镜光谱特性立方棱镜偏振分光镜光谱特性平板型偏振分光镜光谱特性平板型偏振分光镜光谱特性56.5RsRp原理：对原理：对s,ps,p有效有效折射率比不同折射率比不同应用应用: :强激光系统强激光系统平板偏振片原理平板偏振片原理p,s分量有效折射率不同分量有效折射率不同G|(HL)10H|A G|(0.5HL0.5H)10|A nG=1.52 nH=2.35 n

32、L=1.45, =56.5 消偏振分光膜消偏振分光膜介质介质消偏振分光膜消偏振分光膜金属介质金属介质RsRpG| 1.18H Ag(19.2nm) 0.82L 0.02M|AH:ZnS, L:MgF2, M:Al2O3 G:K9第三节第三节: : 高反射膜高反射膜-, -, -3, -3HLH0123 K-1K-k, -kH.干涉加强:krrrrrr.3210.krrrrr.,3210 基本结构基本结构 A/H(LH)p/sub. A/L(HL)p/sub. 等四种subLpHLsubHpLHnnnnYnnnnY/)(/)(222222组合导纳:从吸收损耗小的角度, 应取高折射率为外层的膜系A

33、/H(LH)p/sub. A/L(HL)p/sub.反射率和透射率反射率和透射率YRTYYYYYYYYRnnnnYsubHpLH4141)11 ()1111()1111()11(1/)(4222222YRTYYYYRnnnnYsubLpHL4141)1 ()11(1/)(42222aa111(当a1时)反射带宽：波数llp01,sin2gnnnngLHLH2.3/1.38带宽公式推导带宽公式推导对称周期:22211211MMMMM M11=M22=cos1 截止带M11=M22=cos1 透射带M11=M22=1 截止边缘非对称周期:22211211MMMMLHMM11M22, (M11+M2

34、2)/21 截止带 (M11+M22)/21 透射带 (M11+M22)/2=1 截止边缘LHLHeeHLLHeHLLHLLHHnnnnnnnnnnnnMMMMMMinniinniMcos1sin)(21cossin)(21cos2/ )(cossinsincoscossinsincos2222221122211211LHLHeeennnnggggg2sin)1 (2coscos)1 (222422420000pppppllppllp1-g 1 1+g g=0/LHLHnnnng1sin2p不同材料组合的反射带宽不同材料组合的反射带宽000121211)(lllllllggg坐标上在00050

35、00325255)(9233)(llllllllgggggg 全介质高反射膜A|(HL) p H|sub A|(LH) p|sub A|(LH) p L|sub A|(HL) p|sub p p足够大足够大,y p,y p足够大足够大,y 0 p,y 0 p足够大足够大,y 0 p,y 0 p足够大足够大,y ,y 反射率射率: ,: ,取决于周期数取决于周期数p p和折射率比和折射率比 n nH H/n/nL L 反射带半宽反射带半宽: ,: ,取决于折射率比取决于折射率比n nH H/n/nL L subHpLHnnnny22)(subpHLnnny2)(subLpHLnnnny22)(s

36、ubpLHnnny2)( yT/4yT4yT4yT/42)11(yyRLHLHnnnngarcsin2p Air Hk+1 Lk Hk-1 H3 L2 H1 Sub.Hk+1H1L2H3Hk-1LkImReH1L2H3Hk-1LkIm ReHk+1Lk+2 Air Lk+2 Hk+1 Lk Hk-1 H3 L2 H1 Sub.问题问题一一：反射带的展宽：反射带的展宽方法方法1 1Stack A: G|(HL)pH|AStack B: G|(HL)pH |AStack C: A+B: G|(HL)p|(HL)pH |A(a+b)/2=3=(1+2)/2反射带的展宽反射带的展宽方法方法22:1高级

37、次膜堆 + 1/4波堆 ex. G|(2LH)p|A + G|(LH)p|A 在nH/nL=2.0时可以无次峰。反问题反问题反射带压缩反射带压缩1.采用高级次膜系: G|(3H3L)p3H|A 2.减少nH/nL比问题： 1.层数增加; 2.膜料匹配困难; 3.信号变化小膜厚控制困难; 4.中心波长要正确。问题二：周期反射膜反射带位置问题二：周期反射膜反射带位置 任何周期膜系都存在反射带和透射带，出现反射带的 条件1: 基本周期的膜厚之和为0/2整数倍。即 nidi= g.0/2 (g=1,2,3) 条件2: |t|1,即T1,当周期增加，T 0,为反射带; |t|=1,即T=1,当周期增加，

38、T=1,为透射带。例例1 1：G |(HL)P| A 条件1: nidi= 0/4 +0/4 =0/2 g=1.2.3,4,5可能出现反射带 条件2: 除去T=1的透射带：g=2,4(因g=2相当于2H2L全为虚设层) 故反射带为g=1,3,5,7 (1060nm, 353nm, 212nm)例例2：G |( ) p| A 条件1: nidi= 4/30/4 +2/30/4 =0/2 g=1.2.3,4,可能出现反射带 条件2: 除去T=1的透射带：g=3,6,9(相当于全为虚设层) 故反射带为 g=1,2,4,5 (1060nm, 530nm, 265nm)例例3：G |( ) p| A ,

39、 反射带为 g=1,2,3,5 (1060nm, 530nm, 353nm)LH3234LH2123问题三：减小光学损耗问题三：减小光学损耗吸收和散射吸收和散射 Typical bulk materials loss=1db/km, i.e k=2x10-11 at =1000nm Typical thin films k=10-5 at =1000nm Causes Stoichiometrical composition during evaporation Decomposition because of water penetration Inner surface scatterin

40、g (volume scattering) Outer surface scattering (surface scattering) Calculation Given NH=nH - ikH and NL=nL - ikL , to calculate A . )()(2)(222022220LHHLLHLHLHnnnknknAnnKknAppG|(HL)pH|A:G|(HL)p |A:高反射膜中的驻波场分布高反射膜中的驻波场分布波堆波堆 最佳膜堆最佳膜堆G|(HL)pH|A 的损耗约为 G|(HL)p |A 的1/3G|(HL)pH|A 的损耗可下降1/3-1/4金属反射膜金属反射膜金属

41、反射膜的反射率金属反射膜的反射率垂直入射:倾斜入射:12)1 ()1 ()1 (2)1 (122222222222200knktgknknrrRknkiknknNnNnriknNn越小越好，k越大越好1100000000cos,coscos,cos,NNnnhereriknNspsp麻烦: cos1是虚数。ibaiiknnnkiknnnkiknn22)sin(2)sin)(1)sin(1sin1cos2222222002220022200121ssspppssppsssppprarctgrrarctgrrRrRirribaiknnibaiknnrirribaiknnibaiknnr121222

42、210000210000/|)(cos)(cos)/()(cos/)/()(cos/ 特特 性性 Al Ag Au Al Ag Au 紫外区紫外区反射率反射率 可见区可见区 红外区红外区 B P P B P P M B P M B P 接近于接近于Ag B Ag B 接近于接近于AgAg硬度硬度附着力附着力稳定性稳定性 B P P B P P B P P B P P M P B M P B三种金属膜的特性和工艺三种金属膜的特性和工艺制备工艺制备工艺高的真空度高的真空度 高的真空度高的真空度 一般要求一般要求低基板温度低基板温度 低基板温度低基板温度 快蒸快蒸 快蒸快蒸增强反射镜增强反射镜 G|

43、 Al LH LH |Air L- SiO2; H-TiO2 nH=2.2, nL=1.45, (nH/nL)2=2.3 Set AAl=9%, ALH= 9%/2.3 = 4%, ALHLH= 4%/2.3 = 1.5%基本要求基本要求长波通短波通第四节第四节: : 干涉截止滤光片干涉截止滤光片 基本结构基本结构A/(0.5HL0.5H)p/GA/(0.5LH0.5L)p/G长波通短波通R曲线包络:20022020)()/(ssmssmnnnnRornEnnEnRLHHLLHLHLHHLLHLHLHLLHLHLHLHLHLHLHLHHLHnnnnnnnnnnnnnnnnnELHLFornnn

44、nnnnnnnnnnnnnnEHLHFor2cos2)(2cos2)(2),22(2cos2)(2cos2)(2),22(22222222222222在截止区，E=0 or For nH=2.35, nL=1.45g=0, E =E = = 1.84g=2, E = =2.99 E = =1.14)22(HLH)22(LHL)22(HLH)22(LHLLHnnLHnn /3HLnn /3 等效导纳等效导纳 (H:2.35, L:1.45)(H:2.35, L:1.45) 0.5H L 0.5H 0.5L H 0.5Lg(0/) E E0.01.841.840.21.821.870.41.731

45、.960.61.532.220.80.853.981.0虚数虚数- -截止区截止区虚数虚数- -截止区截止区1.26.460.521.43.600.941.63.171.071.83.031.122.0虚设虚设虚设虚设问题问题一一：通带波纹的压缩：通带波纹的压缩n0 E E E” nsEnE0EnEs基本思想基本思想:由于单层膜只有一个零反射点，故常用多层膜或相同的基本周期匹配。 1.变厚度法：变厚度法： G(0.5LH0.5L)G(0.5LH0.5L)1212 A A G G1.19(0.5LH0.5L1.19(0.5LH0.5L)(0.5LH0.5L)(0.5LH0.5L)1111 A A

46、 n nG G=1.52,n=1.52,nH H=1.9, n=1.9, nL L=1.46,0=800nm=1.46,0=800nm匹配设计的例子匹配设计的例子-以短波通为例以短波通为例2.变折射率法变折射率法: G(0.5LH0.5L) G(0.5LH0.5L)1212 A A G G(0.5LM0.5L)(0.5LM0.5L)2 2(0.5LH0.5L)(0.5LH0.5L)1010 A An nG G=1.52,n=1.52,nH H=1.9, n=1.9, nL L=1.46,n=1.46,nM M=1.64,0=800nm=1.64,0=800nm G(0.5LH0.5L)G(0.

47、5LH0.5L)1212 A A 上述膜系经约上述膜系经约1 1分分钟优化的结果，效果钟优化的结果，效果显著显著3. 问题二：截止滤光片的斜入射问题二：截止滤光片的斜入射nS，P偏振光的光谱特性分离(a). 短波通G 15 A (b).长波通G 15 A截止滤光片的分光透射率曲线22HLH22LHL倾斜入射时的光学导纳倾斜入射时的光学导纳 入射媒质为入射媒质为1.0 1.0 入射媒质为入射媒质为1.521.521. 1. 斜入射时斜入射时s-s-分量反射带增宽，分量反射带增宽，p-p-分量减小；分量减小；2. 2. 较高的导纳比，有利减少偏振分离较高的导纳比，有利减少偏振分离; ;3. 1.5

48、23. 1.52的媒质入射偏振比的媒质入射偏振比1.01.0的媒质大的媒质大方法方法1：选择适当的薄膜材料：选择适当的薄膜材料膜系 G(HLH2L2H2LHLHL)9A在45角入射时s- 和p-偏振分量的分光透射率曲线初始膜系G(HLH2L2H2LHLHL)9A构成的(a).长波通和(b).短波通消偏振截止滤光片 方法方法2：设计消偏：设计消偏振截止滤光片振截止滤光片 顾培夫等，光学学报，25(2),274思想思想：将宽通带滤光片的间隔层乘上不等于：将宽通带滤光片的间隔层乘上不等于1 1的系的系数数即失谐，使某个过渡边缘重叠。即失谐，使某个过渡边缘重叠。Thelen A. Avoidance

49、or enhancement of polarization in multilayersJ. J.Opt.Soc.Am., 1980,70(1):118-121Thelen A. Nonpolarizing edge filtersJ. J.Opt.Soc.Am.,1981,71(3):309-314方法方法3：消偏振截止滤光片的另一种设计方法：消偏振截止滤光片的另一种设计方法-用失谐滤光片用失谐滤光片概念来设计消偏振截止滤光片概念来设计消偏振截止滤光片 问题三：通带展宽问题三：通带展宽- 1). 任何周期膜系都存在反射带和透射带，出现反射带的 条件条件1: 基本周期的膜厚之和为0/2()整

50、数倍。即 = i = = k (k=1,2,3) 条件条件2: 除去|t|=1,即T=1的透射带,即满足)(2)(2)44(2212100201pllplllpg21212)(2pkg 为正整数正整数21,plllpllkmmmdnmdn)2/2/(22/2/1211112221111对1：即除去:)(21 mk 为正整数正整数21,212kg)(21 mk可能的反射带:应除去的反射带：例：(3HL)p4,227,3,25,23,1 ,218,444,27,3,25,2,23,1 ,212421,321ggmkkkg可能的反射带:应除去的反射带：最终反射带：最终透射带:级次越高，反射带越接近：