光学薄膜-范正修课件.ppt

1、1范正修范正修 2006年10月26日光学薄膜及其应用光学薄膜及其应用2主要内容主要内容n薄膜概况n光学薄膜一般性质n光学薄膜在一些光学系统中的应用n光学薄膜的激光损伤3主要内容主要内容u光学薄膜概况n光学薄膜一般性质n光学薄膜在一些光学系统中的应用n激光对光学薄膜的破坏4薄膜概况薄膜概况n研究领域l薄膜物理l薄膜化学l薄膜材料l薄膜力学n应用领域l光学薄膜l电学薄膜l半导体薄膜l磁性薄膜l生物薄膜5薄膜光学形成发展历史薄膜光学形成发展历史n 17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Robert Boyle and Robert Hooke）n 1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 n

2、 1816 Fresnel 发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论n 1817 Fraunhofer制成了第一块减反薄膜n 1873 Maxwell提出了Maxwell方程（A Treatise on Electricity and Magnetism）6n 1886 Rayleigh 证实了Fresnel反射定律n 1899 Fabry-Perot 干涉仪n 1932 Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部反射n 1934 Bauer用卤化物制备了减反薄膜n 1934 Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜n 19

3、39 Geffcken制备了金属介质干涉滤光片7光学薄膜概况光学薄膜概况n薄膜特点l干涉原理，相干相长与相干相消n重要性l“有光就有膜”l涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，光学系统，大型激光装置等n面临问题l涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉积技术少，沉积过程控制水平不高等；8主要内容主要内容n薄膜概况u光学薄膜一般性质n光学薄膜在一些光学系统中的应用n激光对光学薄膜的破坏9光学薄膜一般性质光学薄膜一般性质n理想光学薄膜n光学薄膜吸收及散射n折射率不均匀性和折射率渐变薄膜n薄膜的各向异性和双折射薄膜n薄膜的偏振和消偏振特性1

4、0n薄膜的相位及位相薄膜n等效折射率、等效导纳和等效界面n薄膜的色散及色散补偿n薄膜的应力及应力控制11理想光学薄膜理想光学薄膜n光学薄膜l改变光束切向方向薄膜波导l改变光束法向方向光学薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜薄膜波导12理想光学薄膜理想光学薄膜n薄膜光性计算方法l等效界面法l矩阵法等效界面法13矩阵法矩阵法00EE10100nnnnr10002nnnt111000rrt11EE111122iiE eE eEE界面的透射及反射系数：第一个界面处的电场关系：薄膜内部的电场关系：1111112222iin E en E en En E薄膜内部电场方向符号表示14依次类推： 00

5、EE= 1100100iiiiiimimmmiiiiiiabereEEcdreet矩阵法矩阵法aEEtm101设： ,21iccc21iaaa则 222112212211aacacaicacar22111221cacacacatgr可以得到： 221 1221 22 1222212a ca ca ca cRraa22211aaT15光学薄膜吸收光学薄膜吸收n材料吸收l共振吸收l单光子吸收l自由电子吸收l杂质吸收l色心吸收l声子吸收l多光子吸收16光学薄膜吸收光学薄膜吸收n折射率由实数变为复数：n折射角由实数变为复数：n等效导纳由实数变为复数；n反射系数和透射系数 .n膜层厚度引起的位相差.nj

6、jjiCOICOR cosiknn17光学薄膜吸收光学薄膜吸收n反射系数n透射系数ri01010101()()()()nni kknni kk0001012()()()niknni kkti18势透过率与薄膜吸收损耗势透过率与薄膜吸收损耗n势透过率n反射率n透射率n吸收率 1TRATT00BCRBC*00CBCB01*00Re()()()mTBCBC*0*00Re()()()mBCABCBC19光学薄膜的散射光学薄膜的散射n光学薄膜的表面散射n光学薄膜的体散射20光学薄膜的表面散射光学薄膜的表面散射n表面统计参量l均方根粗糙度（RMS）l相关长度l高度分布函数l自协方差函数（ACF）n表面散射

7、处理方法l标量理论散射总损耗问题l矢量理论研究散射的角分布204Rs)(00kkFgdpdp21光学薄膜的表面散射光学薄膜的表面散射n散射引起界面反射及透射系数变化11!411mmggmmgLTett1!41mmggmmgLTerr22光学薄膜的体散射光学薄膜的体散射n体散射的贡献与薄膜的吸收类似n存在散射薄膜的位相厚度420233003164sin2nnadIISVSV )(20 xzdiISVn总界面起伏引起的厚度变化体散射等效的吸收23多层膜散射特性多层膜散射特性n理想多层薄膜0111111001001111miijijiiiiimjjEeerereeerererrtEEjjjj 121

8、20112120 0maiabibEEcicdidE上述参数利用散射薄膜的相应值替换24光学薄膜的分层界面散射模型光学薄膜的分层界面散射模型254005006007008004.2324.2364.2404.2444.2484.2524.2564.260 nm nm nm nm nm Rs(%)波长/nm4005006007008000.01.0 x10-32.0 x10-33.0 x10-34.0 x10-35.0 x10-36.0 x10-3 TIS波长/nm nm nm nm nm nm不同RMS粗糙度条件下玻璃基片的Rs和TIS变化曲线计算实例计算实例26梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜n

9、光学薄膜通常具有折射率渐变性质n利用折射率渐变设计并制备新型薄膜27梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜n梯度折射率薄膜内电磁场传输222lnln0EEEEc222lnln0HHHHc由解微分方程可得到电磁波在非均匀介质中的传输状况，但是解微分方程的方法主要决定于折射率渐变的函数，只有在某些情况下才能精确解。 28梯度折射率薄膜设计方法梯度折射率薄膜设计方法n薄膜特征矩阵法n傅立叶合成法n计算机辅助设计29梯度折射率膜的应用梯度折射率膜的应用 利用GLAD技术制备的宽带增透薄膜30梯度折射率膜的应用梯度折射率膜的应用024681012141.41.61.82.02.2Refractive IndexO

10、ptical Thickness4005006007000.00.20.40.60.81.0TransmittanceWavelength(nm)Rugate小波函数折射率曲线及光谱特性31梯度折射率膜的应用梯度折射率膜的应用0102030401.01.21.41.61.82.02.2Refractive IndexOptical Thickness4004505005506006507000.00.20.40.60.81.0TransmittanceWavelength(nm)红色滤光片折射率随厚度变化图和0入射时膜层透过率曲线图32薄膜的各向异性和双折射薄膜薄膜的各向异性和双折射薄膜n各向

11、异性薄膜的微结构n双折射薄膜理论分析n双折射薄膜生长过程模拟n双折射薄膜实验制备及光学特性分析33各向异性薄膜的微结构各向异性薄膜的微结构1995年，Robbie小组最早利用GLAD技术制备了结构稳定的MgF2 “雕塑”薄膜，并用扫描电镜观察到薄膜的螺旋结构K. Robbie, M. J. Brett, A. Lakhtakia.First thin film realization of a helicoidal bianisotropic medium , J. Vac. Sci. Technol A, Vol.13:2991 (1995)雕塑薄膜的制备示意图34双折射薄膜理论分析双折射薄

12、膜理论分析n介电常数变为介电张量n双折射结构二维理论模型n双折射结构三维理论模型n双折射薄膜界面特性分析 n双折射薄膜的电场传输特性分析35双折射结构二维理论模型双折射结构二维理论模型s 表示不同的入射方向，倾斜柱 表示薄膜的柱状方向S偏振光的有效介电常数入射角无关的物理量，取决于柱状结构的方向等参量。但是P偏振光与入射方向及柱状结构的方向有关， 经过数学推导，可以得到P偏振光折射率的解析形式 。),(p WANG Jian-Guo, SHAO Jian-Da, FAN Zheng-Xiu, Chinese Physics Letters, 2005, 22(1): 22122336双折射结构

13、三维理论模型双折射结构三维理论模型倾斜柱状结构薄膜的三维示意图，其中，d 为薄膜厚度(或光栅凹槽深度)； x,y为x轴和y轴方向的光栅周期；Lx,y是x方向和y方向光栅脊的宽度倾斜柱状结构薄膜的截面示意图，其中 为柱状角的方向 WANG Jian-Guo, SHAO Jian-Da, and FAN Zheng-Xiu, Chinese Physics Letters, 2005, 22(1): 22122337双折射薄膜界面特性分析双折射薄膜界面特性分析 n双折射特性增加光波在界面传输的复杂性n即使对单轴双折射薄膜，同样存在不同于各向同性界面的传输行为l同侧折射38双折射薄膜的电场传输特性分

14、析双折射薄膜的电场传输特性分析非常波在各向同性介质与各向异性介质界面处的入射波、反射波和折射波的示意图 非常光波在双折射薄膜内部正向及反向传播的波矢及光线方向示意图 390246810121416180102030405060708090 (deg)Incident angle (deg)n0=1.8, ne=1.5双折射薄膜界面同侧折射双折射薄膜界面同侧折射在双折射薄膜与入射介质界面产生同侧折射现象时对应的范围随入射角度的变化关系光线在两个沿光轴成45度角切割的具有正折射率的单轴晶体界面出现的同侧折射现象 Y. Zhang, B. Fluegel, A. Mascarenhas, Phys.

15、 Rev. Lett. 91, 157404 (2003) H.J. Qi, J.G. Wang, J.D. Shao, Z.X. Fan, Science in China, Ser. G, 2005, 48(5): 513520 40双折射薄膜的电场传输特性分析双折射薄膜的电场传输特性分析垂直入射条件下双折射薄膜界面及内部正向及反向传播的电场示意图 各向同性薄膜特征矩阵jjjjjjiicossinsincosjjjjdNcos2其中，对于p偏振光， 对于s偏振光， jjjNcos/jjjNcos41利用电磁场切向连续条件，可以得到：)()(1)()(1biibiiaaabiibiiaaaE

16、eeHeeHHHEeeHeeEEE其矩阵形式为：bbiiiiiiiiaaHEeeeeeeeeHE)(1特征矩阵同样，上述结果可以推广到多层薄膜H.J. Qi, D.P. Zhang, J.D. Shao and Z.X. Fan. “Matrix analysis of anisotropic optical thin film”, Europhysics Letters, 2005, 70(2): 257263 42Zig-Zag生长的生长的Monte Carlo 模拟模拟 n薄膜生长简化模型l无边沿粘附、无扩散l有边沿粘附、无扩散l有边沿粘附、有扩散n入射粒子倾斜引入n对称改变入射角度粒子

17、在一维晶格上沉积及吸附示意图，可能的吸附位置用(ad)表示 扩散粒子最近邻位置示意图及编号43 (a) 160K (b) 240K (c) 280K (d) 320K 不同沉积温度下束流入射角为60时薄膜模拟结果 H.J. Qi, J.D. Shao, D. P. Zhang, K. Yi, Z.X. Fan, Applied Surface Science (Accepted) 1201 10ZrH 040.5EEeV130.3EEeV20.4EeV44夹具运动的计算机控制示意图 王建国, 邵建达, 范正修.夹具三维运动控制装置, 发明专利申请号: 200410018497.6 王建国,邵建

18、达, 范正修.镀膜夹具的计算机控制装置，发明专利申请号: 200410084247.2双折射薄膜实验制备及分析双折射薄膜实验制备及分析45 (a) =60 （b） =80 不同角度制备ZrO2薄膜的SEM结构=60 时, =33； =80 时, =45ZrO2薄膜结构与光性分析薄膜结构与光性分析46 不同基片旋转速度制备的ZrO2薄膜的SEM结构(a) 0rpm; (b) 0.14 rpm; (c) 1.08 rpm; (d) 17.3 rpm(a)(d)(b)(c)柱体直径在3050nm之间47(a)(b)(c)(d)TiO2 薄膜断面SEM结构(a) =60 (b) =70 (c) =75

19、 (d) =80TiO2薄膜结构与光性分析薄膜结构与光性分析48 (a) (b) (c) (d)GLAD TiO2 薄膜的表面SEM结构, (a) =60; (b) =70; (c) =75; (d) =80; 内插图为表面结构的FFT变换。两个耳朵的形貌表明GLAD表面具有各向异性的结构。49 TiO2薄膜：沉积角度为75，基片的旋转速度分别为: (a) 0.135rpm(b) 1.08rpm(c)17.3rpm(a)(b)(c)50位相延迟膜位相延迟膜n定义及应用背景n分类n设计与实验结果51 反射式相位延迟器能对入射偏振光的p, s分量的相位发生改变，从而产生一定的相移，但是并不影响其高

20、的反射率。 相位延迟器（QWR）对每个波长在主角范围内，均能获得相移，即对入射线偏振光产生相位变化，把线偏振光变成圆偏振光，反之亦然。 在具有波片功能的同时，还可用作光束相移转向器件及光束相移平移器件。位相延迟膜位相延迟膜52位相延迟膜位相延迟膜n 角立方反射镜：利用光束在3块空间互成54.7的反射镜的表面3次反射，反射光偏振态的变化而获得相位延迟。n 外反射式相位延迟器：利用不同偏振态光在不同厚度的膜层相位变化而获得相位延迟。n全内反射式相位延迟器：利用光的全内反射原理以及不同偏振态光穿透深度不同而调节相位延迟。53 入射角为54, 270相位延迟膜的透射率和相移特性全介质层相位延迟膜设计与

21、制备全介质层相位延迟膜设计与制备54入射角为45,全介质层相位延迟膜的设计、实验测量与拟合曲线（该样品的在1315nm处相移为267.5，与设计要求的仅相差2.5）129013001310132013301340264266268270272274 experiment designphase shift (degree)wavelength (nm)全介质层相位延迟膜设计与制备全介质层相位延迟膜设计与制备55 双波段相位延迟膜设计的光谱特性和相移特性曲线在632.8nm需要达到85左右的反射率，相对于相移在设计光谱范围内的振荡增大。 双反射带相位延迟膜的设计与制备双反射带相位延迟膜的设计与制

22、备56500.0600700800900100011001200130014001500.0-0.15101520253035404550556065707581.9NM%T 130013051310131513201325133013351340255260265270275phase shift (deg)wavelength (nm) 双波段相位延迟膜的测试的光谱特性和相移特性曲线 样品在1315nm处的相移值为267.2，仅与设计值相差2.857 单层膜的相位延迟 宽波段相位延迟膜的设计宽波段相位延迟膜的设计58等效折射率、等效导纳和等效界面等效折射率、等效导纳和等效界面n等效折射率、

23、导纳和界面概念n等效折射率理论推导59等效折射率等效折射率对称膜系pqp的矩阵推导11122122cossin/cossin/cossin/sincossincossincospppqqqppqpppqqqpqpiiiMMiiiMM11221coscos()sin2sin2qppqpqpqMM1211sin2cos()cos2sin()sin22qppqpqpqqppqqpiM2111sin2cos()cos2sin()sin22pqpqppqpqqqpqpMisincossincosiEiE单层膜的特征矩阵：60qpqppqqpsin2sin)(21cos2coscos1211sin2cos

24、()cos2sin()sin2211sin2cos()cos2sin()sin22pqpqppqpqqqpqppqpqpqpqqqpqp 211221)(MME61等效折射率等效折射率对于一个对称周期膜系(PQP) SsinsincoscossincossincossiissEEiEiEsscoscos2cossin2sincos 21pqpqpqqp若qp若1cos是有条件的，该条件正好对应截止区与透射区的分界线62112sin,2sin,pqpqpqsqpqpqpg2qp1sin21cos22ppqqpp1212220ggp630.00.51.01.52.02.53.00246810Equ

25、ivalent Indexg 0.25L0.5H0.25L 0.5LH0.5L 0.75L1.5H0.75L L2HL禁带区透射区64等效折射率性质等效折射率性质12pqpqE120qpqE 1,pqqpqqEE 12pqpqE65等效折射率应用波纹压缩等效折射率应用波纹压缩20202)/1/1(11nEnERTeffeff200)11(11nnRT(0.5LH0.5L)4 膜系产生的波纹膜系产生的波纹66波纹压缩方法波纹压缩方法n选取适当的组合膜，使其通带内的等效折射率与基片相接近n改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变到更接近的预期值n在多层膜的两侧(靠近基底侧和靠近入射介质侧)加镀匹

26、配层，使其同基底以及入射介质匹配67目标：压缩目标：压缩500nm附近的波纹附近的波纹实例一实例一680.62M(0.5LH0.5L)12 0.72NM=1.38 N=1.11 L=1.46 H=1.8669Glass/0.9(0.5HL0.5H)2 (0.5HL0.5H)9 0.99(0.5HL0.5H)3/Air实例二实例二70实例三：颜色滤光片设计实例三：颜色滤光片设计400450500550600650700020406080100Transmittance(%)Wavelength(nm)400450500550600650700020406080100Transmittance(%

27、)Wavelength(nm)绿色滤光片设计曲线图（H(HLH2L)5 H7L，H: 2.3, L:1.45 ） 红色滤光片设计曲线（HM(HL)11 (HN)1 1.16(HN)2 1.16(HL)9 0.58H，H:2.3 L:1.46 M:1.79 N:1.6 ） 71薄膜的色散及色散补偿薄膜的色散及色散补偿n群速度的色散n光学薄膜色散（GT腔）n啁啾镜的定义、设计及制备72群速度的色散群速度的色散z)(k-tiexp)tkz(kcosE2z)(k-tiexpEz)(k-tiexpE) t (E) t (Ez)(kt i exp) t , z(A) t , z(E0022011021体现

28、了光波能量的信息，表征了多个频率成分的整体（群）行为 载波表征整个光波的相位信息，其传递速度被定义为相速度 gv73受介质折射率色散的影响，含有介质折射率的波矢 )()(c)(n)(k其展开式的一阶系数 定义为群速度延迟gv1ddk)(k二阶系数 定义为群速度色散通常情况下，利用下式表示对位相的整体关注：)(kz)(3033202200)(dd61)(dd21)(dd)()(000GDGDDTOD74群速度的色散群速度的色散高斯极限脉冲通过色散介质的脉冲当高斯极限脉冲通过色散介质，会发生频率啁啾，脉冲展宽。而钛宝石是正色散介质，加上自相位调制等非线性效应，在振荡器里产生的光脉冲会发生上啁啾，也

29、就是高频成分滞后,脉冲同时被展宽。75光学薄膜的色散分析光学薄膜的色散分析 ibaibaerrerrr221cos2nd对于高反射膜，Rb=100%，令cndt/cos20则76GT腔的色散分析腔的色散分析77GT腔的色散分析腔的色散分析薄膜反射系数为：iYXtRRtRitRRr000cos21sin)1 (cos)1 (2薄膜反射率为：20022T-G)t(cosR2R1)t(cosR2R1YXR反射光的相位变化 ：0011cos)1 (2sin)1 (tanXYtan)(tRRtR780123456-2-1012/2 phase shift0123456-40-2002040/2GDD/f

30、s20123456-12-10-8-6-4-2/2 GD/fs0123456-1000100200/2TOD/fs3R=0.16时反射光的相位变化、群延迟时间、群延迟色散及三阶色散 79GT腔进行色散补偿实例腔进行色散补偿实例60070080090010001100150300450600GDD/fs2wavelength/nm60070080090010001100150300450600TOD/fs2wavelength/nmCr:LiSAF晶体的GDD和TOD80GT腔进行色散补偿实例腔进行色散补偿实例10203040500123456 optical thicknes/qwotlaye

31、r number SiO2 Ta2O5设计的G-T镜的膜层结构（左图）及对3-mmCr:LiSAF晶体的正群延迟色散进行补偿后剩余群延迟色散（右图）750800850900-2000200400600GDD/fs2wavelength/nm designed 3-mm Cr:LiSAF designed(times 4) average81啁啾镜啁啾镜n定义及分类n理论设计n制备结果82啁啾镜啁啾镜n啁啾镜特征l在运转波段内有足够高的反射率；l具有与运转激光相匹配的群色散延迟补偿能力；l考虑到抗激光损伤的要求，在运转波段内没有场强的共振吸收峰。 群色散延迟和补偿薄膜具有啁啾特性，所以称为啁啾镜

32、或啁啾薄膜。83啁啾镜类型啁啾镜类型84啁啾镜的特点啁啾镜的特点n一般啁啾镜缺点：相位调制产生波纹、在腔内形成较强的驻波场n双啁啾镜优点：在啁啾波区腔外侧的反射率为零，以此来消除共振效应和位相色散波纹本身的驻波场。n双啁啾镜的设计思路：在单啁啾膜谐振层的外侧,构筑一个宽频带减反射膜。耦合模理论可以给出良好的匹配条件。85啁啾镜设计方法啁啾镜设计方法n傅立叶变换法 n光学谐振方法 n非周期膜系设计方法 86傅立叶变换傅立叶变换法法d ( )1 dln ( )d ( )d2 ( )2dn xn xr xxn xx对于折射率按一定规律分布的薄膜，在薄膜厚度处微分反射系数： 薄膜的反射系数：( )1d

33、ln ( )d2dikikxffn xrR eexx傅立叶变换形式反傅立叶变换：12()()0( )( )lndikkxn xiR keknk为了实现宽光谱范围内的高反射，薄膜必须有rugate结构，即：20102( )exp lnexp() sin ()2HHLLnxn xn nx kc kn87光学谐振方法光学谐振方法由于光学薄膜的位相特性取决于光波在薄膜中行进的路程，所以可以利用附加共振腔的方法获得必要的群延迟色散率。共振腔层的存在可以诱导光波进入膜层内部，通过共振腔的数目及其在膜系中的位置可以改变共振波长，因此可以调节不同级次延迟色散的大小和正负。88非周期膜系设计及双啁啾非周期膜系设

34、计及双啁啾 89啁啾镜制备啁啾镜制备-50-2502550751000.00.20.40.60.81.01.260080010000.00.20.40.60.81.0intensity/arb.units intensity/arb.unitstime delay/fswavelength/nm(b) 88nmn飞秒脉冲锁模实验得到的15fs脉冲90薄膜的应力及应力控制薄膜的应力及应力控制 n薄膜应力l热应力l内应力n多层膜应力模型n薄膜的面形控制l工艺参数对薄膜应力影响l调整工艺参数控制薄膜应力91薄膜应力薄膜应力n热应力l若薄膜与基片间的热膨胀系数不同或温度在基片中不均匀分布，基片将产生附

35、加变形，这种与温度相关的变形驱动力即为热应力n内应力l薄膜应力起源于薄膜生长过程中的某种结构不完整性(如杂质、空位、晶粒边界、位错和层错等)、表面能态的存在以及薄膜与基片界面间的晶格错配92薄膜应力与基底弯曲薄膜应力与基底弯曲(a)基片基片处于拉伸状态下的薄膜处于拉伸状态下的薄膜(tf)fftF自由状态下的薄膜自由状态下的薄膜(b)M=Fts/293多层膜应力模型多层膜应力模型n模型假设l多层膜中的膜层在平行于基底的平面上为各向同性l膜层之间的界面互不相湿94多层膜应力模型多层膜应力模型)2(tEbtFft厚度为t的膜层沉积在基底上时，由于力及瞬时力矩的平衡作用，所产生的沉积应力可表示为： 其

36、中，b为圆形基片的直径， Ef为膜层的双轴模量， 为薄膜基底复合体的中性轴位置，F为膜层沉积所引起的基底与膜层之间的大小相等方向相反的力热应力为A、B两种材料与基底之间热应力的和，表示为：)()(1()(1()(01TTvEvEsBBBsAAAthBthAth其中EA、EB，A、B，A、B分别为材料A和材料B的弹性模量、泊松比及热膨胀系数 95多层膜应力模型多层膜应力模型n模型计算结果与实验曲线的拟合情况96工艺参数对薄膜应力影响工艺参数对薄膜应力影响零应力点零应力点沉积温度对ZrO2薄膜应力影响沉积温度对SiO2薄膜应力影响97薄膜应力控制薄膜应力控制n沉积参数调整l沉积温度l沉积速率l氧分

37、压等n薄膜后处理技术l背面镀膜l退火l离子刻蚀98n光学薄膜概况n光学薄膜一般性质u光学薄膜在一些光学系统中的应用n激光对光学薄膜的破坏主要内容主要内容99光学薄膜在一些光学系统中的应用光学薄膜在一些光学系统中的应用n光学薄膜在激光系统中的应用n光学薄膜在光通信系统中的应用n光学薄膜在显示系统中的应用n极紫外和软X射线薄膜100光学薄膜在激光系统中的应用光学薄膜在激光系统中的应用n激光系统中对薄膜的要求l光性、阈值、面形n几种主要光学薄膜n光学薄膜常用沉积技术l电子束技术制备光学薄膜l离子束辅助技术沉积光学薄膜l离子束溅射技术沉积光学薄膜101反射膜反射膜n常规反射膜l介质反射膜l金属反射膜l

38、金属介质反射膜n反射膜进展n超快系统中反射膜102电介质反射膜电介质反射膜n标准结构l奇数l偶数n反射率l奇数l偶数n带宽GHHLm/GHLm/2212111sHmLHsHmLHnnnnnnnnR211smLHsmLHnnnnnnRLHLHEEEnnnng10sin2103金属及金属介质反射膜金属及金属介质反射膜222211knknR金属反射膜的反射率：利用低折射率材料，先把金属光学常数中的虚部转化为0，然后再镀介质反射膜后的反射率为：222222knnnnknnnRmHmLmHmHmH临近金属层的低折射率层的厚度为：LLLdn042222LLoLnknkntg104反射膜反射率进展反射膜反射

39、率进展105超快系统中反射膜超快系统中反射膜脉冲宽带对反射膜性能的影响106增透膜增透膜n常规增透膜理论l矢量合成方法n单波长增透n宽带增透n超宽带增透107矢量作图法矢量作图法此方法设计减反薄膜时比较直观，其前提条件为：膜层中无吸收层薄膜特性可以近似的由界面处单次反射来决定。界面处振幅反射系数为：薄膜单层的位相厚度为：考虑到膜层的位相延迟，则反射系数为：108符号定义及旋转方向109单波长增透膜单波长增透膜n单层增透膜l膜系结构： A/L/G l反射率n双层增透膜l膜系结构：A/LH/G l折射率之间的关系22020nnnnnnRss02122nnnns110增透膜增透膜n三层和多层宽带增透

40、膜l实现宽带增透 l层数越多，增透带宽越大，效果越好n倍频增透膜l 通常用矢量法设计l需要层数比增透波长数目多一n多波长增透膜l可用矢量法，计算机优化更方便111三倍频增透膜实例三倍频增透膜实例112多波长增透膜设计实例多波长增透膜设计实例40060080010001200024681012Reflectance (%)Wavelength (nm)300400500600700800900100011001200024681012Reflectance (%)Wavelength (nm)2004006008001000120002468101214Reflectance (%)Wavele

41、ngth (nm)113干涉滤光片干涉滤光片 n结构及理论分析lFP腔n干涉带通滤光片的类型n其它滤光片类型l窄带和超窄带滤光片l宽带和超宽带滤光片l长通和短通截止滤光片114膜系结构： GLRRGGHRRG/2/2/2112212111iiiieReTerett212121sin4)1 (RRTT01， cos20nd115当 , 时， k21m02121max)1 (RTT当 1RT时， 1maxT当 ART1时， 211max)1 (1TAT116干涉滤光片干涉滤光片n干涉带通滤光片的类型l金属滤光片：G/M2LM/G l透导滤光片G/(HL)mHXLMXLH(LH)m/G l电介质滤光

42、片：G/(HL)m 2H(LH)m/G117干涉滤光片的实例干涉滤光片的实例 80090010001100120001020304050607080901001064Transimittance (%)wavelength (nm)118双腔滤光片, 膜系结构：G/(HL)8H 2H H(LH)8 L(HL)8H 2H H(LH)8119薄膜的偏振和消偏振特性薄膜的偏振和消偏振特性n薄膜起偏振原因n偏振分光设计l棱镜型l平板型l双折射多层膜n消偏振设计120倾斜入射起偏振实例倾斜入射起偏振实例121两种偏振态光波分离原因： 等效导纳发生变化等效导纳发生变化正入射倾斜入射ncosncos/n)c

43、os(2ndnd2p-偏振s-偏振倾斜入射起偏振原因倾斜入射起偏振原因122图1，图2分别表示入射介质分别为空气、玻璃（n=1.52）时 不同材料的p, s光修正导纳随入射角度变化的情况图 1 图 2 123为了对两种不同材料满足布儒斯特角条件，P光等效折射率必须相等： HHLLnncoscos同时由折射定律： 00HHLLn sinn sinn sinL可以得到： 22L2HLnn棱镜型偏振分光设计棱镜型偏振分光设计124空气中入射角度为0时的光谱曲线空气中入射角度为13度时的光谱曲线棱镜型偏振分光设计棱镜型偏振分光设计125空气中入射角度为13时的光谱曲线实物图片及光路传输棱镜型偏振分光设

44、计棱镜型偏振分光设计126LLHHLLHHsnnnngcoscoscoscossin21LLHHLLHHpnnnngcos/cos/cos/cos/sin21工作波区为： psgg平板偏振膜平板偏振膜127 1000.01010102010301040105010601070108010901100.00.05101520253035404550556065707580859095100.0NM%T 1064.0,99.1391064.0,0.14073 平板偏振膜实例平板偏振膜实例128双折射薄膜实现起双折射薄膜实现起偏偏0.91.01.11.21.3020406080100 p-polar

45、ization s-polarization Transmittance (%) (m)p偏振分量膜系结构为1.52/3HL3HL (2H2L)11 2H 2L H/1.092. 1pHonn3 . 2sHenn46. 1pLonn56. 1sLenn129薄膜消偏振设计薄膜消偏振设计n利用入射介质、膜层和基片组合设计n利用吸收膜系实现消偏振分光镜设计n利用受抑全反射原理设计大角度下消偏振设计n利用薄膜双折射特性实现消偏振设计n利用计算机优化程序进行设计130利用入射介质、膜层和基片组合利用入射介质、膜层和基片组合222002/cos11sincoscos(1)psnnnnn 定义偏振分离量

46、为：对于(H/2LH/2)组合，在20若低折射率的值是高折射率值的三次方时，该膜层组合在该波长处无偏振分离处/pHHLsEEnnnE 131吸收膜系实现消偏振分光镜设计吸收膜系实现消偏振分光镜设计光波在介质中的传播是横波，但光波在金属中就不再是纯横波，它还有一部分是纵波，因此偏振效应比较小，并且金属膜的中性好，所以采用介质-金属-介质消偏振膜系比全介质消偏振薄膜具有更优良的特性。金属膜P偏振反射率最小值可近似表示为：纯AG反射率和波长关系曲线 1.52(Ag)1.52132吸收膜系实现消偏振分光镜设计吸收膜系实现消偏振分光镜设计其次是设计Ag膜两侧得匹配膜系，银膜两侧介质材料相同，入射角相同，

47、对于同一厚度的银膜来说，介质折射率越高，偏振效应越小。 AG+匹配介质 反射率和波长关系曲线 1.52(ZnS Ag ZnS)1.52133一般为了进一步减少偏振效应，需要插入中间折射率材料，比如选用MgO, MgF2材料，然后采用Needle方法进行数值优化，一个12层膜系设计结果如下（45入射）：134利用受抑全反射原理设计利用受抑全反射原理设计大角度下消偏振大角度下消偏振棱镜中单层膜的反射 122 12 122 122 12 122)(4)()(4)(shdcchshdcRshdcchshdcRpppppsssss发生FTIR时， 12 122 12 1224)(4)(chshdcRch

48、shdcRpppsss135设计实例设计实例40050060070005101520253035404550556065707580859095100d1=40nmd1=60nmRsRpRpRsReflectance/%wavelength/nmRpRsd1=90nm d1取不同厚度值时的p, s两种偏振光的反射率曲线(n0=2.4、n1=1.38，入射角度为45)40050060070005101520253035404550556065707580859095100d1=40nmd1=70nmRSRSRpRpReflectance/%wavelength/nmRpRSd1=120nmd1取

49、不同厚度值时的p, s两种偏振光的反射率曲线(n0=1.81、n1=1.46，入射角度为45)136400450500550600650700020406080100Reflectance/%wavelength/nmRpRs入射角度为45时设计结果，其中nA=n0=2.4 nB=1.38400450500550600650700020406080100Reflectance/%wavelength/nmRpRs入射角度为62时设计结果，其中nA=n0=1.81 nB=1.46137双折射薄膜消偏振设计双折射薄膜消偏振设计n消偏振薄膜设计思路n消偏振薄膜设计实例l分束薄膜l截止滤光片l带通滤光

50、片l宽带增透薄膜138正晶体光轴eonn n0ngkikoke0oe在这种特殊情况下，两种偏振态光波分离，且在界面均遵守 Snell定律界面 1界面 2)/sinarcsin(00oonn)/sinarcsin(00eenn折射率折射角度onenp :s :消偏振薄膜设计思路消偏振薄膜设计思路139如同各向同性薄膜，在消偏振分截止滤光片及带通滤光片中经常利用高低折射率交替膜堆 HLH 基底H-折射率层H-折射率层L-折射率层),(pHsHnn),(pLsLnn140)cos(2pLLpLpLdn正入射斜入射H-层sHnpHnsHsHncossLsLncospHpHncos/pLpLncos/s