薄膜光学思考题和习题课件.ppt

1、11 1、列举一下你所知道的几种薄膜。、列举一下你所知道的几种薄膜。答：肥皂泡、水面上的油膜、镀膜镜片、滤光片、梳妆答：肥皂泡、水面上的油膜、镀膜镜片、滤光片、梳妆镜镜面等镜镜面等2 2、说一下、说一下Optical thin filmsOptical thin films、Optical coatingsOptical coatings、Optical layers Optical layers 三个英文名词的具体含义。三个英文名词的具体含义。答：答：Optical thin filmsOptical thin films是指通常意义的光学薄膜；而是指通常意义的光学薄膜；而Optical c

2、oatingsOptical coatings一般来讲薄膜敷于光学玻璃、塑料、一般来讲薄膜敷于光学玻璃、塑料、晶体等基底上；晶体等基底上；Optical layersOptical layers是指光学薄膜具有分层结是指光学薄膜具有分层结构的特点。构的特点。3 3、薄膜光学的物理依据是什么？、薄膜光学的物理依据是什么？答：光的干涉。答：光的干涉。薄膜光学习题和思考题薄膜光学习题和思考题 24、写出麦克斯韦微分方程组和物质方程组 D(1)tBE(2)答：麦克斯韦微分方程组为：DHjt(3)0 B(4)物质方程组为：BH1(6)ED(5)jE(7)222tEE222HHt5、写出均匀无色散介质中光

3、波的波的波动方程。答：3rrcn 6、什么是介质的折射率？答：对于非磁性介质，r=1，所以rn7 7、写出介质的光学导纳、写出介质的光学导纳000/|rNHYsE称为真空的光学导纳光学导纳110001()()376.6Y光学波段，1r所以有：Y=NY0所以，在光学波段，以真空中的光学导纳为单位，用复折射率N表示介质的光学导纳。答：41SEHEB答：坡印廷矢量又称为能流密度矢量，其表达式为：答：坡印廷矢量又称为能流密度矢量，其表达式为：它的大小表示电磁波所传递的能流密度，它的方向代表它的大小表示电磁波所传递的能流密度，它的方向代表能量流动的方向或电磁波传播的方向。能量流动的方向或电磁波传播的方向

4、。S8 8、写出坡印廷矢量、写出坡印廷矢量 的表达式，并指出其物理意义的表达式，并指出其物理意义9 9、在好的光学界面上，光波电磁场的边值关系是什么？、在好的光学界面上，光波电磁场的边值关系是什么？答：所谓好的光学界面，是指不存在自由电荷、电流分答：所谓好的光学界面，是指不存在自由电荷、电流分布的界面，光波传播遇到这样的界面时，电场强度和磁布的界面，光波传播遇到这样的界面时，电场强度和磁场强度矢量的切向分量连续；而电位移矢量和磁感应强场强度矢量的切向分量连续；而电位移矢量和磁感应强度的法向分量连续。度的法向分量连续。1010、说出折射和反射定律的内容？、说出折射和反射定律的内容？答：时间频率答

5、：时间频率 是不变的；反射波和折射波均在入射面内；是不变的；反射波和折射波均在入射面内；反射角等于入射角。折射定律：折射介质折射率与折射角反射角等于入射角。折射定律：折射介质折射率与折射角正弦之积等于入射介质折射率与入射角正弦之积。正弦之积等于入射介质折射率与入射角正弦之积。51111、写出菲涅耳公式的三种形式？写出菲涅耳公式的三种形式？答：最基本的形式是答：最基本的形式是00110011coscoscoscossNNrNN(1)01100110coscoscoscospNNrNN(2)0001102coscoscospNtNN(4)0000112coscoscossNtNN(3)6利用折射定

6、律，Fresnel公式有如下的形式：)sin()sin(titisr)tan()tan(titipr)sin(sincos2titist)sin()sin(sincos2ititiipt(1)(2)(3)(4)7得得FresnelFresnel公式的公式的另外一种形式另外一种形式：0101sssssr0012sssst0101pppppr000112coscosppppt(1)(3)(2)(4)000cossN111cossN000cospN111cospN利用利用81313、一束光从折射率为、一束光从折射率为n n1 1的介质垂直入射到折射率为的介质垂直入射到折射率为n n2 2的另外的介质

7、上，问此时的反射损失是多少？的另外的介质上，问此时的反射损失是多少？22120012()nnRrnn答答：1212、何谓准布儒斯特角？、何谓准布儒斯特角？答：对于空气答：对于空气-金属界面，金属界面，R Rp p最小所对应的入射角称为准最小所对应的入射角称为准布儒斯特角。布儒斯特角。cossinsincosii1414、写出单层膜的特征矩阵。、写出单层膜的特征矩阵。答：答：9g1cossinsincosii1515、写出基片与单层薄膜组合的特征矩阵、写出基片与单层薄膜组合的特征矩阵答：答：1616、何谓四分之一波长膜？、何谓四分之一波长膜？答：光学厚度是控制波长的四分之一的膜答：光学厚度是控制

8、波长的四分之一的膜1717、何谓半波长膜？、何谓半波长膜？答：光学厚度是控制波长的二分之一的膜答：光学厚度是控制波长的二分之一的膜1818、叙述一下光学薄膜的透射定理、叙述一下光学薄膜的透射定理答：无论膜层是否有吸收，膜系的透射率与光的传播方答：无论膜层是否有吸收，膜系的透射率与光的传播方向无关。向无关。101919、一块玻璃的折射率为、一块玻璃的折射率为1.51.5，在其表面镀制一层折射率，在其表面镀制一层折射率为为1.381.38的薄膜，要达到让的薄膜，要达到让552nm552nm的光入射时损失最小，那的光入射时损失最小，那么要多厚的膜才能达到目标？么要多厚的膜才能达到目标？(即膜层的几何

9、厚度为多即膜层的几何厚度为多少？少？)答：此时的膜层光学厚度要达到四分之一波长才能达到要答：此时的膜层光学厚度要达到四分之一波长才能达到要求，则几何厚度为：求，则几何厚度为：d=d=00/(4n)=552/(4/(4n)=552/(41.38)=100nm1.38)=100nm。2020、一束波长为、一束波长为560nm560nm的光垂直照到一块折射率为的光垂直照到一块折射率为1.51.5、厚度为厚度为3mm3mm的透明玻璃上，玻璃第一表面镀有的透明玻璃上，玻璃第一表面镀有3 3层膜，层膜，从玻璃表面算起，第一层薄膜的折射率为从玻璃表面算起，第一层薄膜的折射率为2 2，几何厚度，几何厚度为为7

10、0nm70nm、第二层薄膜的折射率为、第二层薄膜的折射率为1.41.4，几何厚度为，几何厚度为200nm200nm、第三层薄膜的几何厚度是、第三层薄膜的几何厚度是66.7nm66.7nm，折射率为，折射率为2.12.1，另一表面没镀膜，问这束光通过玻璃后，损失多，另一表面没镀膜，问这束光通过玻璃后，损失多少能量？上述过程在空气中进行的。少能量？上述过程在空气中进行的。答：各层膜的光学厚度分别为：答：各层膜的光学厚度分别为：n n1 1d d1 1=2=270nm=140nm=560nm/470nm=140nm=560nm/4；n n2 2d d2 2=1.4=1.4200nm=280nm=56

11、0nm/2200nm=280nm=560nm/2；n n3 3d d3 3=2.1=2.166.7nm=140nm=560nm/466.7nm=140nm=560nm/4；所以各层膜的位相厚度分别为：所以各层膜的位相厚度分别为：1 1=/2=/2、2 2=、3 3=/2=/2。112020题解答题解答(续续1)1)：因为是垂直入射，所以各层膜的等效折射：因为是垂直入射，所以各层膜的等效折射率分别为：率分别为：i i=n ni i(i i=1=1、2 2、3 3、g)g)；333222333222111g111cossin/cossin/sincossincos1cossin/sincos20/

12、2.1-100/212.12.100-1201.53.152iiBiiCiiiiii CY=1.6538B2211-Y1-1.6538R=()=()0.06071+Y1+1.653812(20(20题解答题解答(续续2)2)在玻璃第一表面有在玻璃第一表面有6.07%6.07%的损失，的损失，93.93%93.93%的能量透过，到了第二表面，因为的能量透过，到了第二表面，因为又有又有4%4%的损失，透过的损失，透过96%96%；所以总的透过率为所以总的透过率为0.93930.93930.96=90.17%0.96=90.17%，而总的反射损失则为而总的反射损失则为9.87%9.87%221.5-

13、1R=()=0.041.5+12121、干涉矩阵法编程和鲁阿德递推法编程的步骤有哪、干涉矩阵法编程和鲁阿德递推法编程的步骤有哪些？些？答：略，参看第六讲答：略，参看第六讲2222、典型的膜系有哪些？、典型的膜系有哪些？答：增透膜、分光膜、反射膜、滤光片以及其它用途的答：增透膜、分光膜、反射膜、滤光片以及其它用途的特殊膜系特殊膜系132323、什么是增透膜、什么是增透膜(或减反膜或减反膜)答：涂敷在某一界面上使该界面固有反射率降低，透射答：涂敷在某一界面上使该界面固有反射率降低，透射率增大的膜层率增大的膜层2424、对于单层膜来说，要使某一波长的反射率为零，膜、对于单层膜来说，要使某一波长的反射

14、率为零，膜的折射率的折射率n n1 1与入射介质、基片的折射率与入射介质、基片的折射率n n0 0、n ng g的关系是的关系是什么？此时单层膜的反射率是多少？什么？此时单层膜的反射率是多少？10g2202122021()()nn nR 答答：反反射射率率为为：2525、对于双层膜来说，入射介质、第一层膜、基片的、对于双层膜来说，入射介质、第一层膜、基片的折射率分别为折射率分别为n n0 0、n n1 1、n ng g，要使某一波长的透射率达到要使某一波长的透射率达到100%100%，那么第二层膜的折射率是多少？，那么第二层膜的折射率是多少？210gnnnn答答：么么么么方面Sds绝对是假的1

15、52727、使用减反膜的时候需要注意什么？、使用减反膜的时候需要注意什么？答：答：1)1)、使用的波长范围，单点还是宽光谱或一段光、使用的波长范围，单点还是宽光谱或一段光谱带一点；例如可见区谱带一点；例如可见区(400nm700nm)(400nm700nm)，或红外，或红外（3700nm4800nm)3700nm4800nm)，或可见区加，或可见区加1064nm1064nm等；等；2)2)、剩余反射率指标；（平均或最大剩余反射率）、剩余反射率指标；（平均或最大剩余反射率）3)3)、使用角度或角度范围；、使用角度或角度范围；4)4)、使用环境；（有无防水、防热、防电三防要求等）、使用环境；（有无

16、防水、防热、防电三防要求等）5)5)、有无激光阈值要求；、有无激光阈值要求；2626、什么叫规整膜系，什么叫非规整膜系、什么叫规整膜系，什么叫非规整膜系答：实际工作中答：实际工作中 0 0/4/4的整数倍厚度容易控制，人们把全部由的整数倍厚度容易控制，人们把全部由 0 0/4/4整数倍厚度组成的膜系称为整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系规整膜系，反之为，反之为非规整膜系非规整膜系。162828、列出、列出V V型、型、WW型双层膜的膜系结构，写出它们的特型双层膜的膜系结构，写出它们的特征矩阵征矩阵答：答：V V型膜的膜系结构是：型膜的膜系结构是：n n0 0|n n1 1(0 0/4)/4)/n

17、 n2 2(0 0/4)|/4)|n ng g，适用于窄，适用于窄带减反；带减反；WW型膜的膜系结构是：型膜的膜系结构是：n n0 0|n n1 1(0 0/4)/4)/n n2 2(0 0/2)|/2)|n ng g，适用于宽带减反。它们的特征矩阵分别为：适用于宽带减反。它们的特征矩阵分别为：1221121211110/0/0V000/0/0/10W0001i ni nnnininnni ni ninin 型：型：172929、一般来讲，分光膜可分为分束膜、一般来讲，分光膜可分为分束膜(也叫分光镜也叫分光镜)和分和分色膜，后者是按颜色色膜，后者是按颜色(波长波长)不同进行分光，那么分束膜不同

18、进行分光，那么分束膜的功能是什么呢？的功能是什么呢？答：分束膜答：分束膜(分光镜分光镜)的功能是把一束光分按比例分成光的功能是把一束光分按比例分成光谱成分相同的两束光，谱成分相同的两束光，也就是说，它在一定的波长区也就是说，它在一定的波长区域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率、反域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率、反射率比例，因而反射光和透射光不具有颜色，呈色中射率比例，因而反射光和透射光不具有颜色，呈色中性。性。3030、有哪几种金属可用作分光膜？、有哪几种金属可用作分光膜？答：银、金、铝、铬、铑、铂等答：银、金、铝、铬、铑、铂等3131、金属分光镜有哪些优缺点、金属分光镜有哪

19、些优缺点优点：中性好，光谱范围宽、偏振效应小、制作简单优点：中性好，光谱范围宽、偏振效应小、制作简单缺点：吸收大；分光效率低下；激光阈值低缺点：吸收大；分光效率低下；激光阈值低183232、试阐述偏振分束膜的原理？、试阐述偏振分束膜的原理？答：折射率不同的两个介质的分界面，当入射角为布儒斯特角答：折射率不同的两个介质的分界面，当入射角为布儒斯特角时，时，p p光反射率为光反射率为0 0，全部透射，而，全部透射，而s s光部分反射，部分透射。光部分反射，部分透射。为了增加为了增加s s光的反射率，将两种材料交替沉积形成多层膜，致光的反射率，将两种材料交替沉积形成多层膜，致使使s s光的透射率接近

20、光的透射率接近0 0，而这时，而这时p p光的透射率保持为光的透射率保持为1 1，从能量角，从能量角度来说，实现了度来说，实现了50/5050/50的分光，因为反射光是的分光，因为反射光是s s光、透射光是光、透射光是p p光，它们都是线偏振光。光，它们都是线偏振光。3333、什么是反射膜？、什么是反射膜？答：涂敷在基片上能达到一定反射率的膜系称为反射膜。答：涂敷在基片上能达到一定反射率的膜系称为反射膜。3434、反射膜有哪几类？、反射膜有哪几类？答：金属反射膜、金属答：金属反射膜、金属-介质反射膜和全介质反射膜介质反射膜和全介质反射膜3535、常见的金属反射膜有哪几种？、常见的金属反射膜有哪

21、几种？答：铝、银、金以及铂铑等金属膜答：铝、银、金以及铂铑等金属膜193636、全介质反射膜的反射带宽是多少？、全介质反射膜的反射带宽是多少？12sinHLHLnngnn 反射带宽与反射带宽与H H、L L的折射率有关的折射率有关用相对波数表示带宽：用相对波数表示带宽：gg11用波长表示带宽：用波长表示带宽：gg1102012100200/1/12/12ggggg 203737、将折射率为、将折射率为2.352.35的硫化锌和折射率为的硫化锌和折射率为1.381.38的氟化镁的氟化镁交替敷镀在折射率为交替敷镀在折射率为1.521.52的玻璃上，以期提高玻璃的反的玻璃上，以期提高玻璃的反射率，请

22、写出这种膜系的结构；如果制膜时采用射率，请写出这种膜系的结构；如果制膜时采用540nm540nm的绿光监控，问这种膜系的反射带宽是多少？什么范围的绿光监控，问这种膜系的反射带宽是多少？什么范围内的光能被高反射？内的光能被高反射？答：膜系结构为：答：膜系结构为：Glass/(HL)Glass/(HL)s sH(sH(s为周期数，为周期数，n nH H=2.35=2.35；n nL L=1.38)=1.38)；11222.35 1.38sinsin0.16752.35 1.38HLHLnngnn 0L0S540=648.6;11 0.1675540=462.5;11 0.1675gg在在462.5

23、nm648.6nm462.5nm648.6nm的可见光被高反射。的可见光被高反射。213838、有些场合标准的全介质反射膜的反射带宽是不够用的。、有些场合标准的全介质反射膜的反射带宽是不够用的。为了展宽反射带，有哪些办法？为了展宽反射带，有哪些办法？答：答：一一)、改变厚度薄膜，或者使膜厚按算术递增；或者、改变厚度薄膜，或者使膜厚按算术递增；或者使膜厚按几何递增；使膜厚按几何递增；二二)、在一个、在一个1/41/4波长的多层膜上，再镀中心波长稍不同波长的多层膜上，再镀中心波长稍不同的一个多层膜系的一个多层膜系三三)3)3、中心波长不同的对称膜系、中心波长不同的对称膜系(H/2)L(H/2)(H

24、/2)L(H/2)mm和和(L/2)H(L/2)(L/2)H(L/2)s s的叠加的叠加四四)、其他形式的膜系叠加，如、其他形式的膜系叠加，如2:12:1膜系和常规膜系叠加膜系和常规膜系叠加4040、说出全介质反射膜的结构。、说出全介质反射膜的结构。答：结构为：答：结构为：G/(HL)G/(HL)s sH/AH/A，其中，其中A A为入射介质，常为空气，为入射介质，常为空气，G G表示基片，常为玻璃；表示基片，常为玻璃；H H表示高折射率膜，表示高折射率膜，L L表示低折射率膜，表示低折射率膜，s s表示重复次数。表示重复次数。4141、什么叫相对波数？、什么叫相对波数？答：中心波长与其它波长

25、的比值称为相对波数，相对波数小答：中心波长与其它波长的比值称为相对波数，相对波数小意味着长波，相对波数大意味着短波。意味着长波，相对波数大意味着短波。224242、什么叫滤光片，有哪几类？、什么叫滤光片，有哪几类？答：涂敷在基片上使得一定范围内的波长的光具有很高答：涂敷在基片上使得一定范围内的波长的光具有很高的反射率，而其它波长的光具有一定的透射率的膜系称的反射率，而其它波长的光具有一定的透射率的膜系称为滤光片。滤光片分为干为滤光片。滤光片分为干涉截止滤光片、窄带、带通滤涉截止滤光片、窄带、带通滤光片、金属滤光片、负滤光片等几类。光片、金属滤光片、负滤光片等几类。4343、干涉截止滤光片有哪些

26、衡量指标？、干涉截止滤光片有哪些衡量指标？答：答：1)1)透射曲线开始上升透射曲线开始上升(或下降或下降)时的时的波长波长以及此曲线上升以及此曲线上升(或下降或下降)的许可斜率；的许可斜率；2)2)高透射带的光谱宽度、平均透射率高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内许可的最小透射率；以及在此透射带内许可的最小透射率；3)3)具有低透射率的反具有低透射率的反射带射带(抑制带抑制带)的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率。的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率。4444、说出干涉截止滤光片的基本结构？、说出干涉截止滤光片的基本结构？答：与反射膜的基本结构是一样的，都是答：与反射膜的

27、基本结构是一样的，都是HLHL，为高地，为高地折射率的四分之一波长膜的交替组合，改进后的效果更折射率的四分之一波长膜的交替组合，改进后的效果更好的结构是好的结构是(p p/2/2 q q p p/2)/2)s s，其中，其中p p、q q表示高低折射率膜表示高低折射率膜层，层，s s表示重复周期表示重复周期23答：截止带的宽度用相对波数来表示为：答：截止带的宽度用相对波数来表示为：02(/)g 112sin2sinpqpqpqqppqqpnng 而而4545、对于、对于 (p p/2)/2)q q(p p/2)/2)结构的干涉截止滤光片，其截止结构的干涉截止滤光片，其截止带宽为多少？带宽为多少

28、？其中，其中，p p和和 q q 分别为膜层的等效折射率分别为膜层的等效折射率4646、考虑一下干涉截止滤光片的设计步骤、考虑一下干涉截止滤光片的设计步骤答：略，参看第十二讲的第五部分答：略，参看第十二讲的第五部分244747、表征带通滤光片的应用特性的主要参数有哪些？、表征带通滤光片的应用特性的主要参数有哪些？答：答：0中心波长，或称峰值波长;Tmax(TM)中心波长透射率，亦即 峰值透射率；2透过率为峰值透过率一半的波长宽度，也称通带半宽度；4848、带通滤光片有哪几种典型膜系？、带通滤光片有哪几种典型膜系？答：金属答：金属-介质膜滤光片；全介质滤光片；双半波、介质膜滤光片；全介质滤光片；

29、双半波、三半波全介质滤光片；金属诱导透射滤光片三半波全介质滤光片；金属诱导透射滤光片254949、下列符号分别表示什么功能的光学薄膜？、下列符号分别表示什么功能的光学薄膜？2648题解答：1.减反膜2.滤光膜3 保护膜4 内反射5 外反射6 高反膜7 分束膜8 分色膜9 偏振膜10 导电膜275050、真空镀膜机包含哪几大系统，它们的作用都是什么？、真空镀膜机包含哪几大系统，它们的作用都是什么？答：真空镀膜机包含四大系统：答：真空镀膜机包含四大系统：1)1)、真空系统，用来形成、真空系统，用来形成需要的真空；需要的真空；2)2)、蒸发系统，用来将材料变成气态；、蒸发系统，用来将材料变成气态；3

30、 3）、）、控制系统，用来控制准确的膜层厚度。控制系统，用来控制准确的膜层厚度。5151、常见的光学薄膜的依附体即常用的光学基片有哪几、常见的光学薄膜的依附体即常用的光学基片有哪几大类？大类？答：一答：一)、玻璃，在光学应用上最重要，分为无色光学玻、玻璃，在光学应用上最重要，分为无色光学玻璃、有色光学玻璃、普通玻璃、特殊玻璃等；璃、有色光学玻璃、普通玻璃、特殊玻璃等；二二)、陶瓷；、陶瓷；三三)、光学晶体，分为低族晶体、中族晶体和高族晶体，、光学晶体，分为低族晶体、中族晶体和高族晶体，常用中级晶族和高级晶族；常用中级晶族和高级晶族；四四)、光学塑料，分为三大类：、光学塑料，分为三大类：A A、塑料透镜、塑料透镜(包括工业、包括工业、仪器用透镜、眼镜、接触眼镜、非球面透镜、棱镜和菲仪器用透镜、眼镜、接触眼镜、非球面透镜、棱镜和菲涅耳透镜等涅耳透镜等)；B B、光盘及光学纤维；、光盘及光学纤维；C C、其它功能性光学、其它功能性光学塑料元件；塑料元件；五五)、金属、金属