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基于内反射效应的可变光强衰减器 摘要 f f 激光光强衰减器，简称光衰减器，是随着激光应用和光纤通信发 展出现的一种非常重要的光学无源器件，其作用是通过对传输光的衰 减来对激光光强( 功率) 进行控制。光衰减器在光纤通信、有线电视 和其它工业、军事及航天领域内有着极为广泛的应用。可以说，在所 有的激光应用领域，只要有激光光强( 功率) 控制方面的需要，光衰 减器便能发挥其作用。 现阶段光衰减器主流技术包括热光型、步进马达型、m e m s 型和 液晶型等。各种光衰减器件百花齐放、各有优缺，新型器件层出不穷， 但只要用户接口不变，并具有一些优秀的技术特征，就能够被市场所 接受。正是这种百家争鸣的局面，促进着光通讯事业日新月异地发展。h 、广 在本文中，我们提出并研究了一种新型可变光衰减器件基于内反 射效应的可变光衰减器。这种新型的内反射型可变光衰减器件基于最 简单的光学反射原理。它利用个加长的玻璃棱镜实现多次反射，在 其上下底面镀有通过使用溶胶凝胶工艺及浸渍提拉方法制备的s i o ： 薄膜，利用这种棱镜薄膜结构实现光强衰减时的弱偏振相关。通过控 精f l 天、射角度达到对反射效率的控制从而得到相应的可变光强衰减。本 文对这种光学衰减器的实现方案进行了探讨，对器件性能指标进行了 考察和分析，为可变光衰减器的研发开辟了一条新的技术路线。 与现有技术相比，采用溶胶凝胶法制得s i 0 2 薄膜作为衰减器工作 l 物质，其突出优点是材料配置简单、成本很低。用溶胶凝胶法制备 的溶胶通过提拉法涂膜，其厚度和折射率及其均一性都可以比较方便 ， 地得到控制。悃为采用的是反射型衰减结构，所以，器件无传输损耗， i 插入损耗也较低。在精确控制薄膜参数的情况下，其消光比可以很高 ( 超过5 0 d b ) ，并同时可保持较好的p d l ( 小于o 5 d b ) 。在不改变 衰减装置的基本结构和参数的情况下，通过增加光束在棱镜底面的反 射次数能得到更大程度的光强衰减和更小的偏振相关性。同现有的常 规技术相比较，这种衰减器原理、结构、制备工艺都非常简单，并具 有低插入损耗、工作波长范围大、偏振特性好、无传输损耗、小 等高技术性能。如果能进入市场，将具有不可比拟的价格优势。 关键词： 。 棱镜薄膜结构；内反射效应；溶胶。凝胶法； 可变光衰减器； 偏振相关损耗； 消光比， o t h ev a r i a b l e o p t i c a la t t e n u a t o r b a s e do ni n t e r n a l r e f l e c t i o n a b s t r a c t o p t i c a l a t t e n u a t o r sa l ew i d e l yu s e di nf i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n s ， c a b l et e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o n s ， a n d i n d u s t r y m i l i t a l y a e r o s p a c e a p p l i c a t i o n s m o r ea n d m o r ea t t e n t i o n sh a v e b e e na t t r a c t e do n t h e mw i t h t h ed e v e l o p m e n to fl a s e ra p p l i c a t i o na n df i b e rc o m m u n i c a t i o nr e c e n t l y t h eo p t i c a la t t e n u a t o r s c o n t r o lt h el a s e r p o w e rb ya t t e n u a t i n g t h e t r a n s m i s s i o no p t i c s t h e yc a l lb eu s e di na l l t h ef i e l d si nw h i c hl a s e ri s a p p l i e d v a r i o u st y p e so fa t t e n u a t o r sh a v eb e e n r e a l i z e dw h i c hi n c l u d et h eu s e o fal i q u i dc r y s t a ld e v i c e ，am i c r o - o p t i ca d j u s t a b l ec o u p l e r , as l i d i n g - b l o c k m e c h a n i c a ls y s t e m ，a n dap o l y m e r i ct u n a b l eo p t i c a lw a v e g u i d e t h e s e t e c h n i q u e s a l lh a v et h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hm a k e t h e ms u i t a b l ef o r d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s t h ep r o g r e s s e so na t t e n u a t i o nt e c h n i q u e sp r o m o t e d e v e l o p m e n t so f t h ef i b e rc o m m u n i c a t i o ng r e a t l y i nt h i sp a p e r , w eb r i n g f o r w a r dan o v e lv a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r t h ep r o p o s e dv a r i a b l e o p t i c a l a t t e n u a t o ri sb a s e do nt h es i m p l ep r i s m f i l ms t r u c t u r e t h i ss i m p l e c o n f i g u r a t i o nm a k e su s eo f a l le n l o n g a t e dp r i s mw i t hs i 0 2t h i nf i l mo n h t b o t hu n d e r s i d eo f i tt or e a l i z ep o l a r i z a t i o ni n s e n s i t i v i t ya n dl a r g er a n g eo f d y n a m i ca t t e n u a t i o n t h er e f l e c t i v i t yu p o nt h e i n t e r f a c eo fp r i s m - f i l m c h a n g e s w i t ht h ei n c i d e n ta n g l e s ow eg e tv a r i a b l eo p t i c a lp o w e r a t t e n u a t i o nb y c o n t r o l l i n g t h ei n c i d e n ta n g l e i nt h i sp a p e r ，w ew i l ld i s c u s s t h es c h e m eo ft h i sa t t e n u a t o r ，a n da n a l y z ei t sp e r f o r m a n c ei nd e t a i l s o l g e lm e t h o d i sv e r yu s e f u lo i lf i l mf a b r i c a t i o nf o ri t sm e r i t ss u c h a s l o wp r i c e ，s i m p l ep r o c e s sa n de a s ym a t e r i a lp r e p a r a t i o n t h es i 0 2f i l m s f a b r i c a t e dw i t hs o l - g e lm e t h o da r ek e yp a r t so f t h i sk i n do fa t t e n u a t o r s t h e t h i c k n e s s ，r e f r a c t i v ei n d e xa n du n i f o r m i t yo f t h e mc a nb ec o n t r o l l e d t h er e f l e c t i v es t r u c t u r eo ft h i sd e v i c em a k e si tw i t h o u tt r a n s m i s s i o nl o s s t h ei n s e r t i o nl o s so f i ti sv e r yl o wa sw e l l i f w ec o n t r o l l e dt h ei n d e x e so f t h et h i nf i l ma c c u r a t e l y , w ec o u l dg e ta na t t e n u a t i o nr a n g eg r e a t e rt h a n 5 0 d bw i t hap d lb e l o w0 5d bi nc a s eo ft h r e et i m e so fr e f l e c t i o n t h i s c a nb e c o m p a r a b l e w i t ht h eb e s to b t m n e df r o mo t h e ra t t e n u a t i o n t e c h n i q u e s k 盥yw o r d s ： p r i s m f i l ms t r u c t u r e ，i n t e m a lr e f l e c t i o ne f f e c t ，s o l - g e lm e t h o d ， v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r , p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ，e x t i n c t i o nr a t i o i v 上海交通大学硕士学位毕业论文 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展 从7 0 年代铺设第一条光纤通信线路至今短短3 0 年间，全球8 5 以上的通 信网络都已采用了光纤作为传输媒介。光纤使数据传输的容量和准确性都得到极 大的提高。在1 2 6 - 1 6 5 , t a n 的通讯波段，一根单模光纤的潜在传输带宽可达 1 5 0 t b i t s e c ( 1 t = 1 0 0 0 g ) 【1 】可容纳2 3 亿门电话信号的同时传输。然而目前 长途海缆干线上的数据传输率也只不过2 5 - 1 0 g b i t s e c ，因此光纤通信的潜力还 远没有发挥出来。由于巨大的带宽资源和相对低廉的制造成本，光网络作为下一 代宽带通信网的基础已成为不争的共识。迄今为止还未发现比光纤更合适的可用 以传送巨量信息的媒体。 光电子技术的应用领域远不止光纤通信，可以粗略地把光电子技术分为信息 光电子( 如光纤通信) 、能量光电子( 如激光器) 和娱乐光电子( 如v c d 、投影 仪) 等部分，分别应用在光纤通信、光存储、光互联、光信息处理、激光加工、 医疗、军事、日常娱乐消费等方面。2 0 世纪7 0 年代，微电子技术曾引起新技术 领域的深刻变革；9 0 年代以来，光电子技术正在引导着信息技术的一场新变革， 并将成为决定未来科技与经济制高点的重要因素。 图1 1 光通讯产业金字塔 f i g 1 - 1t h ep y r a m i do fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y 在整个光纤通信发展历程中，大致经历了四个里程碑。1 激光器的发明( 2 0 世纪5 0 年代末) 2 - 4 ；2 低损耗光纤的研制成功( 2 0 世纪7 0 年代) 5 - 6 】；3 光纤 上海交通大学硕士学位毕监论文 放大器的研制成功( 2 0 世纪8 0 年代) 7 - 9 1 ；4 密集波分复用技术的成熟( 2 0 世 纪9 0 年代) 1 1 0 1 。在上述具有里程碑意义的事件中，与器件相关的就有三项。在 现代光通讯产业结构金字塔中( 图1 1 ) ，器件也是整个产业的基础。一种新型 关键器件的问世和成熟，往往能够为整个行业带来革命性的影响。 1 2 光纤通信中的光电子器件 近几年来，光纤通信在信息爆炸式增长的需求和宽带网络技术的推动下，发 展速度比以往任何时候都更加迅猛。传统语音业务的年增长率只有5 1 0 ，而 以i n t e r n e t 为代表的数据业务的年增长率却达到了2 0 3 0 。与传统的电话相 比，i n t e r n e t 的最大特点不是人与人之间的一对一通信，而是人与机器( 数据库) 之间的一对多通信。由于将全世界分散的数据库连接起来，使得整个网络中的信 息量急剧增加。 另一方面，采用电的时分复用来提高信息传输容量的作法已经接近硅和镓砷 技术的极限，因而更现实的扩容出路是采用光的复用方式。光复用方式有波分复 用( w d m ) 、光时分复用( o t d m ) 等几种，但目前只有波分复用方式已进入大 规模商用阶段，而其他方式尚处于试验研究阶段。 图1 - 2w d m 远程光纤传输系统 f i g 1 - 2w d ml o n gd i s t a n c ef i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 过去几年来，以密集波分复用( d w d m ) 为代表的宽带技术使系统带宽迅速 增长，数据传送成本迅速下降，可视电话、视频会议等一系列与宽带有关的产品 2 上海交通大学硬 学位毕监论文 和业务也随之迅猛增长。d w d m 在越洋和陆地长途干线不断普及的同时，目前 已在向城域网和接入网延伸，并正在成为新的技术发展热点。网络拓扑正从点到 点网络为主逐渐向环行网( r i n gn e t w o r k ) 和网状网( m e s hn e t w o r k ) 发展， 最终目标是全光通信网。但这些尖湍技术的实现还依赖于相应的光电子技术的进 步，一系列新型光电子器件将在未来的通信网中起着重要的作用。因此，目前各 国光电予器件的研究者都在努力研究材料及工艺，开发各种高性能器件，并取得 了丰硕成果。 w d m 远程光纤传输系统的原理如图1 2 所示。其核心思想是在同一根光纤 中传输多个波长，并采用光纤放大器对信号进行全光放大，每一个波长通道在速 率、码型和协议上都完全独立。为简洁起见，图1 2 只画出了光信号单向传播的 情况。 在w d m 传输系统中，关键器件包括光源( 激光器) 、光纤放大器、复用，解 复用器、光开关、光调制器、光衰减器、滤波器、波长转换器等。现代光纤通信 所用到的光电子器件，远远不止上文介绍的这些。其它如隔离器、环绕器、波长 变换器、探测器等，都在光通讯中发挥着关键的作用。限于篇幅和本文研究课题 的相关性，在这里只简单介绍光衰减器。 1 3 光衰减器 激光光强衰减器，简称光衰减器，是随着激光应用和光纤通信发展出现的一 种非常重要的光学无源器件，其作用是通过对传输光的衰减来对激光光强( 功率) 进行控制。光衰减器在光纤通信【1 1 l 、有线电视【12 】和其它工业、军事及航天领域 内f 13 j 有着极为广泛的应用。可以说，在所有的激光应用领域，只要有激光光强 ( 功率) 控制方面的需要，光衰减器便能发挥其作用。 应用领域之一：光纤通讯。在现代光纤通讯系统中，需要光衰减器的场合无 处不在。在波分复用系统中，必须保证各信道的光功率大致平衡f 1 1 1 1 4 - 1 5 。否则 经过长途传输后，各信道的误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 等一系列重要指标 将发生显著差异，甚至导致某些信道不能恢复的严重情况。另外，由于掺铒光纤 放大器的增益谱的不平坦，导致各信道的增益系数不一样，如果不及时平衡，也 上海交遽大学碗士学位毕业论文 _ _ - _ _ h h _ 一 会导致通信系统性能的显著降低。虽然有e d f a 增益均衡滤波器( g a i n e q u a l i z a t i o nf i l t e r ) 1 6 】问世，但缺乏动态补偿功能。因而在上述情况下，采用可 变光衰减器都是很好的解决方案【1 4 - 15 1 。图1 3 所示的是在w d m 系统中的波长上 下路场合，为了使整个系统各信道的光强均衡而在每一个波长通道都使用了一个 光强衰减器。 图1 3w d m 系统中用于各信道光强均衡的可变光衰减器 f i g 1 - 3v a d a b l eo p t i c a la t t e n u a t o ru s e df o rc h a n n e lp o w e rb a l a n c ei nw d ms y s t e m 应用领域之二：有线电视。在有线电视传输系统中，光信号经过光纤放大器 后变得很强，为防止后续接受器件饱和，必须在系统中插入光衰减器【1 2 】。另外 由于系统中光功率设计富余度和实际富余度不完全一致，在对系统进行误码率评 估或其它参数测试时，也必须使用可变光衰减器。 应用领域之三：激光加工。在工业制造加工 1 3 】、激光医疗手术和艺术品修补 等激光应用领域，随时需要对激光功率进行调整，采用改变激光器驱动电流的方 法并不一定能达到最佳效果，这时也需要使用可变光衰减器。 目前，光衰减器的市场越来越大，在无源器件中，其产量仅次于连接器和耦 合器。根据美国电子行业市场权威分析机构e l e c t r o n i c a s t 公司进行的市场分析 预测，1 9 9 8 年的全球光强衰减器的市场需求为$ 1 7 8 8 m ，在此后的五年中，需 求量将以每年2 4 2 的速度递增，到2 0 0 3 年达到$ 5 2 8 4 m 。在2 0 0 3 年以后的 五年期间，将保持2 3 3 的年增长速度，并在2 0 0 8 年达到$ 1 5 b 约1 5 亿美圆 的市场总值【1 7 】。 现阶段光衰减器主流技术包括热光型【侧、步进马达型1 1 9 】、m e m s 型【2 0 】和液 晶型【2 1 】等。本文第四章简单介绍了一些上述有关技术。 4 t - 海交通大学硕士学位毕避论文 1 4 本文的研究目的、内容及创新之处 各种光电子器件百花齐放、各有优缺，新型器件层出不穷，但只要用户接口 不变，并具有一些优秀的技术特征，就能够被市场所接受。正是这种百家争鸣的 局面，促进着光通讯事业日新月异地发展。在本文中，我们提出并研究了一种新 型光电子器件基于内反射效应的可变光衰减器。虽然短时期内暂时不能真正 的实用化和商品化，但从器件基础研究和实现方法创新探索的角度考虑，相信是 具有一定现实意义的。 本文的创新之处在于： 利用内反射原理可实现对角度和折射率的测量【2 2 】【23 1 ，但到目前为止，尚未有 将内反射原理用于可变光学衰减器的报道。本文提出了一种基于简单的棱镜薄 膜结构的可变光学衰减器。根据内反射原理，利用这种结构，可实现低插入损耗、 高动态衰减范围和弱偏振相关的光强衰减。另外，本文提出将溶胶- 凝胶法制备 得到的合适参数的$ i 0 2 薄膜作为衰减器的工作物质，制备工艺比较简单。这些， 为衰减器件的研发开辟了一条新的技术路线。 本文内容的组织安排如下： 在第二章中，首先介绍了反射现象和棱镜中内反射。这一部分是全文的理论 基础。 在第三章中，将主要介绍制作介质薄膜的常用实验方法溶胶- 凝胶法。包 括溶胶凝胶法在薄膜制备上的应用、影响薄膜质量的因素、薄膜参数的控制等。 在第四章中，介绍主要的机械调谐式光衰减技术及衰减器评价指标，为第五 章的内反射衰减技术提供对照，并为讨论讨论器件性能做一铺垫。 第五章，对内反射型可变光衰减器的工作机制进行了研究并提出了实际装置 构成方案，分析了器件性能和优化 1 5 参考文献 f 1 】p p m i t r aa n dj b s t a r k 。“n o n l i n e a rl i m i t st ot h ei n f o r m a t i o nc a p a c i t yo f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s ，”n a t u r e ，2 0 0 1 ，v 0 1 4 11 ，p 10 2 7 【2 】a l s c h a w l o wa n dc h t o w n e s ，“i n f r a r e da n do p t i c a lm a s e r s ，”mr e v 5 兰丝望堂丝丝型型 1 9 5 8 ，v 0 1 1 1 2 ，p 1 9 4 【3 】下h m a i m a n ，“s t i m u l a t e do p t i c a lr a d i a t i o ni n r u b y ，”n a t u r e ，19 6 0 ，v o l 6 ， d 1 0 6 【4 】w f b r i n k m a n ，t lk o c h ，a n dd v l a n g ，e ta 1 ，“t h e l a s e rb e h i n dt h e c o m m u n i c a t i o n sr e v o l u t i o n ”b e l ll a b s 乃叻j ，2 0 0 0 ，v 0 1 5 ，p l5 0 【5 】m l i n e s ，“t h es e a r c h f o r v e r yl o w l o s sf i b e r - o p t i cm a t e r i a l s ，”s c i e n c e ，1 9 8 4 ， v 0 1 2 2 6 ，p 6 6 3 ， 【6 】j j r e f i ，“o p t i c a l f i b e r f o r o p t i c a ln e t w o r k i n g ，”b e l l l a b s 乃叻，1 9 9 9 ，v 0 1 4 ，p 2 4 6 【7 】7 r j m e a r s ，l r e e k i e ，a n di m j a u n c e y ，e ta 1 ，“l o w - n o i s ee r b i u m - d o p e d f i b e ra m p l i f i e ro p e r a t i n ga t1 5 4 p m ，”e l e c t r o n l e f t ，1 9 8 7 ，v 0 1 2 3 ，p 1 0 2 6 f 8 】e d e s u w i r e ，j r s i m p s o n ，a n dp c b e c k e r , “h i g h g a i ne r b i u m - d o p e d t r a v e l i n g - w a v e f i b e ra m p l i f i e r ，”o p t l e f t ，19 8 7 ，v 0 1 12 ，p 8 8 8 【9 】y s u n ，a k s r i v a s t a v a ，a n dj z h o ue t a l ，“o p t i c a l f i b e r a m p l i f i e r s f o r w d m o p t i c a ln e t w o r k s ，”b e l ll a b s 乃曲j ，19 9 9 ，v 0 1 4 。p 1 8 7 【10 c a b r a c k e t t ，“d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g n e t w o r k s ： p n n c i p l e sa n da p p l i c a t i o n s ，”i e e e j s e t a r e ac o m m ，1 9 9 0 ，v 0 1 8 ，p 9 4 8 【11 s s l e e ，y s j i n ，a n dy s s o n ，e ta 1 ，“p o l y m e r i ct u n a b l eo p t i c a l a t t e n u a t o rw i t ha no p t i c a lm o n i t o r i n gt a pf o rw d mt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ， i e e e p h o t o n t e c h n o ll e t t 。1 9 9 9 。v 0 1 ”，p 5 9 0 【12 c c l e e ，a n ds c h i ， t h ei m p r o v e m e n t o fc o m p o s i t e t r i p l e - b e a td i s t o r t i o n i n d u c e d b yc r o s s - p h a s e - - m o d u l a t i o n i n w a v e l e n g t h - d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g c a i vt r a n s m i s s i o ns y s t e m sw i t hc h i r p e df i b e rg r a t i n gc o m p e n s a t o r , ”o p t c o m m u n 。2 0 0 0 ，v 0 1 17 5 ，p 12 5 【1 3 d a s s e l i n ，p g a l a m e a u ，a n dj m l a c r o i x ，e ta 1 ，“h o l o g r a p h i cv a d a b l e a t t e n u a t o rf o rh i g h - p o w e rn d ：y a gl a s e r s ，”o p t a n dq u a n e l e c t r o n ，1 9 9 4 ， v 0 1 2 7 ，p 1 4 2 7 【14 s c o h e n ，a n dp m e l m a n ，“n e wb r e a k t h r o u g hd e s i g nf o rv o a sb a s e d0 n e l e c t r o o p t i cm a t e r i a l s ，”l i g h t w a v e ，j a n u a r y ，2 0 0 0 6 = 圭塑鲨墨兰型：兰丝兰些笙兰 【15 s c o h e n ，“n o v e lv o a sp r o v i d e m o r e s p e e d a n du t i l i t y , ”l a s e r f o c u sw o r l d , d e c e m b e r ，2 0 0 0 【1 6 a m v e n g s a r k a r ，j r p e d r a z z a n i ，a n dj b j u d k i n s ，e ta 1 ，“l o n g p e n o d f i b e r - g r a t t i n g - b a s e dg a i ne q u a l i z e r s ，”o p t l e t t ，1 9 9 6 ，v 0 1 2 1 ，p 3 3 6 f 1 7 】“o p t i c a l a t t e n u a t o rm a r k e tt or e a c h $ 1 5 bb y2 0 0 8 ”，m i c r o w a v ej o u r n a l ， 2 0 0 0 ，v 0 1 4 3 。p 5 5 【18 i s s l e e ，丫s j i n ，a n dy s s o n ，e ta 1 ，“p o l y m e r i ct u n a b l eo p t i c a l a t t e n u a t o rw i t ha no p t i c a lm o n i t o r i n gt a pf o rw d mt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，” i e e ep h o t o n t e c h 门0 ，l e 抗，19 9 9 ，v 0 1 ”，p 5 9 0 【19 r g s h e n ，j y x u ，a n dj j p a n ，“m i n i a t u r ev a r i a b l eo p t i c a la t f e n u a t o r ，” u n i t e d s t a t e sp a t e n t6 ，1 3 0 , 9 8 4 ，e - t e kd y n a m i c s ，i n c 。2 0 0 0 【2 0 b b a r b e r ，c r g i l e s ，a n dv a s k y u k ，e ta 1 ，“af i b e rc o n n e c t o d z e dm e m s v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ，”i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，1 9 9 8 ，v 0 1 1 0 ， p 1 2 6 2 ， 2 1 k h i r a b a y a s h i ，m w a d a ，a n dc a m a n o ，“o p t i c a l - f i b e rv a r i a b l e - a t t e n u a t o r a r r a y su s i n gp o l y m e r - n e t w o r kl i q u i dc r y s t a l ，”i e e ep h o t o n ，t e c h n 0 1 l e t t ， 2 0 0 1 ，v 0 1 1 3 ，p 4 8 7 ， 【2 2 p s h u a n ga n dj n i ， a n g l em e a s u r e m e n t b a s e do nt h ei n t e r n a l - r e f l e c t i o n e f f e c t u s i n ge l o n g a t e dc d t i c a l - a n g l ep d s m s 。”a p p l o p t ，1 9 9 6 ，3 5 ( 1 3 ) ， 2 2 3 9 - 2 2 4 1 【2 3 k j k a s u n i c ，“c o m p a r i s o n o fk r e t c h m a n n - r a e t h e ra n g l a rr e g i m e sf o r m e a s u n n gc h a n g e s i nb u t kr e f r a c t i v ei n d e x ，”a p p l o p t ，2 0 0 0 ，3 9 ( 1 ) ，6 1 6 4 7 第二章内反射原理 反射现象是最基本的一类光学现象。在一定的条件下，反射光的空间强度和 频谱成分都会受到反射结构参数的影响和控制，同时反射光也携带上了结构本身 的信息。 2 1 反射现象 2 11 简单反射【1 1 光通过两种不同的介质时，发生反射和折射现象。反射光与折射光是由以下 过程所产生的：光透射到第二介质的一个薄层内完全地被吸收，透射的薄层厚度 称为透射深度。被吸收的能量激起该介质内分子或原子电矩的受迫振动，产生瑞 利散射。散射出来的瑞利次波相干的结果。在特征方向上给出极大值，这就是所 观察到的反射光与折射光。因此，透射是第一性的，反射和折射是派生的，是第 二性的。当光从光密介质射向光疏介质，而入射角大于临界角时，所出现的全反 射并不是真正的“完全”反射。首先光必须透射，在不同的条件下，具有不同的 透射深度；其次，全反射出来的光，在不同的条件下，经历着不同的相位突变和 偏振变化。由此可见，光的反射与折射具有深刻的物理内容，它是光与界面物质 相互作用的结果。 图2 1 折射率为n 1 和”2 的两介质问的分界面 f i g 2 - 1t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt w od i e l e c t r i c s 考虑图2 - 1 所示的一分界面，其两侧的折射率分别为n ，和n ：( n ： n 。) 的两 种无损耗、各向同性的均匀介质。由n ，介质向分界面入射一相干光波，其波阵 兰生! 垫墨查型堂丝兰丝丝苎 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 面法线与分界面法线成01 角。一般说来，具有复振幅a 的光在分界面上，一部 分被反射，一部分被折射。根据斯奈尔( s n e l l ) 定律，折射光的出射角0z ( 即 通常所说的折射角) 由下式给出： n 1s i n o , = n 2s i n 0 2 ( 2 1 ) 反射光具有复振幅b ，在分界面处它与a 通过反射系数r 成线性关系： b = r a ( 2 2 ) 反射系数的大小取决于入射角和光的偏振态，由菲涅耳公式给出。对t e 偏振( 即 电场垂直于波阵面法线和分界面法线构成的入射厩) ，则有 =一ni c o s 目1 - n 2c o s 0 2 = 焉剽筹黯仁3 ， 对于t m 偏振( 即磁场垂直于入射面) ，相应的公式为： r t m2 临界角0 。由下式给出 。：c o s o l n 。c o s 0 2 一n ；c o s 0 1 一开。i i 二；i 丽 n 2c o s 0 1 - i - n ic o s 0 2 ；c o s p i + 聍l 聆；一以? s i n 2 b s i n 口：” 疗1 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 日+ 图2 - 2 t e 模的相移m 作为入射角0 l 的函数的曲线图 f i g 2 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h a s es h i f to ft em o d ea n dt h ei n c i d e n ta n g l e 若01 0 。) ，则lr l = l ，于是发生光的全反射。这时，反射光产生相移，r 取复数，可写 为 r = 强p ( 一f 2 矿)( 2 6 ) q 兰墼塑塑兰丝兰丝丝 _ _ _ _ 一 因此可以从菲涅耳公式中推出与两偏振态对应的相移巾t e 和巾，。 其表达式分别为 喊= 警= t a n = 箸 一? s i n 2 0 i m n ，c o s 0 式中，p = k o n is i n o l ，ko = 2 n i l ，九是入射光的波长。 坦二垒i 、后；九? 一2 砰厅j 丽 虿1 l 历；f 矿 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 图2 2 画出了巾，。对入射角0 ，的依赖关系。从图中可以看出，相移从临界角 时的0 增加到掠入射角( 0 。= 9 0 0 ) 时的2 。当0 ，= 0 。时，曲线的斜率增至无穷 大；当0 ，= 9 0 。时，曲线的斜率为( 1 - n ；n ；) 。1 ”。十t m 的变化性质与之十分相似， 故不再重复。 2 1 2 多层介质薄膜结构 以上分析针对的是光通过两种不同的介质时，发生的简单反射和折射现象。 当薄膜结构比较复杂时，其反射情形又是怎样的呢? 以五层薄膜结构为例，考虑t m 模，如图2 3 所示， 设磁场分布为 图2 - 3 五层薄膜结构 f i g 2 - 3t h em u l t i - l a y e rs t r u c t u r e 兰丝墼塑兰型兰丝生一 h 。( 石) = a o e i “。+ b 。e l x p 彳p 。4 + b i p 讪“ 4 2 p 。一1 + b 2 e 一。2 。一。1 ( 2 9 ) a 3 e 1 。舻“一4 2 + b 3 e 一。4 ( 州+ 4 2 ) a 4 e 2 4 ( 。一4 1 4 24 3 ) 利用边界条件，即：h 。连续，上孕连续，有 。 s0 x 阵a o + b o 刮= a j + ：b 等j 。， 亿 上下两式相除有 所以 其中 当工= d l 时 做类似处理有 丽a o + b o = 等糟( 2 1 1 8 0 k ab ， 爿。一b ol1 1 b o ：! 鱼竺! 二! ! 竺! ! 墨! ! ! 兰! ! ! ! ! ! 皇! ： a o( q + 8 0 1 r 1 ) a l + ( 岛一8 0 k i ) b l a e - 4 2 + b 1 e 7 “4 ：，- - - - - - - - - - 一 彳p i x l d 2 9 1 e 一q 。l ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 4 暗 一h 呸 一 如 醍堕龟 l | 2 ) 4 = ! e 印 日 e b 蚺 + 一 a 即堕岛 ，j、1，【 呸一芝 + 一一 4 4盟啦 = 兰型塑堕塑兰丝型丝l 一 其中 x = d l + d 2 时 其中 鱼p m 州。： 彳 ! 垒! ! 二! ! ! ! ! 生! ! 垒! ( c 2 r l + q r 2 ) a 2 + ( 8 2 k + 6 l j f 2 ) b 2 一r 2 ) 曰2 ( 2 1 6 ) 垒! ! 二兰! 垒 f 2 1 7 ) c 2 i f 】+ q i c 2 f 爿2 p w ：畦+ 占2 e 叫”2 4 2 = a 3 + 岛 1 挚矿以喝e “一= 和吲 但侣 i 占，占1 墨p m 啦： 一 x = d l + d 2 十d 3 时 总括如下 一2 e 屹4 2 + 曰2 e 一b 4 2 a 2 。一2 一b 2 p 一一1 (esk2-&2ks)ls+(83r2+cs)bs= ( c 3 k 2 + e 2 c 3 ) 一3 + ( s 3 茁2 一占2 茁3 ) 曰3 s 3 k 2 - - - z s - 一l r - j 一 仫。i 忑i 口， 屯+ 乏 t 坐竺堡竺兰：三堕 呜8 3 “一b 8 “州3 岛颤 争2 删k 堕e 4 r 3 堂+ 8 3 k 42 4 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 拿：w “q 如 ( 2 2 5 ) 一4 1 2 生4 一芝一4 + 一 亿 一h 糟堕晒 = 以 堕矗 = a = 靠 ， b 叫 也 一 曰 州 一 已 以 4 舻堕q ，：，l 兰型燮丝丝墼： 一 4 9 2e - i 2 r 2 d 2 _ 五f 2 3 + 历f 3 4 e i 丽2 t c s d 3 = s 。 ( 2 2 6 ) 爿，1 + 厂， 。p 一3 - 象嘞。e m 以 ( 2 2 7 ) 4 b le-i21qdl=落lr 1 2 r 2e ，。亿2 8 )4 + 3 4 “。 b 4 1 = ，i 2 3 4 “ ( 2 2 9 ) 鲁a=筹1r o1 1 2 3 4 e 一 亿3 。， n+l 4 1 反射率为： r 槲= l 1 ( 2 3 ，) 对于不同的多层薄膜及t e 模式的情况，完全可以用类似的方法求出反射系 数。据此设计的对任何一种棱镜薄膜结构的反射都可以进行数值模拟的软件及 其各升级版本，在实验室目前的科研中起着至关重要的作用。它们可以全面反映 棱镜薄膜结构反射现象的物理图象及各变量之间的内在联系，对理论和实验研 2 2 棱镜中的内反射 棱镜是光学领域