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薄膜光学 典型膜系 光学薄膜的类型与符号 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 复习 薄膜光学 典型膜系 一种压缩波纹的简单的方法是选择合适的基本周期 通过改变基本周期内的膜层厚度 使其等效折射率变到更接近预期值 要使这种方法有成效 则要求光洁基片保持低的反射率即基片应有低的折射率 在可见光区 玻璃是十分满意的基片材料 但是这种方法不能不加修改就用于红外区 例如用于硅板和锗板 更常用的方法是在多层膜的每一侧加镀匹配层 使它同基片以及入射介质匹配 薄膜光学 典型膜系 带通滤光片 最简单的带通滤光片可以用一对前后截止滤光片来形成 但是需要将它们分别置于一块玻璃的两侧 或者说分别置于两个分离的光学界面上 为什么 薄膜光学 典型膜系 带通滤光片 金属滤光片全介质滤光片双半波 三半波全介质滤光片金属诱导透射滤光片 薄膜光学 典型膜系 最简单的薄膜窄带滤光片是根据法布里 珀珞多光束干涉仪制成的 干涉膜系按最初的形式法布里 珀珞干涉仪是由两块相同的 间距为d的平行反射板组成 如图 对于平行光线 除了一系列按相等波数间隔分开的很窄的透射带而外 其余所有波长的透射率都很低 这个标准具可以代换成一个完全的薄膜组合 两个金属反射层夹一个介质层 介质层取代间距d的位置 称为间隔层 法布里 珀珞标准具 薄膜光学 典型膜系 有效界面法 膜系1 2之间的膜层为选定层 厚度为d 则 考虑多光束干涉 透射系数 薄膜光学 典型膜系 用 替代整理 薄膜光学 典型膜系 得到 其中 薄膜光学 典型膜系 滤光片的主要参数 0 中心波长 或峰值波长Tmax 中心波长透射率 或 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 有时也用2 0表示相对半宽度 其它参数 薄膜光学 典型膜系 由公式 金属滤光片 形式 两层金属反射膜间夹一个介质层 当 透过率有最大值 薄膜光学 典型膜系 求通带半宽度 透过率由峰值下降一半 由 0变为 0 可以求得 薄膜光学 典型膜系 有时除半宽度外 还引入其他的带宽参量 如0 9倍峰值透射率处测得的带宽 0 1倍峰值透射率的带宽以及0 0l倍峰值透射率的带宽等 对于法布里 珀琅滤光片 如果在通带内来自反射膜的相位变化实际是常数的话那么上述带宽量度分别是 1 3x2 3x2 以及10 x2 这些量常用来说明任一给定类型的滤光片的通带形状以及接近于矩形的程度 薄膜光学 典型膜系 峰值透过率 当反射膜没有吸收 散射损失而且反射膜完全对称时 即T1 T2 1 R1 1 R2 R1 R2时Tmax 1 当两个反射膜完全对称 且有散射 吸收存在时 薄膜光学 典型膜系 在实际上存在吸收 散射的情况下 反射膜的透射率愈低 吸收 散射愈大 则峰值透射率愈低 例如T12 0 012 A 0 005 Tmax 50 左右 这时如果A增加至0 01则Tmax降至30 左右 这足以说明法布里 珀珞滤光片对膜层的吸收 散射损失是极其敏感的 薄膜光学 典型膜系 两个膜不对称对峰值透射率的影响 薄膜光学 典型膜系 薄膜光学 典型膜系 次峰的消除 短波的次峰一般用吸收玻璃来消除 如果使用高级次 则需消除长波次峰但是 长波吸收玻璃种类很少金属滤光片一般胶合使用 薄膜光学 典型膜系 薄膜光学 典型膜系 金属滤光片的带宽 级次越高 带宽越小 但是受到次峰和间隔层厚度限制反射率越高 带宽越小 但是受到吸收的限制 薄膜光学 典型膜系 全介质F B干涉滤光片 用全介质反射膜来替代金属反射膜得到全介质干涉滤光片 薄膜光学 典型膜系 假设两个反射板是对称的则 薄膜光学 典型膜系 如果考虑反射相移不是常数则需要加上一个修正系数 薄膜光学 典型膜系 由于全介质多层反射膜只在有限的区域是有效的 因此滤光片透射率峰值的两边会出现旁通带 在大多数应用中 必须将它们抑制掉 短波旁通带只要在滤光片上叠加一块长波通吸收玻璃滤光片很容易去掉 但是很不容易得到短波通吸收滤光片 有些可供利用的吸收滤光片虽然能有效地抑制长波旁通带 但因其短波方面的透射率太低 大大降低了整个滤光片的峰值透射率 解决这个问题的最满意的办法是干脆不用吸收滤光从而是把后面将要讨论的诱导透射滤光片作为截止滤光片使用 通常将构成最后的滤光片的三个组件胶合成一个整体 薄膜光学 典型膜系 多腔 半波 滤光片 简单的全介质法布里 珀珞滤光片的透射率曲线并不是理想的形状 可以证明 在任何级次的滤光片中 透射能量的一半是在半宽之外的 假定入射光束的能量随波长均匀分布 因此透射率曲线愈接近矩形愈好 在电学中 当多个调谐电路相耦合时 合成的频率曲线比单个调谐电路的频率曲线更接近矩形 对于法布里 珀珞滤光片也发现了相似的结果 薄膜光学 典型膜系 薄膜光学 典型膜系 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 薄膜光学 典型膜系 在双半波滤光片中可以看到 滤光片的结构为 介质反射膜 间隔层 介质反射膜 间隔层 介质反射膜 但是滤光片也可以是混合结构 例如用一层金属膜如银膜代替两间隔之间的介质反射膜形式如下 介质反射膜 间隔层 金属膜 间隔层 介质反射膜这时金属诱导透射滤光片的基本形式这种滤光片的最大好处 长波无次峰 透射率较高 金属诱导透射滤光片 薄膜光学 典型膜系 在双半波滤光片一节中可以看到 滤光片的结构为 介质反射膜l间隔层1质反射膜I间隔层l介质反射膜 但是滤光片也可以是混合结构 例如用一层金属膜如银膜代替两间隔层之间的反射膜则组成了介质反射膜 间隔层 金属膜 间隔层 介质反射腹这种组合滤光片 它和上述全介质双半波滤光片一样易于制做 只要设计正确 这种滤光片正是诱导透射滤光片 薄膜光学 典型膜系 薄膜光学 典型膜系 势透射率的概念 在膜系中包含金属层 且出射导纳Y x iz 对于包含吸收层的多层膜 诱导透射原理 薄膜光学 典型膜系 根据上面的定义 势透射率也是界面a和界面b的能流密度即坡印廷 Poynting 矢量模之比 由薄膜矩阵 最后可得 c0c1c2c3分别为膜层参数确定 xz是出射导纳的参数 薄膜光学 典型膜系 可见势透射率不仅与膜层参数有关还与出射介质有关 分别对 x z求偏导得到极值 最大时透射率与出射介质无关 薄膜光学 典型膜系 总结 含金属膜层的膜系势透射率与膜层参数 出射导纳有关最大势透射率与出射