「介质膜系及其应用（高级课件）」.ppt

第2章介质膜系及其应用 1 优质课件 教学内容 教学目的和要求 减反膜高反膜中性分束膜截止滤光片带通滤光片偏振分束膜消偏振膜 作用应用背景设计基础结构特点 了解常用膜系的应用背景 掌握其光学特性 结构特点及其设计的基本知识 为以后发展打下基础 2 优质课件 补充 光学膜系基本知识 膜系分类 设计波长 参考波长 中心波长 各层膜的光学厚度为设计波长四分之一的整数倍 有一层薄膜的光学厚度不是设计波长的四分之一整数倍 3 优质课件 一般可以表示为 G xMyHzL AS xMyHzL A 膜系表示方法 其中 G代表基底 也可以用S表示基底H L M 代表高 低 中 折射率膜层A代表入射介质 一般为空气 x y z表示各层膜厚度为 4的倍数 备注 当x y z全为整数时则为规整膜系当x y z之一为非整数时则为非规整膜系 4 优质课件 G M1 8HL A 膜系表示实例 G MH A G 2MH A G M2HL A G M1 8H A G 1 8MHL A 5 优质课件 2 1减反射膜 增透膜 减反膜的作用 减少介质间界面反射 一 作用和应用背景 2 加剧光学系统的杂散光干扰 加大系统噪声 一般情况下界面反射的危害 1 引起光学系统的光能量损失 3 在高功率激光系统中 界面反射可能引起反激光 损伤光学元件 6 优质课件 色中性好 膜系的透过率与波长的关系曲线比较平坦 减反膜的关键技术指标 透过率 透过率越大越好 或者反射率越小越好 应用 为减少光能损耗 提高成像质量 照相机 电视机 显微镜等等中的光学镜头都镀减反膜 为尽量减弱反激光 高功率激光系统中的透射光学元件表面也镀减反膜 7 优质课件 单层减反膜和多层减反膜 分析 n0 n1越接近 表面反射率就越低 eg 对于从空气入射介质场合 n0 1 n1 1 44 1 92 R 3 25 10 在可见和近红外区 在红外区域 硅和锗基底 R 31 光垂直入射一光学界面 二 常见的减反膜的结构 1 单一界面反射率 8 优质课件 在入射界面上镀一层低折射率 n0 nf ns 的膜层减少反射率 分析 反射率为零的条件为 典型的单层减反膜的R 曲线呈V型 存在一个谷底 在此波长处具有最小反射率 2 单层减反射膜 9 优质课件 单层减反膜理论上只能在一个波长处实现零反射率所以色中性差 即反射率的波长相关性强 影响成像系统的色平衡 实际上 满足条件的光学玻璃并不存在 很难实现零反射 剩余反射率不理想 常用的薄膜最低折射率材料氟化镁 1 38 单层减反膜的讨论 10 优质课件 为改善单层减反膜的不足 色中性差以及很难实现零反射 提出双层减反膜的设计 具体结构有 1 双层 4膜堆2 2 4膜堆 3 双层减反射膜 1 双层 4膜堆 11 优质课件 G L A变成G HL A可以实现零反射 但不能克服色中性差的缺陷 R 曲线呈V型 通带越来越窄 和单层膜比较 适用与工作波段较窄的场合 G HL A1 52 1 7 1 38 1 单层减反射膜G L A1 52 1 38 1 G L A1 52 1 38 1 12 优质课件 G 2HL A膜系 基质 2膜层 4膜层 空气 膜系反射率为 2 2 4膜堆 13 优质课件 1 反射率在参考波长处与 2膜层光学参数无关 等价与一单层减反膜系 2 R 曲线呈W型 2膜层在偏离参考波长处影响膜系的反射率 在参考波长两侧可望得到反射率的极小值 膜系特点 14 优质课件 1 在参考波长处反射率较双层 4膜堆高 2 该波长两侧R 曲线较平坦 色中性较好 两种膜系比较 15 优质课件 目前大多采用的三层膜结构为G M2HL A 更多层的膜系大多是以此为雏形发展而来的 1 能提高参考波长处的反射率但色中性差 双层 4膜堆 2 改善膜系的色中性但无法改善膜系中心波长反射率 2 4膜堆 多层减反膜系 4 多层减反射膜 多层减反膜系结构 双层减反膜缺点 16 优质课件 G M2HL A母膜系特性 17 优质课件 选定中间层 外层膜与入射介质及内层膜与基底等效为两个界面 其振幅反射系数和反射率分别为r1 r2及R1 R2 处理方法 18 优质课件 1 m 时 m为整数 sin 0 T Tmax T0 2 R1 R2时 T0 1 3 如F 1和T0 1 T 在1 1 F 之间 4 当T0 1 Rmin 1 T0 Rmax 1 T0 1 F 注 0中心波长 计算波长 分析 19 优质课件 例题1三层增透膜的结构参数为 求在参考波长处的反射率和透过率 上等效界面 空气 4膜层 n1 组成 2膜层 n2 相当于基底 第一步 以中间 2膜层为选定层 求其上下两个表面的等效反射率 下等效界面 基底 4膜层 n3 组成 2膜层 n2 相当于基底 20 优质课件 求上等效界面的等效反射率R1 同样下等效界面的等效反射率R2为 折射率为n1的 4膜层的特征矩阵 21 优质课件 第二步 求以上下两表面反射率分别为R1 R2的 2膜层等价透过率 22 优质课件 当波长偏离参考波长时 R1和R2的值发生变化 如图所示R1和R2与波长的曲线无交点 整个膜系透过率T曲线呈V型 注意 23 优质课件 如果n3的折射率变为1 62 其它不变 则在参考波长处R1值不变 R2值变为0 00733 1 在参考波长两侧各出现一处R1 R2 整个膜系在该两处反射率为0 透过率最大 100 2 反射率曲线呈W型 分析 24 优质课件 1 通过调节间隔层的厚度 等价于调节等效相位厚 调节反射率最小的波长位置 2 改变第一层或第三层的厚度可以改变R1和R2对波长曲线的水平相对位置 等价于调节等效相位厚 1 2 其结果是改变低反射光谱的宽度以及整个膜系的反射率 3 利用不同的折射率n1 n3可改变R1和R2的相对大小 结论 25 优质课件 1 以G M2HL A膜系为初始膜系 将目标设计指标输入膜系设计软件 将膜层厚度和折射率作为可调整的变量 由计算软件自动给出优化设计 简单 但经常无法满足要求 多层减反膜的设计 2 以G M2HL A膜系为初始膜系 将目标设计指标输入膜系设计软件 将膜层的折射率作为固定值而将膜层的厚度作为可调整变量 同时允许计算机在三层结构无法满足要求时增加膜层数 替代层 直至满足要求为止 可能会出现层数很多 膜层很薄的现象 26 优质课件 等效定律任意一个周期性对称膜系都存在一个单层膜与之等效 等效折射率就是基本周期的等效折射率 等效相位厚度等于基本周期的等效相位厚度的周期数倍 常用替代层 三层对称ABA结构 27 优质课件 二个独立方程五个参数 三个膜层厚度 两个材料折射率 一般处理方式为1 先选材料 即膜层折射率nA nB 2 根据方程求出膜层厚度 膜层特征矩阵等效 28 优质课件 1 优化出一个可以达到目标的最少膜层的 4膜系结构 2 用三层对称膜系合成折射率不易实现的膜层 3 再次优化膜层厚度 以补偿合成所带来的特性下降 宽带减反膜的设计步骤 29 优质课件 高折射率基底的减反膜 红外光谱区 常用红外基底材料 硅 n 3 5 锗 n 4 0 碲化铅 n 5 5 砷化镓 n 3 3 砷化铟 锑化铟等 常用增透膜材料 一氧化硅 8 m及红外第一和第二大气窗口3 5和8 14 m 硫化锌 2 16 m 以及氧化钇 氧化钪等 红外减反膜设计规则 遥减法1 所用膜层厚度均为 4膜厚 2 规定各膜层折射率从基底材料折射率开始逐渐递减排列 3 如果满足条件 30 优质课件 总结 1 掌握减反膜的作用及应用 2 掌握减反膜结构及其计算方法 3 了解减反膜设计的基本思路 就可在下列k个波长处实现零反射 31 优质课件 2 2高反射膜 一 作用和应用背景 例如 反射镜的作用改变光的传输方向 作用 增加介质间界面反射 旨在减少损耗 应用场合 所有需要改变光传输方向的地方均会用到 高反射膜分类 介质高反射膜和金属高反射膜 32 优质课件 二 介质高反射膜 介质反射膜的特点 1 反射率高 99 99 2 性能稳定3 不易受损伤4 对入射角敏感5 带宽窄 1 多元件复杂光学系统2 激光谐振腔3 高功率激光4 不要求宽带的场合 介质反射膜应用场合 介质高反射膜指标 反射率和带宽 反射率越高越好 带宽越宽越好 单层高反射膜 多层高反射膜 周期膜系 非周期膜系 33 优质课件 1 单层介质高反射膜光学特性 当薄膜膜层光学厚度为 4 光波垂直入射 34 优质课件 注意 n1 ns 膜层起增反作用 1 在低折射率的基底上沉积一层高折射率的薄膜 可以有效地提高反射率 2 但单层膜可实现的高反射率一般不会超过50 Eg 35 优质课件 2 周期性多层膜堆的光谱特性 G H LH S A形式 G HL SH A形式 表示方法 或者G L HL S A 形式 G LH SL A形式 在基底G上镀了2S 1层薄膜 其中包含S个LH双层薄膜 且每层薄膜光学厚度均为 4 36 优质课件 以G H LH S A形式 G HL SH A形式为例分析 2S 1层薄膜等效光学导纳 反射率 37 优质课件 分析 理论上 nH nL越大 膜层数 2S 1 越多 反射率越高 相对波数 注意 1 膜层数增加到一定数量时 反射率不再增加 这是由于材料吸收 散射等因素的影响 2 反射带宽内 膜层数增多 虽然反射率增加 带宽不变 反射带宽外 反射率随波数出现明显的振荡 38 优质课件 39 优质课件 周期性膜堆 LH s的高反射带 位置 S个LH膜系的总特征矩阵为 每个LH膜组合的特征矩阵为 如果 L H 则 40 优质课件 重要结论 的波长 位于高反射带内 高反射带以g 1 3 5 为中心的一系列波数区间 的波长 位于高透射带内 高透射带以g 2 4 6 为中心的一系列波数区间 的波长 是高反射带与高透射带的拐点波长 即 截止波长 满足 41 优质课件 H LH S周期性多层膜的光谱特性 a 在波段 高透 高反带相间周期出现 在波段 不再有高反带出现 透 反射光谱是波数的周期函数 b 高反带中心波数为1 3 5 高透带中心波数为2 4 6 42 优质课件 周期性膜堆 LH s的高反射带 宽度 分析 按照结论3 当的波长是高反射带与高透射带的拐点波长 即截止波长 设截止波长为 e 对应的相位厚为 e 则 43 优质课件 44 优质课件 1 当膜料一定的情况下 所有高反射带的波数宽度相等 2 高反射带波数宽度仅仅与构成多层膜的折射率比有关 nH nL越大 g就越大 高反射带宽越宽 分析 45 优质课件 3 波数g表示的高反射区 当s层薄膜的厚度均为时 在g 1时 反射率最高 复习 第一章中若一个膜系中k层膜的厚度均为 各层膜的特征矩阵为 46 优质课件 等效光学导纳均为 其反射率均相同 结论 与g 1时反射率相同 且均取极大值 g 2k时 反射率取极小值 透射率取极大值 47 优质课件 高反射率区间 1 用波数表示 1 g 3 g 5 g 可以写成统一的公式 2k 1 g 分析 1 各个高反射带宽具有相同的波数宽度 2 g 2 波长宽度不等 3 波数越大 对应的波长宽度越窄 48 优质课件 注意 1 G LH S A膜系高反带中心波长的反射率R 由等效光学导纳公式 求出 反射率 49 优质课件 G LH S A膜系与G H LH S A对比 G LH S A G H LH S A 说明 由于工艺原因 实用的高反射膜系G H LH S A 其与G LH S A膜系有完全相同的通带 高反射带和带宽 只是中心波长处的反射率稍有差别 50 优质课件 非等厚周期膜系 增加带宽 非等厚周期膜系出现反射带的条件 即基本周期的各层薄膜的光学厚度之和是中心波长的1 2整数倍 下标i代表基本周期中第i层薄膜 是可能出现的反射带的中心波长 注意 但这个条件不是充分的 如果膜系满足上述条件 但各个膜层的光学厚也是 2的整数倍 那么各个膜层就变成虚设层 整个膜系都形同虚设 定律 任意周期性膜系都存在反射带和透射带 对于每个周期都有 51 优质课件 分析 含有m个双层薄膜即周期数为m 周期内双层薄膜的厚度不相等 且 出现反射带的中心波长必须满足 如果周期内的每一层膜光学厚度满足 时膜系为虚设层 52 优质课件 1 1 4波堆的高反带对于g 1 2 3 呈对称的 而非等厚的周期膜系不一定具有对称性 2 对于相同的折射率材料 1 4波堆的反射带宽比任何非等厚的周期膜系的宽度大 等厚周期膜相对非等厚周期膜优点 3 对于给定的膜层数 折射率值以及给定的干涉级次 1 4波堆具有最高反射率 53 优质课件 高反射带的展宽 解决带宽不够的问题 高反射带的波数宽度仅仅与构成多层膜的折射率比关 Eg 可见区材料折射率1 35 2 6 红外区材料折射率 6 为了突破材料折射率对带宽的限制 加宽反射带宽 可以采用两种方法 54 优质课件 使各膜系的光学厚度形成规则的递增或递减 其目的是使相当宽的波段区域内任何波长光都具有足够多的膜层 其光学厚度均十分接近 4 所以这些光有足够高的反射率 各膜层的厚度可以成等差数列也可以成等比数列设计 方法一 算术级数递增 q层 几何级数递增 q层 55 优质课件 方法二 将两个或多个中心波长不同的 4多层膜堆联合叠加使用 若每个膜堆都由奇数层组成 且最外层的折射率相同 那么叠加之后将在展宽了的高反射带中心出现一透射峰 注意 56 优质课件 为 的整数倍时 sin 0 透射率达到最大值 T0 且R1 R2时 T0 1 在各自的中心波长处均为 且 0 即中间层消失 则透过率恒等于1 将两个多层膜叠加在一起 使其特征曲线在两个监控波长的平均值处相交 则在平均波长处始终存在一个透射率峰值 57 优质课件 58 优质课件 1 在两多层膜的中间加入一层厚度为 4平均波长的低折射率介质膜 2 两个中心波长不同的对称周期膜堆的组合成单一膜堆 消透射峰方法 59 优质课件 G 0 9 H LH 4 1 1 H LH 4 A 60 优质课件 G 0 9 H LH 4 L1 1 H LH 4 A 61 优质课件 倾斜入射的高反射带 全介质高反膜系用于斜入射时 其反射特性改变 反射波段和反射率也有所变化 反射特性改变两个原因 1 斜入射导致光学厚度的改变 2 膜层的等效光学导纳和入射光的偏振态有关 62 优质课件 1 S光和P光的反射带宽不等 2 S光和P光的反射带往短波方向移动 3 S光的反射带宽比P光的反射带宽宽 63 优质课件 64 优质课件 金属反射膜的特点 金属反射膜的常用材料 三 金属高反射膜 1 反射带宽比较宽 2 对入射角不敏感 3 反射率比较低 4 容易受损伤 1 铝膜 2 银膜 3 金膜 4 铜膜 65 优质课件 铝膜 从紫外到红外都有较高的反射率 88 牢固 稳定 铝膜表面在大气中能生成一层薄的氧化铝膜 保护层材料 氟化镁或氟化锂 紫外 一氧化硅或氧化铝 可见和红外 66 优质课件 银膜 在可见光区和红外区都具有高的反射率 95 光波在倾斜入射时引入的偏振效应较小 与玻璃基片的黏附性很差 同时易受硫化物的影响而失去光着 故使用寿命较短 保护层材料 一氧化硅 抗潮气 和氧化铝组合 67 优质课件 金膜 在红外区具有高的反射率 95 与玻璃基片的黏附性差 常用铬膜作为衬底 用离子束轰击辅助可提高金膜和玻璃基质的附着力度 强度和稳定性都比银膜好 不能擦洗 68 优质课件 在金属高反膜表面镀介质膜 其作用为 四 金属 介质高反射膜 1 对金属膜层起到保护作用 在金属层和基质之间增加与金属层和基质之间都有较好附着能力的过渡层 在金属膜层表面加镀高硬度透明膜层 2 提高反射率 但减少了带宽 在金属膜层表面加镀 LH S膜堆 99 69 优质课件 金属膜层折射率 则光垂直入射到金属薄膜时 其反射率为 在金属薄膜层表面镀上膜堆 此时反射率 70 优质课件 2 3中性分束膜 2 3 1金属分束镜2 3 2介质分束镜2 3 3偏振分束镜 71 优质课件 利用斜入射的偏振效应实现光的中性分束 1 中性分束镜原理及定义 原理 在一定的波长区域内 对各波长具有相同的透过率 反射率比 因而反射光和透射光呈中性 中性分束 72 优质课件 1 在透明平板上镀膜 平板分束镜 2 常用中性分束镜结构 常见两种形式 2 把膜层镀在45 直角棱镜斜面上 再胶合一个同样形状的棱镜 构成胶合立方体 棱镜分束镜 73 优质课件 平板分束片 结构简单 装调方便 但引入像散 膜层暴露在空气中 易被腐蚀和损坏 两种棱镜的比较 棱镜分束器 不引入像散 膜层不暴露在空气中 不易被腐蚀和损坏 对膜层材料的机械和化学稳定性要求较低 结构也稍复杂 偏振效应比较明显 应用 常应用在中低级光学装置上 应用 常应用于性能要求较高的光学系统 74 优质课件 说明 1 平板分束镜 棱镜分束镜能够分束的原因均是因为镀了一层薄膜 2 薄膜的要求 在一定波长区域内 反射率几乎不变 即反射透射比一定 常用中性分束镜分类 金属分束镜 介质分束镜 75 优质课件 2 3 1金属分束镜 1 色中性好 在很宽的光谱范围内都能实现以近似同样的分束比工作 1 特点 2 入射光的偏振态对分束比的影响没有介质膜中性分束器敏感 3 吸收严重 吸收损耗接近三分之一 4 使用时具有方向性 吸收膜分光镜的透过率与入射光的方向无关 但反射率与入射光的方向有关 从空气一侧入射具有较高的反射率 注意 正确安装 见图3 50 76 优质课件 最常用的是镍铬合金 其特点为在很宽的光谱范围内 0 24 5 m 都能实现色中性分束 化学性能和机械性能都很好 2 金属分束镜中金属膜层材料 银 在可见区吸收最小 但色中性较差 在光谱的蓝色端反射率下降 化学性能和机械性能都不好 一般仅用在立方胶合棱镜中 铬 化学性能和机械性能都很好 色中性比较理想 在可见光区 长波端的反射率比短波端高出10 其它有铝 锗 铀等 77 优质课件 G Ag 5nm A 78 优质课件 G Cr 15nm A 79 优质课件 G Cr 16nm Ni 6nm A 80 优质课件 方法 吸收与周围介质有关 通过改变周围介质是吸收损失减小 eg 在铬膜和基片之间插入一层 4的硫化锌膜 3 金属分束镜吸收损耗改善 81 优质课件 G Ag 5nm A 82 优质课件 GlZnS Ag ZnSlA可见光的中性1 1分光 R T 90 厚度为 280 1 2 120 83 优质课件 1 分光效率高 无吸收 2 偏振效应明显 3 分光特性色散明显 1 单层膜系结构 2 3 2介质分束镜 1 特点 2 膜系反射率 在ng上镀一层 0 4的薄膜 在中心波长处的反射率 84 优质课件 对p分量 对s分量 对自然光的反射率 注意 单层介质膜的反射率在可见区较低 达不到50 85 优质课件 用周期性多层膜系 LH s 2 多层介质膜 平板分束镜 G H A G HLHL A或者G 2LHLHL A 棱镜分束镜 G HLH G G HLHL G G LHLHL G 86 优质课件 单层分光膜G H AG TiO2 A 平板型介质分束膜 87 优质课件 多层分光膜G HLHL A入射角45度 多层分光膜G 2LHLHL A 88 优质课件 a曲线膜系由两层 HL 最大反射率为 46 b曲线膜系比a曲线膜系多一层虚设层 呈M型结构 最大反射率为 50 中性特性比较好 分析 89 优质课件 棱镜介质分束膜 从空气 膜层 玻璃变为玻璃 膜层 玻璃 单层膜反射率更低 需用多层膜结构 基本的三层膜结构 色中性比较差 最大反射率为 53 90 优质课件 1 基于 0 4使膜系 使其在中心波长处的反射率约50 2 改进结构 提高两端光谱的反射率 曲线平滑 改变色中性 问题 怎样才能得到中性程度好 且R T 1的介质膜分束镜 方法 增加膜层数 逐步修改膜系 设计出特性良好地分束镜 设计步骤 91 优质课件 增加2H层可显著改善色中性 而增加2L层效果不大 92 优质课件 利用斜入射时光的偏振效应来实现50 50的中性分光 即反射分量是S分量 透射分量是P分量 1 偏振中性分光膜只适应于自然光和圆偏振光的中性分束 2 偏振中性分光膜分出的两束光 光强相等 但偏振状态不同 是两束振动方向互相垂直的线偏振光 因此 也将其称为偏振分光 束 膜 2 3 3偏振分束镜 原理 说明 93 优质课件 偏振中性分光膜 布儒斯特角原理 Rp 0的条件 所以有 又因为 消去 2 得Rp 0的入射角 1 B B叫布儒斯特角或偏振角 增加S偏振光的反射率 94 优质课件 对于偏振中性分束棱镜结构特点为 两块棱镜 布儒斯特角入射的膜层 膜层为布儒斯特角入射的 LH S膜堆 透射光为P光 反射光为S光 分束比与入射光的偏振态有光 只有对于自然光和y圆偏振光 分束比才50 50 棱镜介质分束器和平板分束片 透射和反射光均有P光和S光 而偏振中性分束棱镜透射光为P光 反射光为S光 95 优质课件 2 4干涉截止滤光片 96 优质课件 97 优质课件 截止滤光片某一波长范围的光束高透射 而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射 抑制 的波段选择截止滤光片 吸收型薄膜干涉型吸收与干涉组合型 分类 98 优质课件 利用多光束干涉原理 让某一波长范围的光束高透 而让偏离这一波长区域的光束变为高反的光学膜片 长波通滤光片 透射长波波段 滤掉短波波段 1 什么叫干涉截止滤光片 2 种类 2 4 1干涉滤光片概述 短波通滤光片 透射短波波段 滤掉长波波段 带通滤光片 让某窄光波段通过 滤掉此波段区以外的光束 99 优质课件 长波通滤光片 抑制短波波段 透射长波波段 100 优质课件 短波通滤光片 抑制长波波段 透射短波波段 101 优质课件 带通滤光片 让某窄光波段通过 滤掉此波段区以外的光束 102 优质课件 3 截止滤光片的特性参数 截止波长 高透射带的光谱宽度 平均透射率 最小允许透射率 反射带光谱宽度 平均反射率 最大允许透射率 过渡区曲线陡度 过渡区的波长宽度 103 优质课件 4 膜层特性介绍 干涉截止滤光片的基本膜系类型是周期性多层膜系 LH s 这类膜系的基本特征是一连串的高反带间隔以一连串的高透带 104 优质课件 1 并不能实现以某一波长为界 一侧高透 另一侧高反 没有任何膜系能实现 只是在某一有限的波段 实现以某一波长为界实现一侧高透 另一侧高反 既要关心它的反射特性 又要注意它的透射特性 2 同一种周期性的膜堆 LH s 也是既可以做短波通滤光片 也可以做长波通滤光片 3 高反镜 分束镜都是利用它的反射带 而滤光片是既用它的反射带 又用它的透射带 结论 105 优质课件 LH s 干涉截止滤光膜系设计的主要任务就是消除和减小通带波纹 106 优质课件 改进结构 在 LH S的两侧各加一个膜层 干涉截止滤光片的基本膜系结构 通带光学性能与 LH S具有相同的高反射带和高透射带分布 而且 高反射带的宽度也与 LH S的相同 多层膜系 LH S改造后成对称膜系基本周期 107 优质课件 1 对称多层膜系的性能 等效特性 等效定理 一个任意多层膜可等效于双层膜 具有对称结构的多层膜可等效于一个单层膜 注 a 等效界面 与任意多层膜组合导纳相对应 b 等效膜层 不含基底的多层膜与有确定折射率和厚度的介质膜相对应 c 等效 是数学的 也是光学效果的 108 优质课件 2 单层膜的特征矩阵 特征矩阵特点 1 对于无吸收介质膜 m11 m22均为实数 2 m12 m21均为纯虚数 3 m11m22 m12m21 1 109 优质课件 3 对称介质膜系的特征矩阵 以最简结构 pqp 为例 110 优质课件 对膜系 pqp 的特征矩阵也存在下列特征 1 对于无吸收介质膜 M11 M22均为实数 2 M12 M21均为纯虚数 3 M11M22 M12M21 1 因此 膜系 pqp 在数学上与一个单层介质膜等同 111 优质课件 4 等效折射率和等效位相厚度 设 pqp 的等效层的折射率为E 位相厚度为 可得 解得 由 112 优质课件 pqp m的等效层的折射率为Em 位相厚度为 113 优质课件 结论性说明 A 对称周期性膜系 pqp m的等效折射率和等效位相厚度与基本周期 pqp 的等效折射率和等效位相厚度的关系为 114 优质课件 5 通带和截止带的特性 以或为例 115 优质课件 截止带 高反射带 a 阻带出现在g 1 3 5 为中心的波段 b 阻带宽度c 阻带内 d 过渡区的曲线陡度随的增大 或周期数m的增加 而变陡 116 优质课件 通带 高透射带 a 通带出现在g 2 4 6 为中心的波段 b 通带内 其等效单层膜有 117 优质课件 显然 随波长的变化情况 将决定膜系通带内反射率随波长的变化特性 118 优质课件 119 优质课件 设计波长 550nm 膜系适合于短波通滤光片 膜系适合于长波通滤光片 120 优质课件 2 4 2 通带波纹的压缩 波纹 通带内的反射率极大值群 1 波纹产生原因 a 满足 波长点将出现反射次峰 b 反射次峰的大小为 121 优质课件 次峰的高低取决于值趋近于的程度 显然 反射次峰的出现 是由于位相耦合和折射率失配同时存在而造成的 反射次峰的大小为 122 优质课件 2 压缩波纹的方法 选取适当的对称膜系 使得在透射带内的等效折射率等于基质的折射率即使R1 R2 本质是选膜层材料 要求基片表面的反射损耗要小 但对于不同的基底不一定有合适的膜层材料 改变基本周期的膜层厚度 使等效折射率更接近于预期值 同样要求基片折射率要低 反射损耗小 这种方法可可见光可以 红外区损耗大 在多层膜的每一侧加镀匹配层 4层 使它与基质以及入射介质匹配 插入层相当于多层膜界面的减反膜 123 优质课件 方法三 n0E EE ns 基本思想 由于单层膜只可能一个零反射点 故常用多层膜或相似的基本周期匹配 减反射膜 124 优质课件 125 优质课件 2 4 3通带的展宽和压缩 方法 在不改变基本周期膜层总厚度的前提下 改变基本周期中膜层的厚度比 例 1 的通带出现在g 3 6 9 而高反带在g 1 2 4 5 的相邻区间 通带被压缩 2 只在g 1 5 9 处有高反带 其余全为通带 通带被展宽 126 优质课件 T 12345678 g T g 12345678 T g 12345678 127 优质课件 1 分色镜 彩色分光膜 三基色分色 消红 消蓝 2 宽带通滤光片 短波通 长波通 3 太阳能利用A 热镜 对阳光 0 35 3 m 高透过 对室温辐射 3 50 m 高反射 B 太阳屏 可见光0 4 0 75 m高透 热辐射 大于0 75 m 高反 4 CCD摄像系统中的红外截止滤光片 隔离红外噪声 2 4 4截止滤光片的应用 128 优质课件 2 5带通滤光片 129 优质课件 带通滤光片的特性参数 0 峰值波长 中心波长Tmax 峰值透射率 中心波长的透射率2 通带宽度 透射率为峰值透射率一半的波长宽度 2 0 相对宽度 130 优质课件 长波通 短波通这种结构得到的光谱特性是 可以获得较宽的截止带和较深的截止度 但不容易获得很窄的通带 所以常用于获得宽带通滤光片 带通滤光片的两种结构形式 F P干涉滤光片光谱特性是 可以获得很窄的通带 但截止带宽度通常也比较窄 截止度也不深 所以大多数情况下都需要配合使用截止滤光片来拓宽截止带和增加截止深度 131 优质课件 2 5 1F P干涉仪和窄带滤光片 1 F P干涉仪 由两个反射率为R1 R2 间隔为d的反射板组成 透射光强的空间分布为 其中 132 优质课件 2 全薄膜F P干涉仪 包括间隔层在内的所有功能元件全部由薄膜组成 例 G HL 82H LH 8G 全薄膜F P干涉仪与空气间隔的F P干涉仪的唯一区别 两反射板之间的间隔层厚度与波长同量级 即 Nd 133 优质课件 2 5 2基本原理和特性参数 窄带通干涉滤光片就是F P干涉仪 1 最大透射率 窄带通干涉滤光片的透射特性 其中 134 优质课件 影响T0的因素 a 如果 吸收和散射均为零 而且R1 R2 那么T0 1 b 如果 吸收和散射均为零 但是R1 R2 那么T0 1 135 优质课件 反射膜的不对称性对峰值透射率的影响 如果 吸收和散射均为零 但是 R1 R2 如果 R1足够小 则可以只取展开式的前两项 稍加整理即得 136 优质课件 反射膜不对称对法布里 珀珞滤光片峰值透射率的影响 137 优质课件 C 如果反射膜有吸收 散射损失 假定反射膜仍是完全对称的 用R12 T12和A12分别表示两反射膜的反射率 透射率以及吸收和散射损失 由于R12 T12 A12 1 峰值透射率可以写成 影响T0的因素 这说明 反射膜的透射率愈低或吸收 散射愈大 则峰值透射率愈低 138 优质课件 A S 0 5 R 98 8 Tmax 50 这也足以说明F P滤光片对膜层的吸收 散射损失是极其敏感的 对于金属 介质法布里 珀珞滤光片 由于金属反射膜的固有吸收 这种滤光片的峰值透射率不可能做得太高 一般以35 40 为宜 A S 1 R 98 8 Tmax 30 139 优质课件 2 通带中心波长 0 透射率极大值的位置 注意 a m是以 0 2为单位的间隔层厚度 b m也是该滤光片可产生的窄通带的个数 140 优质课件 3 通带宽度2 显然 a R1 R2越高 通带越窄 b 提高m数 增加间隔层的厚度 通带将变窄 但是 一般情况下m不大于4 141 优质课件 2 5 3不同膜系结构的带通滤光片 1 金属 介质 型G Metal4LMetal GG Metal4LMetal A a 在通带以外的长波区无透射次峰 b 通带较宽 c 中心透过率较低 d 制造工艺简单 特点 142 优质课件 K9 Ag 2 3nm MgF2 560nm Ag 2 3nm A 143 优质课件 2 全 介质单半波 型 G HL m k 2H LH m GG HL mH k 2L H LH m G 反射膜 半波间隔层 反射膜 特点 a A S很小 R1 R2很高 b 通带波形近似为三角形 c 通带两侧截止区很窄 d 制造工艺难度较大 144 优质课件 全介质滤光片的带宽 如果两个反射膜对称 而且反射率足够高 则 当层数给定时 用高折射率层作为最外层将得到最大反射率 所以 实际上只有两种情况需要考虑 即 145 优质课件 1 对于高折射率间隔层的情况 当层数足够多时 高折射率间隔层时的带宽 146 优质课件 2 对于低折射率间隔层的情况 当层数足够多时 高折射率间隔层时的带宽 147 优质课件 应当注意 在上述公式中 我们完全略去了多层反射膜反射相移的色散影响 认为在通带内它们是常数 并且其值为0或 实际上反射相移并不是常数 考虑到相移色散的影响 对于高折射率间隔层 对于低折射率间隔层 148 优质课件 全介质带通滤光片 单半波 G HLHLHLHLH2HL