光学薄膜原理.ppt

光学薄膜的基本原理,参考文献,1、H.A.Macleod,ThinFilmOpticalFilters(2nd,3rded.),AdamHilger,Bristol,1986,20022.唐晋发、郑权,应用薄膜光学,上海科技出版社，19843.唐晋发、顾培夫,薄膜光学与技术,机械工业出版社,19894.林永昌、卢维强，光学薄膜原理，国防工业出版社，19905.李正中，薄膜光学与镀膜技术，台湾艺轩图书出版社，20016.顾培夫,薄膜技术，浙江大学出版社,19907.杨邦朝等，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社8.H.K.Pulker,CoatingsonGlass,Rlsevier1984,第一章：光学薄膜设计的理论基础第一节:电磁波及其传播第二节:单界面的反射和折射第三节:单层薄膜的传输矩阵第四节:多层薄膜的分析方法第二章：典型薄膜系统的设计第一节:增透膜(减反射膜)第二节:分光膜第三节:高反射膜第四节:干涉截止滤光片第五节:带通滤光片,光学薄膜的基本原理,光学薄膜的发展历史,-17世纪“牛顿环”-1817年Fraunhofer第一个化学AR膜-1930年扩散泵-1939年Geffeken第一个金属-介质干涉滤光片-1960年激光器诞生-1970年薄膜微结构的揭示-近年光通讯波分复用技术-国内长春光机所和浙江大学几乎同时于1957年开始光学薄膜研究-现在国内不仅有许多研究院所，而且有许多薄膜公司,技术力量不断增强、设备条件不断改善。,光学薄膜的基础知识1.电磁场理论2.光的干涉,薄膜在WDM技术中的应用DWDMFilter:Mux,Demux,OADM,OXC等M-WDMFilter:CWDM,Channelseparation等W-WDMFilter:光网控制，光插分，光放大等Interleaver:与DWDMFilter串接，提高复用度GFF:EDFA增益平滑截止滤光片:分离1310nm与1550nm,C-band和L-band,泵浦光和信号光等ARCoatings:各种透光元件反射镜:各种反射元件中性分束膜:泵浦光引入，信号监控等偏振、消偏振膜:分束，隔离等等,Applicationsofthinfilms(2)-inTFT-LCDProjector,薄膜在投影显示中的应用冷反光镜:灯泡、液晶板、薄膜偏振片、位相片隔热等偏振片:PCS、预偏和偏振器,特别是宽角宽波段PBS截止滤光片:白光分成R,G,B或合成彩色图像；修饰颜色；色轮等ARCoatings:各种透光元件,在TIR棱镜中的宽角AR膜反射镜:各种反射元件,在光管中的大角度反射镜消偏振膜:在Philips棱镜中的消偏振分色合色截止滤光片位相膜:补偿液晶板不同波长的相位差，提高对比度,光学薄膜的发展趋势,1.光学薄膜的理论巳趋成熟，重点是设备和制备技术及检测技术的提高2.新的应用开拓-象激光、光通讯等之类的重要应用3.各种功能的光电子薄膜及器件，如光源、调制、放大、接收、显示、传感器等4.从目前的一维薄膜向多维发展-光子晶体5.薄膜的微小化，集成化，功能化-MEMS,MOEMS,第一章光学薄膜设计的理论基础,第一节电磁波及其传播,光学薄膜基础理论,几个条件：工作波段：光学薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级薄膜的面积与波长相比可认为无限大薄膜材料各向均匀、同性薄膜材料为非铁磁性材料光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播,电磁波谱,薄膜的干涉,两束光产生干涉的条件：,频率相同,振动方向一致,位相相同或位相差恒定,薄膜的双光束干涉,单层膜的多光束干涉,多光束干涉强度的计算原则上和双光束完全相同，也是先把振动迭加，再计算强度，差别仅在于参与干涉的光束由两束增加到多束，至于计算方法则以采用复振幅最为方便。,Maxwellsequations,波动方程,折射率：refractiveindex,1.波动方程：在原点0:E=E0cost在p点:真空中E=E0cos(t-2x/)介质中E=E0cos(t-2Nx/)Nx-光程差用欧拉公式，另一种表示方法：E=E0ei(t-2Nx/)=E0e-i2Nx/eit(1)2.复折射率N:-磁场幅值与电场幅值之比H=N(kE)或若自由空间导纳取1，则光学导纳Y=N,0 xp,(2),折射率与导纳,Refractiveindex,3.坡印廷矢量(能流密度)S:单位时间通过单位面积的能量S=EH积分平均值：4.边界条件-切向分量连续E0tan=E1tan,E0itan+E0rtan=E1ttanH0tan=H1tan,H0itan+H0rtan=H1ttan,(3),(4),第二节单界面的反射和折射,a.垂直入射由切向分量连续：,(1),(2),(1)N1-(2)得振幅反射系数:(1)N0+(2)得振幅透射系数:,N0,N1,垂直入射时能量反射率和透射率:反射能量面积R=-=-=入射能量面积透射能量面积T=-=-=入射能量面积,N0,N1,史托克定律,设r,t分别为光由N0到N1的振幅反射系数和透射系数，r,t分别为光从N1到N0时的振幅反射系数和透射系数,(a)(b),(c)(d)(e),(b)是(a)的逆过程,(c)表示r入射，(d)表示t入射,(e)表示(c),(d)的总效果因(b)与(e)等同，故r2+tt=1(1)rt+tr=0,即r=r(2)(1),(2)叫史托克定律。,b.倾斜入射,p-,S-,N:Admittanceorindex:Amendedadmi.oreffect.index,倾斜入射时反射系数和透射系数:,由切向连续,切向反射系数:(1)1-(2):切向透射系数：(1)0+(2):,(1),(2),上述切向分量比还不是真正的反射系数或透射系数(倾斜入射时面积变化),反射系数:p-:s-:,透射系数:p-:s-:,倾斜入射时能量反射率和透射率:,小结,第三节单层薄膜的传输矩阵,(ei1=cos1+isin1,e-i1=cos1-isin1),H0=YE0,H2=2E2,称薄膜的特征矩阵,称膜层和基板的组合特征矩阵。,第四节多层膜的分析方法,1.导纳矩阵法,=(2/)ndcos,M=,=,m11=m22,real;m21,m12pureimaginaryM11m22-m12m21=1=(m21/m12)1/2M(,)s=M(,s),2.,E,HLH,HLHLHLH,0.5HL0.5H,M=,M11=M22且:|M|=1,等效折射率等效位相,设基本周期为:ABA,如果是q个周期,则等效折射率仍为E,位相为qg,长波通截止滤光片(0.5HL0.5H)p短波通截止滤光片(0.5LH0.5L)p等效导纳(H:2.35,L:1.45),G(0.5HL0.5H)10AG(0.5HL0.5H)10A,3.矢量分析法,条件：1.无吸收薄膜；2.忽略多次反射,什么情况下可忽略多次反射？双光束干涉与多光束干涉,其中：,上述公式可以用矢量合成技术来计算。,定义：矢量的模，r1,r2,r3正值指向原点，负值离开原点，矢量的夹角由膜层位相角的两倍决定，按逆时针方向旋转,薄膜的总反射系数为：,r1=-0.16r2=-0.16r3=0.07r4=0.04,n1=1.38,n2=1.9,n3=1.65,n4=1.52,n1d1=l/4,n2d2=l/2,n3d3=l/4,l=520nm,例:,4.导纳圆图分析法,Re,Im,n2/,n,n,nd=l/4,nd=l/4,nd=l/4,nd=l/4,实部:虚部:圆方程:园心和半径：,等相厚、等反射率、等反射相移,等相厚:等反射率:等反射相移:,n-膜层折射率,n0-入射媒质折射率,反射相移,实例1-低折射率膜,Im,Re,实例2-高折射率膜,导纳圆图及电场强度分布,E2=const/Re(Y)-Y越大,E2越小1.A|H|Sub,Re(Y),2.A|L|Sub,Im,4.薄膜的彩色分析,人眼对可见光各颜色的光感受能力不一样，550nm最为灵敏，780nm完全丧失感受能力。,三基色(R,G,B)及其应用,二色光混合也能变成白光，如紫光和黄绿光等。混合后可成白光的两种有色光称互补色。,紫光和红光比绿光反射高，所以绿增透膜，反紫红,色品图,CIE(国际照明委员会)规定用R(700nm),G(546.1nm),B(435.8nm)三种光谱色作为三原色匹配等能白光E任何颜色都可用色品图(x,y)表示M越接近光谱色品曲线，颜色饱和度越高,越接近E,饱和度越低MN两色的混合色在MN连线上PQ两色连线通过E点，叫互补色。380和770nm色品点的连线不是光谱色，而是其混合色的色品轨迹。,眼镜绿减反射膜彩虹膜Al-MgF2-Cr,小结,第二章典型薄膜系统的设计,单层AR,n1d=l/4,第一节：增透膜(减反射膜),要求反射极小，r0=r1,即21=,即n1d=/4(r0有-相移,r1有-相移+膜厚),入射媒质y0,新基板Ys=y12/ys,R=(y0-Ys)2/(y0+Ys)2,(1.0,(1.0,)2,)2,(1.0,(1.0,)2,)2,非规整厚度双层膜,固定折射率，变膜厚,r1,r2,r3,固定规则膜厚，变折射率,n0n1n2ns,n0n1n2ns,有二种方法得到零反射，但选薄解。,减反射膜,第二节:分光膜,1.中性分光膜2.偏振分光膜3.消偏振分光膜,中性分光膜例子：H:ZnS,L:Na3AlF6,金属中性分光膜,立方棱镜,立方棱镜偏振分光镜光谱特性,平板型偏振分光镜光谱特性,原理：对s,p有效折射率比不同应用:强激光系统,平板偏振片原理p,s分量有效折射率不同,G|(HL)10H|AG|(0.5HL0.5H)10|AnG=1.52nH=2.35nL=1.45,=56.5,消偏振分光膜介质,消偏振分光膜金属介质,G|1.18HAg(19.2nm)0.82L0.02M|AH:ZnS,L:MgF2,M:Al2O3G:K9,第三节:高反射膜,基本结构A/H(LH)p/sub.A/L(HL)p/sub.等四种,组合导纳:,从吸收损耗小的角度,应取高折射率为外层的膜系,A/H(LH)p/sub.A/L(HL)p/sub.,反射率和透射率,(当a1时),反射带宽：,2.3/1.38,带宽公式推导,对称周期:,M11=M22=cos1截止带M11=M22=cos1透射带M11=M22=1截止边缘,非对称周期:,M11M22,(M11+M22)/21截止带(M11+M22)/21透射带(M11+M22)/2=1截止边缘,1-g11+gg=0/,不同材料组合的反射带宽,全介质高反射膜,问题一：反射带的展宽方法1,StackA:G|(HL)pH|AStackB:G|(HL)pH|AStackC:A+B:G|(HL)p|(HL)pH|A,(a+b)/2=3=(1+2)/2,反射带的展宽方法2,2:1高级次膜堆+1/4波堆ex.G|(2LH)p|A+G|(LH)p|A在nH/nL=2.0时可以无次峰。,反问题反射带压缩,1.采用高级次膜系:G|(3H3L)p3H|A,2.减少nH/nL比问题：1.层数增加;2.膜料匹配困难;3.信号变化小膜厚控制困难;4.中心波长要正确。,问题二：周期反射膜反射带位置,任何周期膜系都存在反射带和透射带，出现反射带的条件1:基本周期的膜厚之和为0/2整数倍。即nidi=g.0/2(g=1,2,3)条件2:|t|1,即T1,当周期增加，T0,为反射带;|t|=1,即T=1,当周期增加，T=1,为透射带。例1：G|(HL)P|A条件1:nidi=0/4+0/4=0/2g=1.2.3,4,5可能出现反射带条件2:除去T=1的透射带：g=2,4(因g=2相当于2H2L全为虚设层)故反射带为g=1,3,5,7(1060nm,353nm,212nm)例2：G|()p|A条件1:nidi=4/30/4+2/30/4=0/2g=1.2.3,4,可能出现反射带条件2:除去T=1的透射带：g=3,6,9(相当于全为虚设层)故反射带为g=1,2,4,5(1060nm,530nm,265nm)例3：G|()p|A,反射带为g=1,2,3,5(1060nm,530nm,353nm),问题三：减小光学损耗吸收和散射,Typicalbulkmaterialsloss=1db/km,i.ek=2x10-11at=1000nmTypicalthinfilmsk=10-5at=1000nmCausesStoichiometricalcompositionduringevaporationDecompositionbecauseofwaterpenetrationInnersurfacescattering(volumescattering)Outersurfacescattering(surfacescattering)CalculationGivenNH=nH-ikHandNL=nL-ikL,tocalculateA.,G|(HL)pH|A:G|(HL)p|A:,高反射膜中的驻波场分布,波堆最佳膜堆,G|(HL)pH|A的损耗约为G|(HL)p|A的1/3,G|(HL)pH|A的损耗可下降1/3-1/4,金属反射膜,金属反射膜的反射率,垂直入射:倾斜入射:,n越小越好，k越大越好,麻烦:cos1是虚数。,三种金属膜的特性和工艺,制备工艺,高的真空度高的真空度一般要求低基板温度低基板温度快蒸快蒸,增强反射镜,基本要求,长波通,短波通,第四节:干涉截止滤光片,基本结构,A/(0.5HL0.5H)p/G,A/(0.5LH0.5L)p/G,长波通,短波通,R曲线包络:,在截止区，E=0orFornH=2.35,nL=1.45g=0,E=E=1.84g=2,E=2.99E=1.14,等效导纳(H:2.35,L:1.45),问题一：通带波纹的压缩,n0EEE”ns,基本思想:,由于单层膜只有一个零反射点，故常用多层膜或相同的基本周期匹配。,1.变厚度法：G(0.5LH0.5L)12AG1.19(0.5LH0.5L)(0.5LH0.5L)11AnG=1.52,nH=1.9,nL=1.46,0=800nm,匹配设计的例子-以短波通为例,2.变折射率法:,G(0.5LH0.5L)12AG(0.5LM0.5L)2(0.5LH0.5L)10AnG=1.52,nH=1.9,nL=1.46,nM=1.64,0=800nm,G(0.5LH0.5L)12A上述膜系经约1分钟优化的结果，效果显著,3.,问题二：截止滤光片的斜入射,S，P偏振光的光谱特性分离,(a).短波通G15A(b).长波通G15A截止滤光片的分光透射率曲线,倾斜入射时的光学导纳,入射媒质为1.0入射媒质为1.52,1.斜入射时s-分量反射带增宽，p-分量减小；2.较高的导纳比，有利减少偏振分离;3.1.52的媒质入射偏振比1.0的媒质大,方法1：选择适当的薄膜材料,膜系G(HLH2L2H2LHLHL)9A在45角入射时s-和p-偏振分量的分光透射率曲线,初始膜系G(HLH2L2H2LHLHL)9A构成的(a).长波通和(b).短波通消偏振截止滤光片,方法2：设计消偏振截止滤光片,顾培夫等，光学学报，25(2),274,思想：将宽通带滤光片的间隔层乘上不等于1的系数即失谐，使某个过渡边缘重叠。ThelenA.AvoidanceorenhancementofpolarizationinmultilayersJ.J.Opt.Soc.Am.,1980,70(1):118-121ThelenA.NonpolarizingedgefiltersJ.J.Opt.Soc.Am.,1981,71(3):309-314,方法3：消偏振截止滤光片的另一种设计方法-用失谐滤光片概念来设计消偏振截止滤光片,问题三：通带展宽-,1).任何周期膜系都存在反射带和透射带，出现反射带的条件1:基本周期的膜厚之和为0/2()整数倍。即=i=k(k=1,2,3)条件2:除去|t|=1,即T=1的透射带,即满足,为正整数,对1：即除去:,为正整数,级次越高，反射带越接近：,1+1:g=1,3,5.2+1:g=2/3,4/3,8/33+1:g=1/2,1,3/2,5/2,G(HL)8H1500,500,300nm,G(2HL)82H2250,1125,562nm,G(3HL)83H3000,1500,1000,600nm,0=1500nm时的计算结果,出现反射带的条件1:基本周期的膜厚之和为0/2()整数倍。即=i=k(k=1,2,3)条件2:除去|t|=1,即T=1的透射带,即满足,为小数,对1：即除去:,乘以最小公倍数而得到的正整数，如,通带展宽-为小数,例:(0.75H1.25L),除去故反射带为g=1-7,透射带为g=8,结论：1.二种材料不可能展宽透射带;2.交换，反射带位置不变;3.值越大，反射带越靠近。,Thelen提出：要展宽通带必须用三种以上材料,其设计思想是:在材料C两侧设计双层减反膜AB,得到二个减反波长/2,/3,则基本周期为AB|C|BA,若要三个波长减反射(/2,/3,/4),则要4种材料，对D二侧设计3层AR膜:ABC|D|CBA,当D膜厚=0时得基本周期AB2CBA,2).,HL堆Rugatefilter,第五节:带通滤光片,F-P滤光片的基本结构,窄带滤光片的特性,1.透过率的极大值位置：2.中心波长透过率：,3.半宽度,问题一：提高陡度多腔滤光片,窄带滤光片:Sub|HLHLHHLHLH|Sub消去半波间隔层:Sub|HLHLLHLH|SubSub|HLHHLH|SubSub|HLLH|SubSub|Sub即中心波长的反射率为0，透射率为1。入射媒质是空气，膜系为:Air|HLHLHHLHLH|Sub消去虚设层为:Air|Glass反射率为:R=(y0-ys)2/(y0+ys)2=4.2%膜系为:Air|LHLHLHHLHLH|Sub透过率增加到99双腔滤光片:Sub|HLHLHHLHLHLHLHLHHLHLH|Sub消去即为:Sub|L|Sub须加上L层:Sub|LHLHLHHLHLHLHLHLHHLHLH|Sub透射率为1。,问题二：提高通带透射率-波长规则利用,利用匹配层的设计,失匹产生兔耳朵次峰经导纳匹配两测加多层AR,