光学薄膜技术-02光学特性.ppt

光学零件的反射率和透射率,光学薄膜技术,势透射率有吸收薄膜的反射、透射特性金属薄膜的光学特性光学零件的反射率和透射率,主要内容,复习,等效界面思想及其运用等效介质的等效光学导纳单层介质膜的光学特性多层介质膜的光学特性四分之一波长法则的运用,于是等价于单一界面的反射率,求出等效光学导纳Y就能计算R,等效成,等效界面思想：任意光学多层膜，无论是介质薄膜或是金属薄膜组合，都可以用一虚拟的等效界面代替，而且等效界面的导纳为，如图1所示。,等效界面思想,整个膜系的特征矩阵为,第j层膜层的特征矩阵,多层膜系的光学特性,（a）对于1/4波长膜层，有,相应的膜层的特征矩阵为,对于无吸收膜层，m11、m22为实数，m12、m21为纯虚数。且,多层膜系的光学特性,故对于整个膜系，有,几乎全部计算的基础,多层介质膜的光学特性,(b)对于1/2波长膜层，有,相应的膜层的特征矩阵为,对于该波长，膜系的特性参数与该膜层的特征矩阵无关（虚设层）。,j的值随着波长而变化，所以虚设层特性只针对某特定波长。,多层介质膜的光学特性,多层膜与基片的组合导纳可表示为Y=C/B。按照等效界面的反射率公式,多层膜和基片组合的反射率为,无吸收膜系透射率：,反射光的相位变化为,怎么得到的？,多层介质膜的光学特性,关于反射光相位变化,同时考虑,无吸收膜系透射率化简,无吸收膜系性能的不变性：膜系中的所有折射率同乘以一个常数，R、T、值不变；膜系中的所有折射率用其各自的倒数取代，R、T值不变，值变。,膜系的透过率与光的传输方向无关，不论膜系对光有无吸收。而对于反射率，有吸收膜的反射率与方向有关，无吸收膜的反射率与方向无关。（这里所指的方向只是指正反两个方向）,膜系等效定理：任意一个多层膜系都可以等效成两层膜；只有对称结构的多层膜系才可以等效成单层膜。（既是物理上的等效，也是数学上的等效。）,多层膜系光学特性,我们定义坡印廷矢量的平均值为光强度I,单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的能矢量S，称为坡印廷矢量，或称为能流密度，表示为：其中,所以有,表明电磁波所传递的坡印廷矢量与其振幅的平方以及所在介质的光学导纳的实部成正比。,坡印廷矢量与介质的光学导纳的关系,前面已经主要分析了介质薄膜的特性计算方法。下面简要分析包含吸收薄膜的膜系的反射和透射特性。原则上只要将折射率代之以复折射率n-ik，上述方法是同样适用的。,势透射率,首先引入势透射率的概念，所谓势透射率是从薄膜系统出射的能量与进入薄膜系统的能量之比值，即如图1所示。,图1薄膜系统的势透射率,根据坡印廷矢量的表达式，那么可得,可以得到：,直接代入就可以得到：,同时可得：,势透射率,有吸收薄膜的反射、透射特性,薄膜存在吸收，膜层折射率为复数，有,势透过率:一束透过膜层系统的光能量透过率T与进入膜系的光能量(1-R)之比。,由确定的光学常数和厚度的吸收薄膜层与不同的无吸收膜层组合成膜系时，其吸收A在变，R+T也变。,吸收A,R一定时，势透射率越大，膜系吸收A越小，实际透过率就越大。势透射率表示膜系的潜在或可能透过率。对应一个确定的吸收膜系，存在一个确定的最大的势透射率max。,有吸收膜系的反射率、透过率和反射相位变化形式上与无吸收膜系相同，只是折射率为复折射率。,反射率,透射率：,反射光的相位变化,有吸收薄膜的反射、透射特性,金属薄膜的光学特性,金属薄膜广泛应用于光学部件：反射镜、中性分束境、偏振分束镜和窄带滤光片等。有两种形式：1）块状金属替代者原理，起高反射作用。将金属膜镀在容易获得高光洁度的基质表面，起抛光金属面的高反射作用；2）薄膜干涉原理工作。薄膜厚度影响反射率和透射率，可通过改变其前后匹配膜层来改变系统的反射率和透射率。,1）势透射率决定于金属膜的光学常数和出射介质的光学导纳，而与入射介质无关；,根据相关研究，针对金属薄膜有以下光学特性:,2）最大势透射率仅决定于金属膜的光学常数。实现最大势透射率的出射光学导纳被称为最佳匹配导纳，或最佳负载导纳；3）膜系的实际透射率不仅与势透射率有关，还和入射介质有关，即和整个膜系的反射率有关，其值为(1-R)。当R0时，T,实际透过率等于势透过率。4）最佳匹配导纳只是对有限的几个分离波长存在。所以利用最佳匹配导纳实现最大势透过率可以实现抑制背景的窄波段高透的窄带滤光片。,金属薄膜的光学特性,非相干叠加的光反射率和透射率,有多层膜的光学零件反射率和透过率通过相干光的多光束干涉获得；在大多数场合（激光系统除外）光学零件有膜层和无膜层的两个界面间光束属于非相干光叠加。所以光波在前后两个面间的多光束反射的总反射率为:,非相干叠加的光反射率和透射率,无吸收场合，由于TTT和RRR，以及Ta+Ra1,可得,同理,显然，对于无膜表面,非相干叠加的光反射率和透射率,对于有膜表面，当膜层的光学厚为四分之一波长的奇数倍时,当膜层的光学厚为四分之一波长的偶数倍时（虚设层）,注意：非相干光叠加是光强叠加而不是光场叠加。,非相干叠加的光反射率和透射率,与实践相结合，通过实测出的光学零件的反射率曲线来计算膜层的折射率。通常使用分光光度计来测量薄膜器件的反射和透射光谱。,对于单面有膜的平行平板玻璃的透射率是薄膜干涉和玻璃两表面间光波的非相干叠加共同所致。,非相干叠加的光反射率和透射率,非相干叠加的光反射率和透射率,例题：根据实际测量的单面有膜的平板玻璃（折射率N1=1.61）的光谱反射率曲线评估膜层厚度和折射率。,应用实例,解：首先从N1=1.61可算出无膜面的反射率和透过率,对于虚设层，有膜面的反射率与无膜面的反射率相等。故对于虚设层波长0有,应用实例,对于虚设层波长0处该光学元件的反射率应为,可见图中虚设层波长0应为600nm处。另两个极值波长480nm和800nm应对应光学厚为四分之一波长1的奇数倍。此时T=0.78，则,应用实例,于是应有,应用实例,上面的实测透射率曲线上的两个极小值同为0.78，这说明这个膜层的折射率在这个波段没有色散。但对大多数薄膜材料来说，折射率曲线不可避免，直接表现为下页图所示的实测透射率曲线。,上面的实测透射率曲线中有多个极值，但是多个波长对应的极值不再相同。在这种情况下，可以对每一个极值波长采用上述方法计算出相应的折射率值。,应用实例,目标,1、掌握非相干叠加的光反射率和透射率。2、掌握光学零件的实测反射率与膜层的折射率的关系，并能够解决实际问题。3、了解势透射率，理解有吸收薄膜的反射