光学薄膜--范正修

1、1,2006年10月26日,光学薄膜及其应用,2,主要内容,薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 光学薄膜的激光损伤,3,主要内容,光学薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏,4,薄膜概况,研究领域 薄膜物理 薄膜化学 薄膜材料 薄膜力学 应用领域 光学薄膜 电学薄膜 半导体薄膜 磁性薄膜 生物薄膜,5,薄膜光学形成发展历史,17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（robert boyle and robert hooke） 1801 thomas yong引入光波干涉原理 1816 fresnel 发现了光波偏振特性,结合yong干

2、涉理论及huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论 1817 fraunhofer制成了第一块减反薄膜 1873 maxwell提出了maxwell方程（a treatise on electricity and magnetism,6,1886 rayleigh 证实了fresnel反射定律 1899 fabry-perot 干涉仪 1932 rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部反射 1934 bauer用卤化物制备了减反薄膜 1934 pfund用zns为michelson干涉仪制备分束镜 1939 geffcken制备了金属介质干涉滤光片,7,光学薄膜概况,薄膜特点 干

3、涉原理，相干相长与相干相消 重要性 “有光就有膜” 涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，光学系统，大型激光装置等 面临问题 涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉积技术少，沉积过程控制水平不高等,8,主要内容,薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏,9,光学薄膜一般性质,理想光学薄膜 光学薄膜吸收及散射 折射率不均匀性和折射率渐变薄膜 薄膜的各向异性和双折射薄膜 薄膜的偏振和消偏振特性,10,薄膜的相位及位相薄膜 等效折射率、等效导纳和等效界面 薄膜的色散及色散补偿 薄膜的应力及应力控制,

4、11,理想光学薄膜,光学薄膜 改变光束切向方向薄膜波导 改变光束法向方向光学薄膜,薄膜波导,12,理想光学薄膜,薄膜光性计算方法 等效界面法 矩阵法,等效界面法,13,矩阵法,界面的透射及反射系数,第一个界面处的电场关系,薄膜内部的电场关系,薄膜内部电场方向符号表示,14,依次类推,矩阵法,设,则,可以得到,15,光学薄膜吸收,材料吸收 共振吸收 单光子吸收 自由电子吸收 杂质吸收 色心吸收 声子吸收 多光子吸收,16,光学薄膜吸收,折射率由实数变为复数： 折射角由实数变为复数： 等效导纳由实数变为复数； 反射系数和透射系数 . 膜层厚度引起的位相差,17,光学薄膜吸收,反射系数 透射系数,1

5、8,势透过率与薄膜吸收损耗,势透过率 反射率 透射率 吸收率,19,光学薄膜的散射,光学薄膜的表面散射 光学薄膜的体散射,20,光学薄膜的表面散射,表面统计参量 均方根粗糙度（rms） 相关长度 高度分布函数 自协方差函数（acf） 表面散射处理方法 标量理论散射总损耗问题 矢量理论研究散射的角分布,21,光学薄膜的表面散射,散射引起界面反射及透射系数变化,22,光学薄膜的体散射,体散射的贡献与薄膜的吸收类似 存在散射薄膜的位相厚度,界面起伏引起的厚度变化,体散射等效的吸收,23,多层膜散射特性,理想多层薄膜,上述参数利用散射薄膜的相应值替换,24,光学薄膜的分层界面散射模型,25,不同rms

6、粗糙度条件下玻璃基片的rs和tis变化曲线,计算实例,26,梯度折射率薄膜,光学薄膜通常具有折射率渐变性质 利用折射率渐变设计并制备新型薄膜,27,梯度折射率薄膜,梯度折射率薄膜内电磁场传输,由解微分方程可得到电磁波在非均匀介质中的传输状况，但是解微 分方程的方法主要决定于折射率渐变的函数，只有在某些情况下才能 精确解,28,梯度折射率薄膜设计方法,薄膜特征矩阵法 傅立叶合成法 计算机辅助设计,29,梯度折射率膜的应用,利用glad技术制备的宽带增透薄膜,30,梯度折射率膜的应用,rugate小波函数折射率曲线及光谱特性,31,梯度折射率膜的应用,红色滤光片折射率随厚度变化图和0入射时膜层透过

7、率曲线图,32,薄膜的各向异性和双折射薄膜,各向异性薄膜的微结构 双折射薄膜理论分析 双折射薄膜生长过程模拟 双折射薄膜实验制备及光学特性分析,33,各向异性薄膜的微结构,1995年，robbie小组最早利用glad技术制备了结构稳定的mgf2 “雕塑”薄膜，并用扫描电镜观察到薄膜的螺旋结构 k. robbie, m. j. brett, a. lakhtakia.first thin film realization of a helicoidal bianisotropic medium , j. vac. sci. technol a, vol.13:2991 (1995,雕塑薄膜的制备

8、示意图,34,双折射薄膜理论分析,介电常数变为介电张量 双折射结构二维理论模型 双折射结构三维理论模型 双折射薄膜界面特性分析 双折射薄膜的电场传输特性分析,35,双折射结构二维理论模型,表示不同的入射方向，倾斜柱 表示薄膜的柱状方向,s偏振光的有效介电常数入射角无关的物理量，取决于柱状结构的方向等参量。但是p偏振光与入射方向及柱状结构的方向有关， 经过数学推导，可以得到p偏振光折射率的解析形式,wang jian-guo, shao jian-da, fan zheng-xiu, chinese physics letters, 2005, 22(1): 221223,36,双折射结构三维理

9、论模型,倾斜柱状结构薄膜的三维示意图，其中，d 为薄膜厚度(或光栅凹槽深度)； x,y为x轴和y轴方向的光栅周期；lx,y是x方向和y方向光栅脊的宽度,倾斜柱状结构薄膜的截面示意图，其中 为柱状角的方向,wang jian-guo, shao jian-da, and fan zheng-xiu, chinese physics letters, 2005, 22(1): 221223,37,双折射薄膜界面特性分析,双折射特性增加光波在界面传输的复杂性 即使对单轴双折射薄膜，同样存在不同于各向同性界面的传输行为 同侧折射,38,双折射薄膜的电场传输特性分析,非常波在各向同性介质与各向异性介质界

10、面处的入射波、反射波和折射波的示意图,非常光波在双折射薄膜内部正向及反向传播的波矢及光线方向示意图,39,双折射薄膜界面同侧折射,在双折射薄膜与入射介质界面产生同侧折射现象时对应的范围随入射角度的变化关系,光线在两个沿光轴成45度角切割的具有正折射率的单轴晶体界面出现的同侧折射现象,y. zhang, b. fluegel, a. mascarenhas, phys. rev. lett. 91, 157404 (2003,h.j. qi, j.g. wang, j.d. shao, z.x. fan, science in china, ser. g, 2005, 48(5): 513520

11、,40,双折射薄膜的电场传输特性分析,垂直入射条件下双折射薄膜界面及内部正向及反向传播的电场示意图,各向同性薄膜特征矩阵,其中,对于p偏振光,对于s偏振光,41,利用电磁场切向连续条件，可以得到,其矩阵形式为,特征矩阵,同样，上述结果可以推广到多层薄膜,h.j. qi, d.p. zhang, j.d. shao and z.x. fan. “matrix analysis of anisotropic optical thin film”, europhysics letters, 2005, 70(2): 257263,42,zig-zag生长的monte carlo 模拟,薄膜生长简化模

12、型 无边沿粘附、无扩散 有边沿粘附、无扩散 有边沿粘附、有扩散 入射粒子倾斜引入 对称改变入射角度,粒子在一维晶格上沉积及吸附示意图，可能的吸附位置用(ad)表示,扩散粒子最近邻位置示意图及编号,43,不同沉积温度下束流入射角为60时薄膜模拟结果,h.j. qi, j.d. shao, d. p. zhang, k. yi, z.x. fan, applied surface science (accepted,44,夹具运动的计算机控制示意图,王建国,邵建达,范正修.夹具三维运动控制装置,发明专利申请号: 200410018497.6 王建国,邵建达,范正修.镀膜夹具的计算机控制装置，发明专

13、利申请号: 200410084247.2,双折射薄膜实验制备及分析,45,a) =60 （b） =80 不同角度制备zro2薄膜的sem结构,60 时, =33； =80 时, =45,zro2薄膜结构与光性分析,46,不同基片旋转速度制备的zro2薄膜的sem结构 (a) 0rpm; (b) 0.14 rpm; (c) 1.08 rpm; (d) 17.3 rpm,柱体直径在3050nm之间,47,tio2 薄膜断面sem结构 (a) =60 (b) =70 (c) =75 (d) =80,tio2薄膜结构与光性分析,48,glad tio2 薄膜的表面sem结构, (a) =60; (b)

14、 =70; (c) =75; (d) =80; 内插图为表面结构的fft变换。两个耳朵的形貌表明glad表面具有各向异性的结构,49,tio2薄膜：沉积角度为75，基片的旋转速度分别为: (a) 0.135rpm(b) 1.08rpm(c)17.3rpm,a,b,c,50,位相延迟膜,定义及应用背景 分类 设计与实验结果,51,反射式相位延迟器能对入射偏振光的p, s分量的相位发生改变，从而产生一定的相移，但是并不影响其高的反射率。 相位延迟器（qwr）对每个波长在主角范围内，均能获得相移，即对入射线偏振光产生相位变化，把线偏振光变成圆偏振光，反之亦然。 在具有波片功能的同时，还可用作光束相移

15、转向器件及光束相移平移器件,位相延迟膜,52,位相延迟膜,角立方反射镜： 利用光束在3块空间互成54.7的反射镜的表面3次反射，反射光偏振态的变化而获得相位延迟。 外反射式相位延迟器： 利用不同偏振态光在不同厚度的膜层相位变化而获得相位延迟。 全内反射式相位延迟器： 利用光的全内反射原理以及不同偏振态光穿透深度不同而调节相位延迟,53,入射角为54, 270相位延迟膜的透射率和相移特性,全介质层相位延迟膜设计与制备,54,入射角为45,全介质层相位延迟膜的设计、实验测量与拟合曲线（该样品的在1315nm处相移为267.5，与设计要求的仅相差2.5,全介质层相位延迟膜设计与制备,55,双波段相位

16、延迟膜设计的光谱特性和相移特性曲线,在632.8nm需要达到85左右的反射率，相对于相移在设计光谱范围内的振荡增大,双反射带相位延迟膜的设计与制备,56,双波段相位延迟膜的测试的光谱特性和相移特性曲线,样品在1315nm处的相移值为267.2，仅与设计值相差2.8,57,单层膜的相位延迟,宽波段相位延迟膜的设计,58,等效折射率、等效导纳和等效界面,等效折射率、导纳和界面概念 等效折射率理论推导,59,等效折射率,对称膜系pqp的矩阵推导,单层膜的特征矩阵,60,61,等效折射率,对于一个对称周期膜系(pqp) s,若,若,是有条件的，该条件正好对应截止区与透射区的分界线,62,63,禁带区,

17、透射区,64,等效折射率性质,65,等效折射率应用波纹压缩,0.5lh0.5l)4 膜系产生的波纹,66,波纹压缩方法,选取适当的组合膜，使其通带内的等效折射率与基片相接近 改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变到更接近的预期值 在多层膜的两侧(靠近基底侧和靠近入射介质侧)加镀匹配层，使其同基底以及入射介质匹配,67,目标：压缩500nm附近的波纹,实例一,68,0.62m(0.5lh0.5l)12 0.72n m=1.38 n=1.11 l=1.46 h=1.86,69,glass/0.9(0.5hl0.5h)2 (0.5hl0.5h)9 0.99(0.5hl0.5h)3/air,实例二

18、,70,实例三：颜色滤光片设计,绿色滤光片设计曲线图（h(hlh2l)5 h7l，h: 2.3, l:1.45,红色滤光片设计曲线（hm(hl)11 (hn)1 1.16(hn)2 1.16(hl)9 0.58h，h:2.3 l:1.46 m:1.79 n:1.6,71,薄膜的色散及色散补偿,群速度的色散 光学薄膜色散（gt腔） 啁啾镜的定义、设计及制备,72,群速度的色散,体现了光波能量的信息，表征了多个频率成分的整体（群）行为,载波表征整个光波的相位信息，其传递速度被定义为相速度,73,受介质折射率色散的影响，含有介质折射率的波矢,其展开式的一阶系数 定义为群速度延迟,二阶系数 定义为群速

19、度色散,通常情况下，利用下式表示对位相的整体关注,gd,gdd,tod,74,群速度的色散,高斯极限脉冲,通过色散介质的脉冲,当高斯极限脉冲通过色散介质，会发生频率啁啾，脉冲展宽。而钛宝石是正色散介质，加上自相位调制等非线性效应，在振荡器里产生的光脉冲会发生上啁啾，也就是高频成分滞后,脉冲同时被展宽,75,光学薄膜的色散分析,对于高反射膜，rb=100%，令,则,76,gt腔的色散分析,77,gt腔的色散分析,薄膜反射系数为,薄膜反射率为,反射光的相位变化,78,r=0.16时反射光的相位变化、群延迟时间、群延迟色散及三阶色散,79,gt腔进行色散补偿实例,cr:lisaf晶体的gdd和tod

20、,80,gt腔进行色散补偿实例,设计的g-t镜的膜层结构（左图）及对3-mmcr:lisaf晶体的正群延迟色散进行补偿后剩余群延迟色散（右图,81,啁啾镜,定义及分类 理论设计 制备结果,82,啁啾镜,啁啾镜特征 在运转波段内有足够高的反射率； 具有与运转激光相匹配的群色散延迟补偿能力； 考虑到抗激光损伤的要求，在运转波段内没有场强的共振吸收峰,群色散延迟和补偿薄膜具有啁啾特性，所以称为啁啾镜或啁啾薄膜,83,啁啾镜类型,84,啁啾镜的特点,一般啁啾镜缺点：相位调制产生波纹、在腔内形成较强的驻波场 双啁啾镜优点：在啁啾波区腔外侧的反射率为零，以此来消除共振效应和位相色散波纹本身的驻波场。 双啁

21、啾镜的设计思路：在单啁啾膜谐振层的外侧,构筑一个宽频带减反射膜。耦合模理论可以给出良好的匹配条件,85,啁啾镜设计方法,傅立叶变换法 光学谐振方法 非周期膜系设计方法,86,傅立叶变换法,对于折射率按一定规律分布的薄膜，在薄膜厚度处微分反射系数,薄膜的反射系数,傅立叶变换形式,反傅立叶变换,为了实现宽光谱范围内的高反射，薄膜必须有rugate结构，即,87,光学谐振方法,由于光学薄膜的位相特性取决于光波在薄膜中行进的路程，所以可以利用附加共振腔的方法获得必要的群延迟色散率。共振腔层的存在可以诱导光波进入膜层内部，通过共振腔的数目及其在膜系中的位置可以改变共振波长，因此可以调节不同级次延迟色散的

22、大小和正负,88,非周期膜系设计及双啁啾,89,啁啾镜制备,飞秒脉冲锁模实验得到的15fs脉冲,90,薄膜的应力及应力控制,薄膜应力 热应力 内应力 多层膜应力模型 薄膜的面形控制 工艺参数对薄膜应力影响 调整工艺参数控制薄膜应力,91,薄膜应力,热应力 若薄膜与基片间的热膨胀系数不同或温度在基片中不均匀分布，基片将产生附加变形，这种与温度相关的变形驱动力即为热应力 内应力 薄膜应力起源于薄膜生长过程中的某种结构不完整性(如杂质、空位、晶粒边界、位错和层错等)、表面能态的存在以及薄膜与基片界面间的晶格错配,92,薄膜应力与基底弯曲,93,多层膜应力模型,模型假设 多层膜中的膜层在平行于基底的平

23、面上为各向同性 膜层之间的界面互不相湿,94,多层膜应力模型,厚度为t的膜层沉积在基底上时，由于力及瞬时力矩的平衡作用，所产生的沉积应力可表示为,其中，b为圆形基片的直径， ef为膜层的双轴模量， 为薄膜基底复合体的中性轴位置，f为膜层沉积所引起的基底与膜层之间的大小相等方向相反的力,热应力为a、b两种材料与基底之间热应力的和，表示为,其中ea、eb，a、b，a、b分别为材料a和材料b的弹性模量、泊松比及热膨胀系数,95,多层膜应力模型,模型计算结果与实验曲线的拟合情况,96,工艺参数对薄膜应力影响,沉积温度对zro2薄膜应力影响,沉积温度对sio2薄膜应力影响,97,薄膜应力控制,沉积参数调

24、整 沉积温度 沉积速率 氧分压等 薄膜后处理技术 背面镀膜 退火 离子刻蚀,98,光学薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏,主要内容,99,光学薄膜在一些光学系统中的应用,光学薄膜在激光系统中的应用 光学薄膜在光通信系统中的应用 光学薄膜在显示系统中的应用 极紫外和软x射线薄膜,100,光学薄膜在激光系统中的应用,激光系统中对薄膜的要求 光性、阈值、面形 几种主要光学薄膜 光学薄膜常用沉积技术 电子束技术制备光学薄膜 离子束辅助技术沉积光学薄膜 离子束溅射技术沉积光学薄膜,101,反射膜,常规反射膜 介质反射膜 金属反射膜 金属介质反射膜 反射膜进展

25、 超快系统中反射膜,102,电介质反射膜,标准结构 奇数 偶数 反射率 奇数 偶数 带宽,103,金属及金属介质反射膜,金属反射膜的反射率,利用低折射率材料，先把金属光学常数中的虚部转化为0，然后再镀介质反射膜后的反射率为,临近金属层的低折射率层的厚度为,104,反射膜反射率进展,105,超快系统中反射膜,脉冲宽带对反射膜性能的影响,106,增透膜,常规增透膜理论 矢量合成方法 单波长增透 宽带增透 超宽带增透,107,矢量作图法,此方法设计减反薄膜时比较直观，其前提条件为： 膜层中无吸收层 薄膜特性可以近似的由界面处单次反射来决定,界面处振幅反射系数为,薄膜单层的位相厚度为,考虑到膜层的位相

26、延迟，则反射系数为,108,符号定义及旋转方向,109,单波长增透膜,单层增透膜 膜系结构： a/l/g 反射率,双层增透膜 膜系结构：a/lh/g 折射率之间的关系,110,增透膜,三层和多层宽带增透膜 实现宽带增透 层数越多，增透带宽越大，效果越好 倍频增透膜 通常用矢量法设计 需要层数比增透波长数目多一 多波长增透膜 可用矢量法，计算机优化更方便,111,三倍频增透膜实例,112,多波长增透膜设计实例,113,干涉滤光片,结构及理论分析 fp腔 干涉带通滤光片的类型 其它滤光片类型 窄带和超窄带滤光片 宽带和超宽带滤光片 长通和短通截止滤光片,114,膜系结构,115,当 , 时,当,时

27、,当,时,116,干涉滤光片,干涉带通滤光片的类型 金属滤光片：g/m2lm/g 透导滤光片g/(hl)mhxlmxlh(lh)m/g 电介质滤光片：g/(hl)m 2h(lh)m/g,117,干涉滤光片的实例,118,双腔滤光片, 膜系结构： g/(hl)8h 2h h(lh)8 l(hl)8h 2h h(lh)8,119,薄膜的偏振和消偏振特性,薄膜起偏振原因 偏振分光设计 棱镜型 平板型 双折射多层膜 消偏振设计,120,倾斜入射起偏振实例,121,两种偏振态光波分离原因,等效导纳发生变化,p-偏振,s-偏振,倾斜入射起偏振原因,122,图1，图2分别表示入射介质分别为空气、玻璃（n=1

28、.52）时 不同材料的p, s光修正导纳随入射角度变化的情况,图 1,图 2,123,为了对两种不同材料满足布儒斯特角条件，p光等效折射率必须相等,同时由折射定律,可以得到,棱镜型偏振分光设计,124,空气中入射角度为0时的光谱曲线,空气中入射角度为13度时的光谱曲线,棱镜型偏振分光设计,125,空气中入射角度为13时的光谱曲线,实物图片及光路传输,棱镜型偏振分光设计,126,工作波区为,平板偏振膜,127,平板偏振膜实例,128,双折射薄膜实现起偏,p偏振分量膜系结构为1.52/3hl3hl (2h2l)11 2h 2l h/1.0,129,薄膜消偏振设计,利用入射介质、膜层和基片组合设计

29、利用吸收膜系实现消偏振分光镜设计 利用受抑全反射原理设计大角度下消偏振设计 利用薄膜双折射特性实现消偏振设计 利用计算机优化程序进行设计,130,利用入射介质、膜层和基片组合,定义偏振分离量 为,对于(h/2lh/2)组合，在,若低折射率的值是高折射率值的三次方时，该膜层组 合在该波长处无偏振分离,处,131,吸收膜系实现消偏振分光镜设计,光波在介质中的传播是横波，但光波在金属中就不再是纯横波，它还有一部分是纵波，因此偏振效应比较小，并且金属膜的中性好，所以采用介质-金属-介质消偏振膜系比全介质消偏振薄膜具有更优良的特性。 金属膜p偏振反射率最小值可近似表示为,纯ag反射率和波长关系曲线 1.

30、52(ag)1.52,132,吸收膜系实现消偏振分光镜设计,其次是设计ag膜两侧得匹配膜系，银膜两侧介质材料相同，入射角相同，对于同一厚度的银膜来说，介质折射率越高，偏振效应越小,ag+匹配介质 反射率和波长关系曲线 1.52(zns ag zns)1.52,133,一般为了进一步减少偏振效应，需要插入中间折射率材料，比如选用mgo, mgf2材料，然后采用needle方法进行数值优化，一个12层膜系设计结果如下（45入射,134,利用受抑全反射原理设计大角度下消偏振,棱镜中单层膜的反射,发生ftir时,135,设计实例,d1取不同厚度值时的p, s两种偏振光的反射率曲线(n0=2.4、n1=

31、1.38，入射角度为45,d1取不同厚度值时的p, s两种偏振光的反射率曲线(n0=1.81、n1=1.46，入射角度为45,136,入射角度为45时设计结果，其中na=n0=2.4 nb=1.38,入射角度为62时设计结果，其中na=n0=1.81 nb=1.46,137,双折射薄膜消偏振设计,消偏振薄膜设计思路 消偏振薄膜设计实例 分束薄膜 截止滤光片 带通滤光片 宽带增透薄膜,138,正晶体,光轴,n0,ng,在这种特殊情况下，两种偏振态光波分离，且在界面均遵守 snell定律,界面 1,界面 2,消偏振薄膜设计思路,139,如同各向同性薄膜，在消偏振分截止滤光片及带通滤光片中经常利用高

32、低折射率交替膜堆 hlh,140,h-层,l-层,141,对于两种偏振态，高低折射率比值分别为,s-偏振光,p-偏振光,为了实现消偏振薄膜设计，必须满足下列方程,因此，折射率调整须满足,142,对于p偏振光，膜系的结构为 1.52/(hl)15 h/1.0,45消偏振分束薄膜,h.j. qi, r.j. hong, k. yi, j.d. shao, z.x. fan, “non-polarizing beam splitter design”, europhysics letters, 2004, 67 (5): 859-865,143,对于s偏振光波，薄膜结构为：1.52/0.8620h

33、0.3698l 1.3012h 0.7343l 1.3777h 0.6182l(hl)11 0.8250h 1.0547l 0.3934h 0.4887l/1.0,45消偏振截止滤光片,144,对于p-偏振光，膜系为： 1.52/(hl)10 h 2l (hl)10 h l (hl)10 h 2l (hl)10 h /1.0,45消偏振宽带通滤光片,145,对于p-偏振光，膜系为：1.52/1.5037h 2.5875l 2.1166h 1.0280l 0.9722h 1.0141l h (hlhlhlh)4 h 0.9442l 0.8298h 0.6370l/1.0,h.j. qi, r.j

34、. hong, k. yi, j.d. shao, z.x. fan, “non-polarizing and polarizing filter design”, appl. opt., 2005, 44(12): 2343-2348,146,波长分离膜（倍频,147,短波通滤光片的实例,消半波孔的短波通薄膜的制备,148,抽运光与输出光的分离膜,149,抽运光与输出光的分离膜,150,光学薄膜在激光系统中的应用,光学薄膜常用沉积技术 电子束技术制备光学薄膜 离子束辅助技术沉积光学薄膜 离子束溅射技术沉积光学薄膜,151,电子束技术,镀膜室内结构示意图及薄膜中心1800直径的电子束蒸发镀膜机

35、,152,离子束辅助技术,优点 提高薄膜致密性 抑制薄膜内大缺陷生成 合适工艺可以提高薄膜损伤阈值,153,离子束溅射技术,溅射过程三个阶段 离子源发射高能撞击离子； 被溅射的粒子（原子或分子）出射靶面； 被溅射的粒子沉积在基片上成膜,154,光通信薄膜类型 有各类减反射膜、波带分离膜、增益平坦滤光片(gff)、波分复用滤光片(wdmf)和交叉波分离器(interleaver)等等,光学薄膜在光通信系统中的应用,155,156,光通讯对薄膜滤光片的要求 极端稳定的中心波长 窄的带宽：目前200g、100g滤光片已是通用商品，50g滤光片（半宽小于0.4nm），工艺成熟并实现系统运行 高透过率：

36、高通带率，低通带波纹 高矩形度，高截止度，必须用多腔滤光片构成 高的环境稳定性，膜层必须足够致密，堆积密度约为1 高温度稳定性，与基体的热应力匹配，进行力学补偿 通带内的群延迟色散补偿,157,158,薄膜滤光片制备中使用技术 dwdm滤光片的温度漂移及抑止技术 dwdm滤光片群延迟及群延迟色散及补偿技术 精确的膜厚控制技术,159,光学薄膜在显示系统中的应用,投影显示系统分类 lcd（liquid crystal display）液晶投影显示 dlp（digital light porcessor）数字光处理投影显示 lcos（liquid crystal on silicon）硅基底上液晶

37、投影显示,160,lcd液晶投影显示,1、冷光片，2、紫外红外滤光片，3、二向色镜， 4、反射镜，5、x棱镜，6、液晶光阀，7、投影透镜,161,dlp投影显示,1、冷光片，2、紫外红外滤光片，3、场透，4、色轮，5、光导管，6、反射镜，7、tir光门，8、dmd芯片，9、投影镜头,162,lcos投影显示,1、冷光片，2、紫外红外滤光片，3、场透镜，4、二向色镜，5、折叠反射镜，6、偏振分束镜，7、lcos面板，8、x棱镜，9、投影镜头,163,投影系统中需要的薄膜元件,lcd 冷光镜、紫外红外滤光片、折叠反射镜、二向色镜、偏振分束镜、x-cube、减反射膜 dlp 冷光镜、紫外红外滤光片、

38、折叠反射镜、光导管、色轮、tir棱镜、减反射膜 lcos 冷光镜、紫外红外滤光片、折叠反射镜、二向色镜、偏振分束镜、x-cube、减反射膜,164,投影系统中的关键薄膜元件,偏振与消偏振分束膜 光导管用宽角度宽光谱反射膜 高性能颜色滤光,165,激光对光学薄膜的破坏,光学薄膜的本征吸收 光学薄膜的驻波场和温度场 光学薄膜的缺陷破坏 光学薄膜的非线性吸收及热力破坏 光学薄膜激光破坏阈值的测量,166,激光对光学薄膜损伤的基本过程,激光对光学薄膜的损伤过程包含了激光作用的光学力学过程、场击穿过程等，但最基本的还是热过程，光通过本征吸收、杂质吸收和非线性吸收转化为热，由热熔融或热力耦合导致薄膜的最终

39、损伤,167,光学薄膜的本征吸收,设激光强度是高斯分布，则,a为高斯半径，时间为瞬间作用时，薄膜温升,i0和j0分别是x=0, r=0时的功率密度和能量密度，dt为热扩散长度，为吸收系数。对于一般材料,=2,168,光学薄膜中的驻波场和温度场,增透膜、反射膜、偏振膜、带通滤光片的驻波场 单层膜、增透膜、反射膜的界面温度变化 干涉滤光片的带内、带外温度场的变化,169,增透膜驻波场,170,反射膜驻波场,171,偏振膜驻波场,172,滤光片带内、外驻波场,双腔窄带干涉滤光片的驻波场模拟,173,单层膜的温度场研究,表面吸附层厚度对tio2单层膜温度场分布的影响,表面吸附层消光系数对tio2单层膜

40、温度场分布的影响,174,高反射膜界面温度研究,不考虑表面及界面吸收的温度场,考虑界表面吸附、界面吸收的温度场,175,滤光片带内、外温度场变化,176,光学薄膜的缺陷破坏,缺陷是薄膜结构中最复杂的成分，从几何形态上看，缺陷可以是空洞和结瘤，从其功能上看，应包括：结构缺陷、杂质缺陷、化学缺陷、力学缺陷、电致缺陷等。 鉴于缺陷的组分形状千变万化，所以处理起来相当困难，对于杂质缺陷一般理解为吸收缺陷，为了便于处理把吸收缺陷当作小球处理,177,光学薄膜的缺陷破坏,杂质热传导方程的精确解,其中,从以上方程可以看出，由杂质吸收引起的薄膜温升与激光的强度分布、杂质吸收截面和激光脉冲宽度密切相关，从薄膜破

41、坏角度出发更关心r=a附近的温升，当该处温升达到临界温度tc时，对应的激光能量itl为薄膜的破坏阈值,178,杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个过程从缺陷内部发生，在缺陷迅速升温到数千度的高温时，杂质材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸力向薄膜的外层发展，首先使膜层隆起继而把膜层冲掉形成破坑，并在破坑的周边形成波浪式力学波。 杂质缺陷不仅是直接热源，而且还是非线性过程的薄弱环节，缺陷区域是初始电子易于发射的区域，这些电子构成雪崩离化的初始电子从而大大降低薄膜的击穿阈值,光学薄膜的缺陷破坏,179,光学薄膜的缺陷破坏,180,结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用,结瘤缺陷是由于基体表面或薄膜

42、内部存在某种种子源。薄膜在种子上继续沉积而形成的，它在薄膜内部形成一个锥体，在薄膜表面形成凸起，锥体的形状和取向，凸起的高低与形态与种子源密切相关，也与沉积工艺和沉积条件有关,181,结瘤缺陷一个重要的作用就是改变激光在结瘤区内及其周围的场分布，在薄膜吸收不变的条件下，激光场的局部加强导致局部吸收增加，局部吸收增加导致局部温度上升，剧烈的温度梯度又导致薄膜内应力的增加，这种应力与薄膜几何畸变引起的附加应力是形成薄膜破坏的重要因素,结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用,182,结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用,激光场分布的畸变函盖了以下几方面因素 薄膜膜层形变，引起结瘤内驻波场分布的变化 结瘤与薄膜连接的部分严重的几何变形导致相关区域激光场的分布变化 凸起的结瘤形成一个微透镜，光照时会产生聚焦强区 从薄膜的应力出发，薄膜在结瘤区由几何形变产生应力，而激光作用下，由于巨大的温度梯度又产生热致内应力，薄膜在激光作用下的应力发展应该是形变应力与热致应力之和,183,光学薄膜非线