光学薄膜范正修PPT学习教案

1、会计学1光学薄膜范正修光学薄膜范正修2第1页/共199页3第2页/共199页4第3页/共199页5第4页/共199页6第5页/共199页7第6页/共199页8第7页/共199页9第8页/共199页10第9页/共199页11355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜薄膜波导第10页/共199页12等效界面法第11页/共199页1300EE10100nnnnr10002nnnt111000rrt11EE111122iiE eE eEE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：1111112222iin E en E en En E薄膜内部电场方向符号表示第12页/共199页1

2、4依次类推： 00EE= 1100100iiiiiimimmmiiiiiiabereEEcdreetaEEtm101设： ,21iccc21iaaa则 222112212211aacacaicacar22111221cacacacatgr可以得到： 221 1221 22 1222212a ca ca ca cRraa22211aaT第13页/共199页15第14页/共199页16n膜层厚度引起的位相差.njjjiCOICOR cosiknn第15页/共199页17ri01010101()()()()nni kknni kk0001012()()()niknni kkti第16页/共199页1

3、8 1TRATT00BCRBC*00CBCB01*00Re()()()mTBCBC*0*00Re()()()mBCABCBC第17页/共199页19第18页/共199页20204Rs)(00kkFgdpdp第19页/共199页2111!411mmggmmgLTett1!41mmggmmgLTerr第20页/共199页22420233003164sin2nnadIISVSV )(20 xzdiISVn总界面起伏引起的厚度变化体散射等效的吸收第21页/共199页230111111001001111miijijiiiiimjjEeerereeerererrtEEjjjj 12120112120 0m

4、aiabibEEcicdidE上述参数利用散射薄膜的相应值替换第22页/共199页24第23页/共199页254005006007008004.2324.2364.2404.2444.2484.2524.2564.260 nm nm nm nm nm Rs(%)波长/nm4005006007008000.01.0 x10-32.0 x10-33.0 x10-34.0 x10-35.0 x10-36.0 x10-3 TIS波长/nm nm nm nm nm nm不同RMS粗糙度条件下玻璃基片的Rs和TIS变化曲线第24页/共199页26第25页/共199页27222lnln0EEEEc222ln

5、ln0HHHHc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。 第26页/共199页28第27页/共199页29 利用GLAD技术制备的宽带增透薄膜第28页/共199页30024681012141.41.61.82.02.2Refractive IndexOptical Thickness4005006007000.00.20.40.60.81.0TransmittanceWavelength(nm)Rugate小波函数折射率曲线及光谱特性第29页/共199页310102030401.01.21.41.61.82.

6、02.2Refractive IndexOptical Thickness4004505005506006507000.00.20.40.60.81.0TransmittanceWavelength(nm)红色滤光片折射率随厚度变化图和0入射时膜层透过率曲线图第30页/共199页32第31页/共199页331995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 biani

7、sotropic medium , J. Vac. Sci. Technol A, Vol.13:2991 (1995)雕塑薄膜的制备示意图第32页/共199页34第33页/共199页35s 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 。),(p WANG Jian-Guo, SHAO Jian-Da, FAN Zheng-Xiu, Chinese Physics Letters, 2005, 22(1): 221223第34页/

8、共199页36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第35页/共199页37第36页/共199页38非常波在各向同性介质与各向异性介质界面处的入射波、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 第37页/共199页39

9、0246810121416180102030405060708090 (deg)Incident angle (deg)n0=1.8, ne=1.5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

10、): 513520 第38页/共199页40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jjjjjjiicossinsincosjjjjdNcos2其中，对于p偏振光， 对于s偏振光， jjjNcos/jjjNcos第39页/共199页41利用电磁场切向连续条件，可以得到：)()(1)()(1biibiiaaabiibiiaaaEeeHeeHHHEeeHeeEEE其矩阵形式为：bbiiiiiiiiaaHEeeeeeeeeHE)(1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.

11、 “Matrix analysis of anisotropic optical thin film”, Europhysics Letters, 2005, 70(2): 257263 第40页/共199页42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第41页/共199页43 (a) 160K (b) 240K (c) 280K (d) 320K 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 (

12、Accepted) 1201 10ZrH 040.5EEeV130.3EEeV20.4EeV第42页/共199页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，发明专利申请号第43页/共199页45 (a) =60 （b） =80 不同角度制备ZrO2薄膜的SEM结构=60 时, =33； =80 时, =45第44页/共199页46(a)(d)(b)(c)柱体直径在3050nm之间第45页/共199页47(a)(b)(c)(d)TiO2 薄膜断面SEM结构(

13、a) =60 (b) =70 (c) =75 (d) =80TiO2薄膜结构与光性分析薄膜结构与光性分析第46页/共199页48 (a) (b) (c) (d)GLAD TiO2 薄膜的表面SEM结构, (a) =60; (b) =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。第47页/共199页49 TiO2薄膜：沉积角度为75，基片的旋转速度分别为: (a)(a)(b)(c)第48页/共199页50第49页/共199页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

14、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，还可用作光束相移转向器件及光束相移平移器件。第50页/共199页52第51页/共199页53 入射角为54, 270相位延迟膜的透射率和相移特性第52页/共199页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，与设计要求的仅相差）129013001310132013301340264266268270272274 experiment designphase shift (degre

15、e)wavelength (nm)第53页/共199页55 双波段相位延迟膜设计的光谱特性和相移特性曲线在需要达到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。第54页/共199页56500.0600700800900100011001200130014001500.0-0.15101520253035404550556065707581.9N M%T 130013051310131513201325133013351340255260265270275phase shift (deg)wavelength (nm) 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

16、处的相移值为，仅与设计值相差第55页/共199页57 单层膜的相位延迟第56页/共199页58第57页/共199页59对称膜系pqp的矩阵推导11122122cossin/cossin/cossin/sincossincossincospppqqqppqpppqqqpqpiiiMMiiiMM11221coscos()sin2sin2qppqpqpqMM1211sin2cos()cos2sin()sin22qppqpqpqqppqqpiM2111sin2cos()cos2sin()sin22pqpqppqpqqqpqpMisincossincosiEiE单层膜的特征矩阵：第58页/共199页60

17、qpqppqqpsin2sin)(21cos2coscos1211sin2cos()cos2sin()sin2211sin2cos()cos2sin()sin22pqpqppqpqqqpqppqpqpqpqqqpqp 211221)(MME第59页/共199页61对于一个对称周期膜系(PQP) SsinsincoscossincossincossiissEEiEiEsscoscos2cossin2sincos 21pqpqpqqp若qp若1cos是有条件的，该条件正好对应截止区与透射区的分界线第60页/共199页62112sin,2sin,pqpqpqsqpqpqpg2qp1sin21cos2

18、2ppqqpp1212220ggp第61页/共199页630.00.51.01.52.02.53.00246810Equivalent Indexg 0.25L0.5H0.25L 0.5LH0.5L 0.75L1.5H0.75L L2HL禁带区透射区第62页/共199页6412pqpqE120qpqE 1,pqqpqqEE 12pqpqE第63页/共199页6520202)/1/1(11nEnERTeffeff200)11(11nnRT(0.5LH0.5L)4 膜系产生的波纹膜系产生的波纹第64页/共199页66第65页/共199页67目标：压缩目标：压缩500nm附近的波纹附近的波纹第66页

19、/共199页68第67页/共199页69Glass/0.9(0.5HL0.5H)2 (0.5HL0.5H)9 0.99(0.5HL0.5H)3/Air第68页/共199页70400450500550600650700020406080100Transmittance(%)Wavelength(nm)400450500550600650700020406080100Transmittance(%)Wavelength(nm)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（，H:2.3 L:1.46 M:1.79 N:1.6 ） 第69页/共

20、199页71第70页/共199页72z)(k-tiexp)tkz(kcosE2z)(k-tiexpEz)(k-tiexpE) t (E) t (Ez)(kt i exp) t , z(A) t , z(E0022011021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 gv第71页/共199页73受介质折射率色散的影响，含有介质折射率的波矢 )()(c)(n)(k其展开式的一阶系数 定义为群速度延迟gv1ddk)(k二阶系数 定义为群速度色散通常情况下，利用下式表示对位相的整体关注：)(kz)(3033202200)(dd61)

21、(dd21)(dd)()(000GDGDDTOD第72页/共199页74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。第73页/共199页75ibaibaerrerrr221cos2nd对于高反射膜，Rb=100%，令cndt/cos20则第74页/共199页76第75页/共199页77薄膜反射系数为：iYXtRRtRitRRr000cos21sin)1 (cos)1 (2薄膜反射率为：20022T-G)t(cosR2R1)t(cosR

22、2R1YXR反射光的相位变化 ：0011cos)1 (2sin)1 (tanXYtan)(tRRtR第76页/共199页780123456-2-1012/2 phase shift0123456-40-2002040/2GDD/fs20123456-12-10-8-6-4-2/2 GD/fs0123456-1000100200/2TOD/fs3时反射光的相位变化、群延迟时间、群延迟色散及三阶色散 第77页/共199页7960070080090010001100150300450600GDD/fs2wavelength/nm60070080090010001100150300450600TOD/

23、fs2wavelength/nmCr:LiSAF晶体的GDD和TOD第78页/共199页8010203040500123456 optical thicknes/qwotlayer number SiO2 Ta2O5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）750800850900-2000200400600GDD/fs2wavelength/nm designed 3-mm Cr:LiSAF designed(times 4) average第79页/共199页81第80页/共199页82 群色散延迟和补偿薄膜具有啁啾特性，

24、所以称为啁啾镜或啁啾薄膜。第81页/共199页83第82页/共199页84第83页/共199页85第84页/共199页86d ( )1 dln ( )d ( )d2 ( )2dn xn xr xxn xx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：( )1dln ( )d2dikikxffn xrR eexx傅立叶变换形式反傅立叶变换：12()()0( )( )lndikkxn xiR keknk为了实现宽光谱范围内的高反射，薄膜必须有rugate结构，即：201 02( )exp lnexp() sin ()2HHLLnxn xn nx kc kn第85页/共

25、199页87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大小和正负。第86页/共199页88第87页/共199页89-50-2502550751000.00.20.40.60.81.01.260080010000.00.20.40.60.81.0intensity/arb.units intensity/arb.unitstime delay/fswavelength/nm(b) 88nmn飞秒脉冲锁模实验得到的1

26、5fs脉冲第88页/共199页90第89页/共199页91第90页/共199页92(a)基片基片处于拉伸状态下的薄膜处于拉伸状态下的薄膜(tf)fftF自由状态下的薄膜自由状态下的薄膜(b)M=Fts/2第91页/共199页93第92页/共199页94)2(tEbtFft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：)()(1()(1()(01TTvEvEsBBBsA

27、AAthBthAth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 第93页/共199页95第94页/共199页96零应力点零应力点沉积温度对ZrO2薄膜应力影响沉积温度对SiO2薄膜应力影响第95页/共199页97第96页/共199页98n光学薄膜概况n光学薄膜一般性质u光学薄膜在一些光学系统中的应用n激光对光学薄膜的破坏第97页/共199页99第98页/共199页100第99页/共199页101第100页/共199页102GHHLm/GHLm/2212111sHmLHsHmLHnnnnnnnnR211smLHsmLHnnnnnnRLHLHEEEnnnng1

28、0sin2第101页/共199页103222211knknR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：222222knnnnknnnRmHmLmHmHmH临近金属层的低折射率层的厚度为：LLLdn042222LLoLnknkntg第102页/共199页104第103页/共199页105脉冲宽带对反射膜性能的影响第104页/共199页106第105页/共199页107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：考虑到膜层的位相延迟，则反

29、射系数为：第106页/共199页108符号定义及旋转方向第107页/共199页109n 双层增透膜l 膜系结构：A/LH/G l 折射率之间的关系22020nnnnnnRss02122nnnns第108页/共199页110第109页/共199页111第110页/共199页11240060080010001200024681012Reflectance (%)Wavelength (nm)300400500600700800900100011001200024681012Reflectance (%)Wavelength (nm)2004006008001000120002468101214Re

30、flectance (%)Wavelength (nm)第111页/共199页113滤光片n长通和短通截止滤光片第112页/共199页114膜系结构： GLRRGGHRRG/2/2/2112212111iiiieReTerett212121sin4)1 (RRTT01， cos20nd第113页/共199页115当 , 时， k21m02121max)1 (RTT当 1RT时， 1maxT当 ART1时， 211max)1 (1TAT第114页/共199页116第115页/共199页117 80090010001100120001020304050607080901001064Transimi

31、ttance (%)wavelength (nm)第116页/共199页118双腔滤光片, 膜系结构：G/(HL)8H 2H H(LH)8 L(HL)8H 2H H(LH)8第117页/共199页119第118页/共199页120第119页/共199页121两种偏振态光波分离原因： 等效导纳发生变化等效导纳发生变化正入射倾斜入射ncosncos/n)cos(2ndnd2p-偏振s-偏振第120页/共199页122图1，图2分别表示入射介质分别为空气、玻璃（）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 第121页/共199页123为了对两种不同材料满足布儒斯特角条件，P光

32、等效折射率必须相等： HHLLnncoscos同时由折射定律： 00HHLLn sinn sinn sinL可以得到： 22L2HLnn第122页/共199页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棱镜型偏振分光设计第123页/共199页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棱镜型偏振分光设计第124页/共199页126LLHHLLHHsnnnngcoscoscoscossin21LLHHLLHHpnnnngcos/cos/cos/cos/sin21工作波区为： psgg第125页/共199页127 1000.

33、01010102010301040105010601070108010901100.00.05101520253035404550556065707580859095100.0NM%T 1064.0,99.1391064.0,0.14073 第126页/共199页1280.91.01.11.21.3020406080100 p-polarization s-polarization Transmittance (%) (m)p偏振分量膜系结构为92. 1pHonn3 . 2sHenn46. 1pLonn56. 1sLenn第127页/共199页129第128页/共199页130222002/c

34、os11sincoscos(1)psnnnnn 定义偏振分离量 为：对于(H/2LH/2)组合，在20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/pHHLsEEnnnE 第129页/共199页131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 第130页/共199页132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

35、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 第131页/共199页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）：第132页/共199页134棱镜中单层膜的反射 122 12 122 122 12 122)(4)()(4)(shdcchshdcRshdcchshdcRpppppsssss发生FTIR时， 12 122 12 1224)(4)(chshdcRchshdcRpppsss第133页/共199页13540050060070005101520253

36、035404550556065707580859095100d1=40nmd1=60nmRsRpRpRsReflectance/%wavelength/nmRpRsd1=90nm d1取不同厚度值时的p, s两种偏振光的反射率曲线(n0、n1，入射角度为45)40050060070005101520253035404550556065707580859095100d1=40nmd1=70nmRSRSRpRpReflectance/%wavelength/nmRpRSd1=120nmd1取不同厚度值时的p, s两种偏振光的反射率曲线(n0、n1，入射角度为45)第134页/共199页136400

37、450500550600650700020406080100Reflectance/%wavelength/nmRpRs入射角度为45时设计结果，其中nA=n0=2.4 nB400450500550600650700020406080100Reflectance/%wavelength/nmRpRs入射角度为62时设计结果，其中nA=n0=1.81 nB第135页/共199页137第136页/共199页138正晶体光轴eonn n0ngkikoke0oe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)/sinarcsin(00oonn)/sinarcsin

38、(00eenn折射率折射角度onenp :s :第137页/共199页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低折射率交替膜堆 HLH 基底H-折射率层H-折射率层L-折射率层),(pHsHnn),(pLsLnn第138页/共199页140)cos(2pLLpLpLdn正入射斜入射H-层sHnpHnsHsHncossLsLncospHpHncos/pLpLncos/sLnpLn)cos(2sHHsHsHdn)cos(2pHHpHpHdnHsHsHdn2HpHpHdn2LsLsLdn2LpLpLdn2L-层)cos(2sLLsLsLdn第139页/共199页141对于

39、两种偏振态，高低折射率比值分别为：sLsLsHsHnncoscospHpLplpHnncoscoss-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：pHpLplpHnncoscossLsLsHsHnncoscospHcospLcossHpHsHnncossLpLsLnncos因此，折射率调整须满足：pHsHnnpLsLnn第140页/共199页1420.91.01.11.21.3405060708090100 p-polarization s-polarization Transmittance (%)Wavelength (m)对于p偏振光，膜系的结构为 1.52/(HL)15

40、H/1.0 585. 1pHn553. 1sHn479. 1pLn510. 1sLnH.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 第141页/共199页1430.750.800.850.900.951.00020406080100 p-polarization s-polarization Transmittance (%)Wavelength (m)对于s偏振光波，薄膜结构为：1.

41、52/0.8620H 0.3698L 1.3012H 0.7343L 1.3777H 0.6182L(HL)11 09. 2pHn97. 1sHn39. 1pLn42. 1sLn第142页/共199页1440.880.890.900.910.920.020.040.060.080.0100.0 p-polarization s-polarization Transmittance (%) Wavelength () (um) 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 92. 1pHn46. 1pLn809. 1sHn

42、525. 1sLn4545 消偏振宽带通滤光片消偏振宽带通滤光片第143页/共199页1450.800.850.900.951.001.050.020.040.060.080.0100.0 p-polarization s-polarization Transmittance (%) Wavelength (um)对于p-偏振光，膜系为：/1.5037H 2.5875L 2.1166H 1.0280L 0.9722H 1.0141L H (HLHLHLH)492. 1pHn46. 1pLn84. 1sHn54. 1sLnH.J. Qi, R.J. Hong, K. Yi, J.D. Shao,

43、 Z.X. Fan, “Non-polarizing and polarizing filter design”, Appl. Opt., 2005, 44(12): 2343-2348 第144页/共199页146第145页/共199页147400.0500600700800900100011001200130014001500.00.05101520253035404550556065707580859096.2NM%T 消半波孔的短波通薄膜的制备第146页/共199页148 70080090010001100120013000204060801000.00946T(%)wavelengt

44、h nmT=93.65%R=99.954%第147页/共199页149 90095010001050110011501200020406080100Transmittance(%)wavelength(nm)T1030=0.01T940=97.73T980=93.63第148页/共199页150第149页/共199页151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第150页/共199页152第151页/共199页153第152页/共199页154第153页/共199页155第154页/共199页156第155页/共199页157第156页/共199页158第157页/共199页

45、159第158页/共199页1601、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、投影透镜第159页/共199页1611、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、投影镜头第160页/共199页1621、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、投影镜头第161页/共199页163第162页/共199页164第163页/共199页165第164页/共199页166 激光对光学薄膜的损伤过程包含了激光作用的光学力学

46、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损伤。第165页/共199页167)/exp(220arII)44exp()4(),(222220aDrDxaDDcaJtzrTtttt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/. 第166页/共199页168第167页/共199页169第168页/共199页170第169页/共199页171第170页/共199页172双腔窄带干涉滤光片的驻波场

47、模拟第171页/共199页1730501001502002503000500100015002000Temperature rise above ambient (K)Vertical distance from surface (nm) k=0.02 k=0.015 k=0,01 d=4nm表面吸附层厚度对TiO2单层膜温度场分布的影响 05010015020025030005001000150020002500Temperature rise above ambient (K)Vertical distance from surface (nm) d=2nm d=4nm d=0nm k=0

48、.015表面吸附层消光系数对TiO2单层膜温度场分布的影响第172页/共199页174 05001000150020002500050100150200250300350400Temperature rise above ambient(K)Verticl distance from surface(nm) without adheision& interface absorption layer 0500100015002000020040060080010001200 with adheision& interface absorption layerTemperature

49、 rise above ambient(K) Verticl distance from surface(nm)不考虑表面及界面吸收的温度场考虑界表面吸附、界面吸收的温度场第173页/共199页175 1064nm 1050nm 1015nm 978nm 第174页/共199页176 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空洞和结瘤，从其功能上看，应包括：结结构缺陷、杂质缺陷、化学缺陷、力学缺陷、电致缺陷构缺陷、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吸收缺陷，为了便于处理把吸收缺陷

50、当作小球处理把吸收缺陷当作小球处理。 第175页/共199页177杂质热传导方程的精确解 yybyyycydyaryyyyerabarKKaKITrtyhiip22222022sin)cossin()/sin()cos(sin216131432iar2其中ihKKc12/1)/)(/(hiihKKb 从以上方程可以看出，由杂质吸收引起的薄膜温升与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。 第176页/共199页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