薄膜光学技术

1、23n截止滤光片截止滤光片n某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长的光束骤陡然变化为高反射（的光束骤陡然变化为高反射（抑制抑制）的）的波段选波段选择截止滤光片择截止滤光片。n分类：分类：n短波通：短波区高透，长波区高反；短波通：短波区高透，长波区高反；n长波通：长波区高透，短波区高反。长波通：长波区高透，短波区高反。n结构形式上分类结构形式上分类n吸收型吸收型n薄膜干涉型薄膜干涉型n吸收与干涉组合型吸收与干涉组合型一、定义及特性参数一、定义及特性参数4长波通滤光片长波通滤光片抑制短波波段，透射长波波段抑制短波波段，透射长波波段5短波通滤光片短波通滤光片

2、抑制长波波段，透射短波波段抑制长波波段，透射短波波段6截止滤光片的特性参数截止滤光片的特性参数n1. 截止波长；截止波长；n2. 高透射带的光谱宽度，高透射带的光谱宽度，平均透射率，最小允许平均透射率，最小允许透射率；透射率；n3. 反射带光谱宽度，平反射带光谱宽度，平均反射率，最大允许透均反射率，最大允许透射率；射率；n4. 过渡区曲线陡度过渡区曲线陡度/过过渡区的波长宽度。渡区的波长宽度。7n 周期性膜系周期性膜系(HL)s 用作截止滤光片的可能性用作截止滤光片的可能性通带与阻带通带与阻带 通带光学性能及存在的问题通带光学性能及存在的问题(HL)s干涉截止滤光膜系设计的主要任务干涉截止滤光

3、膜系设计的主要任务就是消除和减小通带波纹。就是消除和减小通带波纹。 二、基本膜系结构二、基本膜系结构8 为基本周期的对称膜系，就可以直接用为基本周期的对称膜系，就可以直接用等效折射等效折射率的概念率的概念进行分析了。进行分析了。2LH2L22和HLHn改进结构改进结构:在在(HL)SH的两侧各加一个的两侧各加一个 膜层。膜层。 n 干涉截止滤光片的干涉截止滤光片的基本膜系结构基本膜系结构：mmLHLHLH）或（22)22(8n通带光学性能通带光学性能 与与(HL)S具有相同的高反射带和高透射带分布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而且，高反射带的宽度也与(HL)SH的

4、相同。的相同。9 三、对称多层膜系的性能三、对称多层膜系的性能-等效特性等效特性n1. 等效特性等效特性 ： 具有具有对称结构的多层膜可等效成一个单层膜。对称结构的多层膜可等效成一个单层膜。等效的单层膜称为等效膜层。等效的单层膜称为等效膜层。 注意：注意： a“等效界面等效界面”等效介质等效介质等效导纳等效导纳 基底基底与任意多层膜组合导纳相对应。与任意多层膜组合导纳相对应。 b“等效膜层等效膜层” 等效折射率（位相厚度）等效折射率（位相厚度） 不含基底的对称结构多层膜与有确定不含基底的对称结构多层膜与有确定 折射率和厚度的折射率和厚度的单层膜相对应单层膜相对应。 c“等效等效”是数学的，也是

5、光学效果的。是数学的，也是光学效果的。101).1).单层介质膜的数学特性单层介质膜的数学特性nA. 有确定的有确定的nB. 特征矩阵特征矩阵 ，而且是实数；，而且是实数； 是纯虚数；是纯虚数； 单位模矩阵。单位模矩阵。;,n 22211211mmmmcossinnisinnicos令令2211mm 、2112,mm、121122211 mmmm、2.对称结构多层膜等效成对称结构多层膜等效成单层膜原因单层膜原因112). 2). 对称结构的多层膜的数学特征对称结构的多层膜的数学特征n以最简结构以最简结构(p q p)为例：为例：n可以得出：可以得出： M11=M22,而且是实数；而且是实数；

6、M12，M21是纯虚数；是纯虚数； ， M11M22-M12M21=1 因此，膜系因此，膜系(p q p)在数学上与一个单层介质膜等同。在数学上与一个单层介质膜等同。11122122cossincossincossinsincossincossincosppqqpppqppqppppqqqpppiiiMMMMMiii1112211cos2 cossin2 sin ,211sin2 coscos2 sinsin2211sin2 coscos2 sinsi22qppppqpqqpqppqpqqppqpqqpqpppqpqpqpqMiMMinq123). 等效折射率和等效位相厚度等效折射率和等效位相

7、厚度n设：设：(p q p)的等效层的折射率为的等效层的折射率为E，位相厚度为，位相厚度为n由由n 可得：可得： pqppqp22211211MMMMMcossinEisinEicos 21122211MsinEiMsinEiMMcos 111cosM1221MME 应用：应用： 利用给定折射率利用给定折射率np和和nq的三层组合的三层组合pqp可以合成具有可以合成具有要求的折射率要求的折射率E和位相厚度和位相厚度的膜层，并导出位相厚度的膜层，并导出位相厚度p和和q的解的解。132/1222222)(cos)()(cos)(qpqqpqpqqppmEqpqqpqmm22sin)(21cosar

8、ccos(pqp)m的等效层的折射率为的等效层的折射率为Em，位相厚度为，位相厚度为m都是波长的函数都是波长的函数14结论性说明：结论性说明：nA. 对称周期性膜系对称周期性膜系(pqp)m的等效折射率和等效位的等效折射率和等效位相厚度与相厚度与基本周期基本周期(pqp)的等效折射率和等效位相的等效折射率和等效位相厚度的关系为：厚度的关系为：nB. 可以证明：可以证明： 只在满足只在满足 的波段是实数；的波段是实数； 在满足在满足 和和 的波段是虚数，的波段是虚数，不存在，或无穷。不存在，或无穷。 n 真正的真正的等效层只在满足等效层只在满足 的波段存在的波段存在。pqpmEE ,E111M1

9、11M1M11 111M ,Epqpmm 153. 对称膜系的光谱特性对称膜系的光谱特性n 1）.满足满足 的波段，的波段， 均为实数，均为实数， 为高透射区为高透射区通带；通带；n 2）.满足满足 的波段，的波段， 均为虚数，均为虚数， 为高反射区为高反射区阻带；阻带；n 3）.满足满足 的波长的波长 是通带与阻带的是通带与阻带的 过渡波长过渡波长截止波长。截止波长。n 注：注：在在 和和 的波段，不能用的波段，不能用 表征和计算原膜系的光谱性能。表征和计算原膜系的光谱性能。111M ,E111M ,EC 1M11 111M1M11 ,E161）. 阻带及阻带反射率阻带及阻带反射率n a.

10、由由 可推知：可推知： 阻带出现在阻带出现在 g=1，3，5，为中心的波段；为中心的波段； n b. 由由 可得出：可得出： 阻带宽度阻带宽度 n c. 阻带内：阻带内： n d. 过渡区的曲线陡度随过渡区的曲线陡度随 的增大，或周期的增大，或周期数数 m 的增加的增加, 而变陡。而变陡。111M1M11 LHLH1sin4g2 20ggg2 mR,nnRLH LHnn 172）. 通带及通带透射率通带及通带透射率n a. 由由 可推知：通带出现在可推知：通带出现在 g=2, 4, 6, 为中心的波段；为中心的波段；n b. 通带内：由于通带内：由于 ，其等效单层膜有：，其等效单层膜有：pq2

11、 212q2pq2qp2q2pq2qpPcoscosE q2pqqpq21sin21osccosm 111M2LH2L22和HLH18 显然，显然， 随波长的变化情况，将决定膜系通随波长的变化情况，将决定膜系通带内反射率随波长的变化特性。带内反射率随波长的变化特性。 22S022S022S022S0sinEEcossinEEcosR即即： ,E对称多层膜在对称多层膜在透射带内透射带内能够代换成一个单层膜，所以膜系能够代换成一个单层膜，所以膜系透射带内透射带内的的反射率反射率将在两个数值之间振荡，即在将在两个数值之间振荡，即在 200YYR 200EE 注注意意 20201SSR2202202S

12、SnEnER19四、四、 通带波纹的压缩通带波纹的压缩n “波纹波纹”通带内的反射率极大值群。通带内的反射率极大值群。n 1.波纹产因：波纹产因：n 由于由于 和和 都是波长的函数，都是波长的函数，a. 满足满足n 的波长点将出现反射次峰；的波长点将出现反射次峰；n b. 反射次峰反射次峰的高低为的高低为E ,.3 , 2 , 1 , 0,212kkm 2S202S20nEnER u位相耦合位相耦合20很明显，很明显，次峰的高低取决于次峰的高低取决于 值趋近于值趋近于 的程度。的程度。n 当当 时时 ：n n nn显然显然，反射次峰的出现，是由于反射次峰的出现，是由于位相耦合位相耦合和和折折射

13、率失配射率失配同时存在同时存在而造成的。而造成的。S2nE0 10 u折射率失配折射率失配12snER越小R越大12越偏离snE21ALHLSm22222. 消除消除/压缩压缩“波纹波纹”n原则原则:使产生反射次峰的两个条件中任意一个被破使产生反射次峰的两个条件中任意一个被破坏即可。坏即可。方法：方法：1.选取一个选取一个对称组合对称组合，使其通带内的，使其通带内的等效折射率平方等效折射率平方接近接近基底的基底的折射率折射率，即使即使R1接近接近R2。（条件：基片的折射率小，反射损耗不大）（条件：基片的折射率小，反射损耗不大）通常受到现有薄膜材料的限制。通常受到现有薄膜材料的限制。2.在对称膜

14、系的每一侧加镀匹配层。在对称膜系的每一侧加镀匹配层。 3.自动合成法。自动合成法。23mHLH2245. 135. 2LHnnmLHL222. 消除消除/压缩压缩“波纹波纹”g1234E45. 135. 222HLH22LHL 2S202S20nEnER 方法一：方法一：2021-12-2122222222222222cos)(cos)(2),22(cos)(cos)(2),22(HLLHHLLHLHLLHLHLHLHHLHnnnnnnnnnELHLFornnnnnnnnnEHLHFor在截止区，E=0 or For nH=2.35, nL=1.45g=0, E =E = = 1.84g=2,

15、 E = =2.99 E = =1.14)22(HLH)22(LHL)22(HLH)22(LHLLHnnLHnn /3HLnn /322020)/(ssmnEnnEnR短波通短波通25 2HL2H 2LH2L膜系适合膜系适合于短波通于短波通滤光片滤光片膜系适合膜系适合于长波通于长波通滤光片滤光片26mHLH22mLHL22长波通截止滤光片长波通截止滤光片短波通截止滤光片短波通截止滤光片27方法二：方法二：n0 n1 E n3 nsEnn01Enns3基本思想基本思想: 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。似的基本周期匹配。减反射膜28方法二：方法二： 增加折射率匹配层消波纹增加折射率匹配层消波纹 n例：例：在膜系在膜系 中增加匹配层后，中增加匹配层后， 新膜系新膜系 通带性能提高。通带性能提高。AHLHG1522AHLHHLHG123222205. 12930五、截止滤光片的中心波长五、截止滤光片的中心波长0？0=450nm0=750nm311. 分色镜（彩色分光膜）分色镜（彩色分光膜） 三基色分色；三基色分色； 消红，消蓝。消红，消蓝。2. 宽宽带通滤光片带通滤光片 “ 短波通短波