物理光学7--11.29

1、光学原理与应用光学原理与应用2-112-11光光 学学 薄薄 膜膜一一. 概述概述 光射到任何一个光学零件的表面上都有要发生反射和折射，不光射到任何一个光学零件的表面上都有要发生反射和折射，不同的光学系统对反射率和透射率有不同的要求。对于透射成像的光学同的光学系统对反射率和透射率有不同的要求。对于透射成像的光学系统，反射不仅降低了透过光学系统的能量，而且造成杂散光，降低系统，反射不仅降低了透过光学系统的能量，而且造成杂散光，降低了系统的成像的清晰度。了系统的成像的清晰度。 镀膜的办法就是在光学零件表面用化学方法或真空溅射的方法涂镀膜的办法就是在光学零件表面用化学方法或真空溅射的方法涂敷透明电介

2、质（或金属）薄膜，膜的总层数视需要而定，少则一层，敷透明电介质（或金属）薄膜，膜的总层数视需要而定，少则一层，多则一、二十层。其原理就是利用薄膜的多光束干涉效应以改变反射多则一、二十层。其原理就是利用薄膜的多光束干涉效应以改变反射和折射光强的分配。和折射光强的分配。 光学薄膜主要用于增加或减少反射率、透过率；使光束分开或合光学薄膜主要用于增加或减少反射率、透过率；使光束分开或合并；分色；实现光的起偏或检偏；实现光谱的带通或带阻；调整光的并；分色；实现光的起偏或检偏；实现光谱的带通或带阻；调整光的相位等等。相位等等。 二二. 光学薄膜的种类与作用光学薄膜的种类与作用 光学薄膜的用途很广，种类繁多

3、。光学薄膜的用途很广，种类繁多。 按照薄膜的结构可分为：单层膜，双层膜，三层膜和多层膜等。按照薄膜的结构可分为：单层膜，双层膜，三层膜和多层膜等。 根据薄膜的功能特点，可以归纳为七大类：减反膜，反光膜，根据薄膜的功能特点，可以归纳为七大类：减反膜，反光膜，分光膜，滤光膜，偏振膜，电热膜等。分光膜，滤光膜，偏振膜，电热膜等。 1、减反射膜减反射膜:以增加透射、减少光在光学基底表面的反射损失以增加透射、减少光在光学基底表面的反射损失为目的，使透过光学基底的光能量增加，因此又称增透膜。以光谱为目的，使透过光学基底的光能量增加，因此又称增透膜。以光谱区域的通带范围来分又有窄带减反射膜、宽带减反射膜和超

4、宽带减区域的通带范围来分又有窄带减反射膜、宽带减反射膜和超宽带减反射膜等。反射膜等。 2、反射膜反射膜:在光学基底表面镀敷金属膜或全介质膜，使其反射在光学基底表面镀敷金属膜或全介质膜，使其反射率大幅度提高。反射膜也可分为窄带反射膜和宽带反射膜。率大幅度提高。反射膜也可分为窄带反射膜和宽带反射膜。 2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜 3、分光膜分光膜:有分束膜与分色膜之分。前者能使入射光按要求的有分束膜与分色膜之分。前者能使入射光按要求的比例分成反射光与透射光，属于能量分光。后者将入射光按光谱的比例分成反射光与透射光，属于能量分光。后者将入射光按光谱的不同波段分成反射光与透射光，属于色谱

5、分光。不同波段分成反射光与透射光，属于色谱分光。 4、滤光膜滤光膜:可分为密度滤光膜（又称中性滤光膜）：用于减弱可分为密度滤光膜（又称中性滤光膜）：用于减弱光强度；截止滤光膜，以波长为界，一边截止，一边通过；带通滤光强度；截止滤光膜，以波长为界，一边截止，一边通过；带通滤光膜，使特定波段的光通过。光膜，使特定波段的光通过。 5、偏振膜偏振膜:有产生偏振光的偏振膜和消除偏振光的消偏振膜。有产生偏振光的偏振膜和消除偏振光的消偏振膜。 6、保护膜保护膜:涂敷在化学稳定性较差的光学基底的表面或金属膜涂敷在化学稳定性较差的光学基底的表面或金属膜的外层，防止表面潮解、生霉、起雾、氧化并提高表面硬度防止损的

6、外层，防止表面潮解、生霉、起雾、氧化并提高表面硬度防止损伤。保护膜对基底的光学性能影响甚微。伤。保护膜对基底的光学性能影响甚微。 7、电热膜电热膜:有透明和不透明之分。不透明的电热膜涂敷在基底有透明和不透明之分。不透明的电热膜涂敷在基底非工作部位。电热膜将电能转换为热能，可防止基底低温结霜。非工作部位。电热膜将电能转换为热能，可防止基底低温结霜。 2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜 三三. 单层光学膜单层光学膜 1.光束正入射薄膜表面光束正入射薄膜表面 膜的作用：改变膜的作用：改变 neff 已知：已知：r1t1n1n0n2r1r2t1t2hRTrrrrrrrrEERhnEerrerr

7、Erttrririiir1cos21cos2cos22112122212122212)()(1)(2121)(211111透射率：透射率：00.10.20.30.40.512345R图图2-42 垂直入射时垂直入射时R随随n的变化关系的变化关系振幅：振幅：能量反射率能量反射率：2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜2sin)(2cos)(2sin)(2cos)(R22112022202211202220nnnnnnnnnnnn正入射时：正入射时：结论：结论：1. 镀膜可改变镀膜可改变R，正入射时，正入射时， nh=/4 R变化最大变化最大；nh=/

8、2 R不变不变；2. n1是控制是控制 R 的唯一因素，的唯一因素，正入射且正入射且nh=/4 时；时； L. n1 ，低反射（增透），低反射（增透），n0n1n2R最小最小 H. n1，高反射（增反），高反射（增反），n0n2R最大最大3. 只对单色光成立。只对单色光成立。图图2-43 介质膜的反射率随其光学厚介质膜的反射率随其光学厚度的变化关系，膜的折射率为度的变化关系，膜的折射率为ni （ 0=0，n0=1，n2=1.5）0.50.40.30.20.10.040.0200/430/40/2nihni=1.7ni=2.0ni=3.0ni=1.4ni=1.2Rni=1.0和 1.51.01.

9、21.41.62046R%n1n0=1.0n2=1.522-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜图图2-43 反射率R随膜层折射率n1的变化曲线正入射正入射且且nh=/4 时的反射率：时的反射率：2212022120)()(Rnnnnnn2sin)(2cos)(2sin)(2cos)(R22112022202211202220nnnnnnnnnnnn2.光束斜入射薄膜表面光束斜入射薄膜表面 薄膜对入射光中薄膜对入射光中分量和分量和 / 分量的反射振幅比分别：分量的反射振幅比分别：00001coscoscoscosnnnnr0000/1cos/cos/cos/cos/nnnnrggggnnnn

10、rcoscoscoscos2ggggnnnnrcos/cos/cos/cos/2定义定义 为有效折射率，对于为有效折射率，对于光光 =ncos ，对于，对于 / 光光 =n/cos nnn001nnnnrnnnnrgg22-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜四四.多层光学膜多层光学膜/4 膜系多层高反射膜膜系多层高反射膜 0层（未镀膜）层（未镀膜） 1层层 /4 膜膜220200nnnnR2002221022102212021201IInnnnnnnnnnnnnnnnRn0n2RR0、R1相比两者相比两者 n2 nI =n12 / n2且：且：n1 n2时，时，R （nI n2） n1 n

11、2时，时，R （nI n2） /4 膜可改变介质表面的有效折射率，使膜可改变介质表面的有效折射率，使R改变改变 双层零反射膜双层零反射膜 多层高反射膜多层高反射膜 G glass, A air, H high index, L low index 2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜G.H.A:G.H.L.A:G.H.L.H.L.HA: nH 高折射率，高折射率， nL 低折射率低折射率 nG 基片折射率基片折射率GHIIIHGHGHnnnnnnnnnnnnnR220022020,GHLILIIIIIILILIHLnnnnnnnnnnnnnnnnR22220022020,GHmLHmmA

12、mAnnnnnnnnnR221221212)(,A n0HHHLLnGHL2m+12-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜0221202120120)(4141nnnnnRnnnnnnRHGmHLmmm结论结论: (/4 膜系，垂直入射）膜系，垂直入射）1. 高反是奇数膜高反是奇数膜; 2. 层数层数 R ; 3. R 随随 变变 .500 5503002305000 1000 600400300 2500(纳米)176纳米022)(41nnnnnRTHGmHL图图2-44 正入射时多层介质膜的反射曲线正入射时多层介质膜的反射曲线2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜 0时：时：0001

13、 , 1DDgg0001 ,1DDgg00,1DDggg2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜层数层数 ，反射带边缘波长，反射带边缘波长e的相位变化的相位变化e 极限极限反射带半宽反射带半宽)arcsin(2LHLHnnnngD结论：结论：D Dg 值由值由 nH / nL值决定，值决定， nH / nL值大值大D Dg 大大 反射带反射带宽宽例：例： HeNe Laser 的膜片：的膜片：)(38. 1)(34. 2MgFnZnSnLHDDD2222222)()2(sin)2(sin)1 (2coscos)(cosLHLHeLHLHennnngggnnnnQ2-11 2-11 光光 学学

14、 薄薄 膜膜84. 01,16. 1116. 0)38. 134. 238. 134. 2arcsin(221DDDgggggHeNe Laser 激光中心波长：激光中心波长： e=0.6328mmmgmmg745. 084. 06328. 0545. 016. 16328. 0202101HeNe 激光器膜片在激光器膜片在0.545 m 0.745 m波长范围内反波长范围内反射率较高射率较高2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜五五.光学薄膜的矩阵理论光学薄膜的矩阵理论 透射矩阵透射矩阵: ziziiiziziEEWEE, 1iiiiVVW11, 11100ziziiiziziEEeeE

15、EiiiiiiieeU00令令 111, 122, 111 , 011zkzkkkkkkzzEEWUWUWUWEE 11111122111110zkzkkkKkkEEVVUVVUVVUVV2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜定义第定义第i层膜的特征矩阵：层膜的特征矩阵： 1iiiiVUVMiiiiiiiYYicossin/sincostktkttHEMHE, 1, 1, 1, 1式中式中 为膜系的特征矩阵。为膜系的特征矩阵。 ikiiMMII111knMCBBCY nk+1为基底材料的折射率2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜膜系的反射率为：膜系的反射率为：)()()()(0000

16、YnYnYnYnRn0为入射介质的折射率。同理可得透射率的计算表达式。为入射介质的折射率。同理可得透射率的计算表达式。 上述矩阵方法为研究多层薄膜理论的现代方法，对于上述矩阵方法为研究多层薄膜理论的现代方法，对于基本研究和数值计算，它均具有快捷和普遍两大优点。基本研究和数值计算，它均具有快捷和普遍两大优点。 2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜干涉滤光片干涉滤光片 滤光片简介滤光片简介 滤光片作用、用途滤光片作用、用途作用：让某一波段光通过，禁其余波段光通过，以消除杂散光作用：让某一波段光通过，禁其余波段光通过，以消除杂散光 对测量的影响对测量的影响用途：产生单色光、提高信噪比、保护光接

17、受器、波长复用用途：产生单色光、提高信噪比、保护光接受器、波长复用例：例：a. 防护：防护： 电影放映中消除强红外烧影片电影放映中消除强红外烧影片灯丝灯丝 红外吸收滤片红外吸收滤片 影片影片 物镜物镜 银幕银幕 2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜 冷光镜冷光镜 灯丝灯丝 滤光片滤光片 影片影片 物镜物镜 （反可见）（反可见） （透可见）（透可见） （透红外）（透红外） （吸红外）（吸红外） 防护眼睛 电焊用、太阳眼镜、激光防护镜等b. 测量 激光测距光接受器 滤光片（只透1.06m)1.06mYAG激光器2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜 荧光分析荧光分析激光检查癌细胞激光检查

18、癌细胞 He-Cd 激光器激光器 滤光片滤光片 (只透只透0.4416m） （消除杂散光）（消除杂散光） =0.4416mF1F2被检查生物组织被检查生物组织0.4416m+杂散光杂散光+荧光荧光滤光片（只透滤光片（只透0.4416m）光探测器 光谱测量光谱测量 滤去高级次光谱滤去高级次光谱2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜 滤光片种类滤光片种类 按结构分按结构分：吸收型：吸收型彩色玻璃、有色液体彩色玻璃、有色液体例：0.6m 2.7m %透过率HB9 红色玻璃%透过率 0.5 0. 6 1.0 2.0 (m)LB6干涉滤光片F-P 干涉仪 按用途分： 窄带滤光片 宽带滤光片 中性滤光

19、片 小 大各透过率相等2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜 按波长分按波长分：红外滤光片：红外滤光片只透红外光只透红外光 可见光滤光片可见光滤光片只透可见光只透可见光 紫外滤光片紫外滤光片只透紫外光只透紫外光 滤光片特征参量滤光片特征参量 峰值波长峰值波长 0 透过率最大处波长透过率最大处波长 光谱宽度光谱宽度透过率最大值一半处的波长范围透过率最大值一半处的波长范围 小：窄带滤光片，小：窄带滤光片， 大：宽带滤光片大：宽带滤光片 峰值透过率峰值透过率Tm 干涉滤光片干涉滤光片 结构结构F-P 干涉仪型结构干涉仪型结构TmTm/2T %0HHLHHL空气玻璃高反层间隔层高反层2-11 2-

20、11 光光 学学 薄薄 膜膜 峰值波长 ：m =2nh/m 自由谱区： = /m= 2/2nh， =c/2nh 光谱宽度： RRnh122 1 2 白光（未滤光前） 特征参量特征参量2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜问题讨论问题讨论 透过率透过率影响因素影响因素 a. baRR 理想理想：HHLHHLGRa=RbRbAAG实际实际：HHLHHLGabLLAirbaRR 2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜2max)1 (bababaRRTTTRRQ无吸收时：无吸收时：数字例：数字例：)(38. 1),(40. 21,1MgFnZnSnTRTRLHbbaaa 层层 b 层%2 .2

21、71%8 .72)62.120 . 162.120 . 1(62.1238. 140. 2)(23422aaaLHLHIIIRTRnnnnna45.1152. 1138. 140. 2)(2422GHLHIIInnnnnb%4 .381%6 .61)45.1138. 145.1138. 1(2aabRTR%7 .9571. 0,18. 1maxTTTRRbaba若：则：%753maxTTTba2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜吸收吸收膜层吸收、散射膜层吸收、散射222max)1 (1)(TAATTTT实际透射率，实际透射率， R实际反射率，实际反射率，A实际吸收率实际吸收率 T+A+R

22、=1b.工艺、材料工艺、材料材料均匀性，颗粒大小材料均匀性，颗粒大小 散射散射 光能损失光能损失 中心波长控制中心波长控制nmdnmddnhdnhdmnh2 . 5520%1%12000000000若：例：对 nh 的控制应按实际需求控制2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜 几种效应几种效应a.老化效应老化效应滤光片光学性能随时间变滤光片光学性能随时间变 中心波长中心波长 0 ，谱宽，谱宽 办法：密封、防潮办法：密封、防潮b.温度效应温度效应温度变温度变 0 变，变，温度温度 0 ，温度温度 0 一般偏移率：一般偏移率：0.01 0.03nm/Cc.入射角效应入射角效应 0 、 、 Tm随随入射变入射变 一般：入射角一般：入射角 0 ， ， Tm 2-11 2-11 光光 学学 薄薄 膜膜偏振薄膜偏振薄膜原理：布儒斯特角入射 产生偏振光反射光（全偏光）入射光折射光（部分偏振）B缺点：反射光：偏振度高 1 偏振光强度低 （对空气玻璃，反射率 4%）折射光：偏振度低 偏振光强度高要求：偏振度、光强度都高办法：布儒斯特角入射 高偏振度 镀多层膜 高强度光2-11 2-11 光光