薄膜光学学习教案

1、会计学1薄膜光学薄膜光学第一页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系金属反射镜金属反射镜中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所第1页/共41页第二页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ag膜、膜、Al膜及膜及Al+LHLH膜光谱比较膜光谱比较增强金属膜增强金属膜第2页/共41页第三页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密

2、机械与物理研究所全介质高反膜全介质高反膜 由1/4波长厚度的高低折射率材料交替构成的HLH.LH型膜系，其导纳可以由其特征矩阵较为容易的得到：GHSLHnnnnY22而反射率：200YnYnR层数s趋近无穷大，R趋近1。第3页/共41页第四页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所57917层反射膜光谱层反射膜光谱 由上图可以看出最高反射率随层数增加，而反射带宽并不增加第4页/共41页第五页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械

3、与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所22cosLHLHnnnn边边边边界界条条件件：LHLHnnnngggg122sin2,2sincos,122边边边边边边因此因此称为相对波数称为相对波数/2242000gg第5页/共41页第六页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所HLLHnnnng1sin2反射带宽：第6页/共41页第七页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究

4、所用相对波数表示带宽：gg11用波长表示带宽：gg1102010200021/21/1/ggggg第7页/共41页第八页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所000500032525/5/923/3/ggggggggg5 ,3 ,1波长带宽同样道理，在1/3、1/5、1/7、1/9处的反射带边界为：第8页/共41页第九页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所全介质反射膜反射带展

5、宽两个以上的标准反射膜系的叠加变厚度薄膜：算术递减几何递减：稍好第9页/共41页第十页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所如何减小反射带宽HLLHnnnng1sin2第10页/共41页第十一页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所红：G/(LF)50L/Air 绿：G/(7H 7F)5 7F/Air nH=2.3 nL=1.46 nF=1.38 0=550nm第11页/共41

6、页第十二页，编辑于星期日：十九点 四十六分。负滤光片第12页/共41页第十三页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所反射膜系中的电场分布反射膜系中的电场分布 当两列振幅相同的相干波沿相反方向传播时，叠加后便产生驻波。全介质高反膜系中沿正、反两个方向行进的平面电磁波满足相干条件，当反射率接近1时，满足驻波形成的条件；精确的计算可以用矩阵的方法进行； 在高能激光反射膜中经常关心电场的分布情况第13页/共41页第十四页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中

7、国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所G/(HL)8HAir 反射膜系的电场分布情况第14页/共41页第十五页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光反射镜电场设计两个原则两个原则第15页/共41页第十六页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所滤光片q 干涉截止滤光片 q 窄带、带通滤光片q 金属滤光片q 负滤光片第16页/共41页第十七页

8、，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所q 干涉截止滤光片 有些场合，人们利用反射膜截止某一段光谱，同时还要求另一段光谱透射。Long-pass or Short-pass Filters IR cut off filters Hot mirrors Cold mirrors Edge filters Dichroic Filters 我们一般称为前、后截止滤光片和 分色膜它们有着近似的膜系结构，使用方式有所不同。第17页/共41页第十八页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光

9、光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 要求某一波长范围的光束高效透射而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射(或称抑制)的干涉截止滤光片有着广泛的应用（例如：电影放映机中的冷光镜）， 通常我们把抑制短波区、透射长波区的滤光片称为长波通滤光片。相反抑制长波区、透射短波区的截止滤光片就称为短波通滤光片。第18页/共41页第十九页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 1透射曲线开始上升(或下降)时的波长以及此曲线上升(或下降)的许

10、可斜率 2高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内许可的最小透射率 3具有低透射率的反射带(抑制带)的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率。干涉截止滤光片的几个重要指标第19页/共41页第二十页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 干涉截止滤光片的基本结构与前面讲的反射膜是一样的，都是HL四分之一波长的形式第20页/共41页第二十一页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理

11、研究所通带波纹的压缩通带波纹的压缩 可以看出标准的四分之一波长的反射膜在反射带以外，透射率是震荡的，或者说通带内由较大的波纹幅度，我们下面利用等效折射率的方法来分析，找到波纹压缩的方法。 HLLH型的膜系在最外端稍加变化则可以用（L/2HL/2)n或(H/2LH/2)n来替代。这样我们就可以用周期膜系的等效折射率的方法进行分析了。第21页/共41页第二十二页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对于以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜对于以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜，却具

12、有单层膜特征矩阵的所有特点，在数学上存在，却具有单层膜特征矩阵的所有特点，在数学上存在着一个等效层，这为等效折射率理论奠定了基础。着一个等效层，这为等效折射率理论奠定了基础。 下下面我们就以最简单的对称膜系面我们就以最简单的对称膜系(pqp)为例说明对称膜系在为例说明对称膜系在数学上存在一个等效折射率的概念。这个称膜系的特征矩阵为数学上存在一个等效折射率的概念。这个称膜系的特征矩阵为： 对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率ppppppqqqqqqpppppppqppqpiiiiiiMMMMMMcossinsincoscossinsincoscossinsincos22211211第22页/

13、共41页第二十三页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 由于对称膜系的待征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的由于对称膜系的待征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的性质，可以假定以相似的形式来表示：性质，可以假定以相似的形式来表示： 对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率cossinsincos22211211iEEiMMMMMpqp因此它可以用一层特殊的等效单层膜来描写，因此它可以用一层特殊的等效单层膜来描写， 这层等效膜的这层等效膜的折射率折射率E（等效折射率）和位相厚度（等效折射率）

14、和位相厚度 (等效位相厚度等效位相厚度) 可以由可以由下面方程求得：下面方程求得：sinsin,cos21122211iEMEiMMM1221MME第23页/共41页第二十四页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率对于某些波长范围对于某些波长范围M11的绝对值大于的绝对值大于1截截止止区区。对对应应的的波波长长范范围围是是的的概概念念不不再再存存在在，这这时时也也是是虚虚数数等等效效折折射射率率为为虚虚数数，可可以以得得到到即即E1cos122

15、11 MM第24页/共41页第二十五页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率对于M11的绝对值小于1的情况：ssiEsEisMiEEiMiEEiMssscossinsincoscossinsincoscossinsincos可可以以证证明明：膜膜系系的的特特征征矩矩阵阵为为：为为：的的基基本本周周期期的的特特征征矩矩阵阵令令一一个个周周期期性性对对称称膜膜系系 上式表示一个周期性对称膜系在它的透射带中仍然存在有一个等效折射率，它和基本周期对称组

16、合等效折射率E完全相同，并且它的等效位相厚度等于基本周期的等效位相厚度s倍第25页/共41页第二十六页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所第26页/共41页第二十七页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所L/2HL/2等效折射率H/2LH/2 对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率第27页/共41页第二十八页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典

17、型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通过对L/2HL/2和H/2LH/2两种基本型等效折射率分析可以得到L/2HL/2适合短波通第28页/共41页第二十九页，编辑于星期日：十九点 四十六分。第29页/共41页第三十页，编辑于星期日：十九点 四十六分。第30页/共41页第三十一页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种压缩波纹的简单的方法是选择合适的基本周期，通过改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变到更接近预期值，要使这种方法有成效

18、，则要求光洁基片保持低的反射率即基片应有低的折射率，在可见光区，玻璃是十分满意的基片材料，但是这种方法不能不加修改就用于红外区，例如用于硅板和锗板， 更常用的方法是在多层膜的每一侧加镀匹配层，使它同基片以及入射介质匹配。第31页/共41页第三十二页，编辑于星期日：十九点 四十六分。第32页/共41页第三十三页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通带的展宽与压缩 /4堆这种型式的长波通滤光片，其长波通带可以一直延伸至膜料和基片的吸收限宽度是足够的，但短波通滤光片因为有更高级次的截止区，

19、所以它的通带宽度是有限的，在有些情况下例如某些类型的热反光镜，就要求宽得多的短波通带，现在我们讨论短波通滤光片通带的展宽的问题。第33页/共41页第三十四页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 通过改变基本周期的结构形式，调整每层的折射率、厚度，使1212211mm的条件不满足，可以消除某些级次的反射带。第34页/共41页第三十五页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所第35页/共41页第三十六页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学薄膜的类型与符号2.滤光膜3 保护膜4 内反射5 外反射6 高反膜7 分束膜8 分色膜9 偏振膜10 导电膜小结：第36页/共41页第三十七页，编辑于星期日：十九点 四十六分。薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系中