光学薄膜系统设计-6-2-2012

1、干涉截止率光片：在某一波长范围的光束高透射，而偏离干涉截止率光片：在某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长区域的光束骤然变为高反射。通常把抑制短波区、这一波长区域的光束骤然变为高反射。通常把抑制短波区、透射长波区的截止虑光片称长波通虑光片，相反，抑制长透射长波区的截止虑光片称长波通虑光片，相反，抑制长波区，透射短波区的截止虑光片称为短波通虑光片。波区，透射短波区的截止虑光片称为短波通虑光片。2.4 干涉截止虑光片干涉截止虑光片短波通虑光片的典型特性短波通虑光片的典型特性长波通虑光片的典型特性长波通虑光片的典型特性滤光片的特性通常由下滤光片的特性通常由下列参数确定：列参数确定：（1）透射曲线开

2、始上升（或下降）透射曲线开始上升（或下降）时的波长，以及此曲线上升（或下时的波长，以及此曲线上升（或下降）的许可斜率。定义截止陡度：降）的许可斜率。定义截止陡度：（2）高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此）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。透射带内许可的最小透射率。（3）反射带（或称抑制带）的光谱宽度以及在此范）反射带（或称抑制带）的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大投射率。围内所许可的最大投射率。80%5%15%100S过渡区中透射率为过渡区中透射率为50时对应时对应的波长常被称为截止波长的波长常被称为截止波长c干涉虑光片的基本类型是干涉虑光片的基本类型是 多

3、层膜，这类膜系的透射率多层膜，这类膜系的透射率曲线的主要特征是一连串的高反射带间隔以高透射带。曲线的主要特征是一连串的高反射带间隔以高透射带。通带中存在有明显的波纹，当波纹较大时会严重地损害透射带通带中存在有明显的波纹，当波纹较大时会严重地损害透射带的性能，可以修正膜系以压缩或消除这些波纹。如果的性能，可以修正膜系以压缩或消除这些波纹。如果/4膜堆膜堆的两侧各加一个的两侧各加一个 或或 层，不会大幅改变膜系的性能，这样层，不会大幅改变膜系的性能，这样可把标准的可把标准的/4膜堆转化为一个标准的对称周期结构。膜堆转化为一个标准的对称周期结构。()2L2H()良好长波通虑光片的膜系为：良好长波通虑

4、光片的膜系为：良好短波通虑光片的膜系为：良好短波通虑光片的膜系为：运用对称周期结构等效折射率理论可以分析膜系透射带的特性。运用对称周期结构等效折射率理论可以分析膜系透射带的特性。对称周期结构等效为单层膜，这个等效的单层膜的折射率为等效对称周期结构等效为单层膜，这个等效的单层膜的折射率为等效折射率，位相厚度为各个基本周期之和。通常波纹幅度大小是由折射率，位相厚度为各个基本周期之和。通常波纹幅度大小是由等效折射率与基片和入射介质的匹配程度决定的，而波纹的密度等效折射率与基片和入射介质的匹配程度决定的，而波纹的密度由周期数多少决定的。因为周期数多，等效层厚度大，高级次干由周期数多少决定的。因为周期数

5、多，等效层厚度大，高级次干涉峰就会靠得很近，波纹就密。涉峰就会靠得很近，波纹就密。LHHLLHLHLHHLLHLHLHLLHLHLHLHLHLHLHLHHLHnnnnnnnnnnnnnnnnnELHLFornnnnnnnnnnnnnnnnnEHLHFor2cos2)(2cos2)(2),22(2cos2)(2cos2)(2),22(22222222222222()2222LLLLsHLHLHH()2222HHHHsLHLHLL长波通截止滤光片长波通截止滤光片 (0.5H L 0.5H) s 短波通截止滤光片短波通截止滤光片 (0.5L H 0.5L) s 等效导纳等效导纳 (H:2.35, L

6、:1.45)(H:2.35, L:1.45) 0.5H L 0.5H 0.5L H 0.5Lg(0/) E E0.01.841.840.21.821.870.41.731.960.61.532.220.80.853.981.0虚数虚数- -截止区截止区虚数虚数- -截止区截止区1.26.460.521.43.600.941.63.171.071.83.031.122.0虚设虚设虚设虚设G (0.5HL0.5H)10 A G (0.5LH0.5L)10 A截止虑光片通常的波纹通常波纹幅度大小是由等效折射率与基片和入射介质的匹通常波纹幅度大小是由等效折射率与基片和入射介质的匹配程度决定的，而波纹的

7、密度是由周期数多少决定的，因配程度决定的，而波纹的密度是由周期数多少决定的，因为周期数多，那么这个等效层的厚度就大，高级次干涉峰为周期数多，那么这个等效层的厚度就大，高级次干涉峰就会靠的很近，波纹就密。就会靠的很近，波纹就密。通带波纹的压缩：通带波纹的压缩：对于基本周期对于基本周期 ，在长波侧，在长波侧等效折射率等效折射率 ，在，在玻璃基片上可以产生一个良好的长玻璃基片上可以产生一个良好的长波通截止滤光片。波通截止滤光片。22HH(L)1.78eHLnnn以以nH=2.3，nL=1.38为例为例对于基本周期对于基本周期 ，在短波侧，在短波侧等效折射率等效折射率 ，在，在玻璃基片上可以产生一个良

8、好的短玻璃基片上可以产生一个良好的短波通截止滤光片。波通截止滤光片。1.78eHLnnn22LL(H)图图 15层长波通滤光片和一个层长波通滤光片和一个15层短波通滤光片层短波通滤光片通带波纹的压缩：通带波纹的压缩：一种压缩波纹的简单的方法是改变基本周期内的膜层厚度，一种压缩波纹的简单的方法是改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变得更接近预期值。要使这种方法有效，则使其等效折射率变得更接近预期值。要使这种方法有效，则要求光洁基片保持低的反射率。可见光区，玻璃是十分满意要求光洁基片保持低的反射率。可见光区，玻璃是十分满意的基片材料。的基片材料。更常用的方法是在多层膜的每一侧加镀匹配层，使它同

9、基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，如果在多层膜与基片之间插入一个片以及入射介质匹配，如果在多层膜与基片之间插入一个有效折射率为有效折射率为 的的 层，而在多层膜与入射介质之间插层，而在多层膜与入射介质之间插入一个有效折射率为入一个有效折射率为 的的 层，则只要层，则只要得到满足，可把插入层单纯地当作多层膜边界的减反射膜得到满足，可把插入层单纯地当作多层膜边界的减反射膜13443gE10E最简单的是选取一个组合膜，使其通带内的等效折射率最简单的是选取一个组合膜，使其通带内的等效折射率与基片折射率相接近。与基片折射率相接近。AHLHGS/)22(/匹配层匹配层

10、EnE0EnEs基本思想：由于单层膜只有一个零反射点，故常用多层膜或相同的基本周期匹配。问题一：通带波纹的压缩 n0 E nsEEb添加匹配膜层的长波通干涉截止滤光片光谱特性，添加匹配膜层的长波通干涉截止滤光片光谱特性，52. 1)H5 . 0HL5 . 0(0 . 11552. 1)H5 . 0HL5 . 0(95. 0)H5 . 0HL5 . 0(0 . 1312nH=2.3，nL=1.56(a)(b)aUV-CutIR-CutUV-Cut和和IR-Cut截止带的展宽截止带的展宽:可以采用把两个或数个截止滤光片的截可以采用把两个或数个截止滤光片的截止带拼接起来达到展宽截止的目的止带拼接起来

11、达到展宽截止的目的21 冷光镜的光谱特性冷光镜的光谱特性通带的展宽通带的展宽:以以/4膜堆为主体的长波通干涉截止滤光片，膜堆为主体的长波通干涉截止滤光片，其长波通带一直延伸至膜料和基片的吸收限，通带宽带是其长波通带一直延伸至膜料和基片的吸收限，通带宽带是足够的。但是对于短波通干涉截止滤光片来说，由于其存足够的。但是对于短波通干涉截止滤光片来说，由于其存在高级次的截止区，所以它的通带宽度是有限的。在高级次的截止区，所以它的通带宽度是有限的。抑制高级次高反射带能实现通带的展宽。抑制高级次高反射带能实现通带的展宽。截止滤光片的斜入射 S，p光谱曲线分离平板分色镜的偏振效应平板分色镜的偏振效应胶合立方

12、棱镜的偏振效应胶合立方棱镜的偏振效应胶合立方棱镜的偏振效应比平板型严重得多？胶合立方棱镜的偏振效应比平板型严重得多？只允许某一光谱的光束透过，相邻两侧的光谱光束截止。2.5 带通虑光片00jer00jeratbtbad入射光方向间隔层反射膜间隔环平板 法布里珀珞虑光片的特性法布里珀珞虑光片的特性iiiiierret tetrrtet rrtet tt2212152221132121211.)()2(21sin)1 (411)1 (112122201020102201022212)2(20102212221221221rrrrrrttTerrt terrt ttTiir1=r10ei1r2=r2

13、0ei2Tt1t2ndF-P滤光片的基本结构用有效界面法分析带通虑光片的特性用有效界面法分析带通虑光片的特性式中：式中：121202122,(1)41,(2 )(1)2T TRR RTRRFR021sinTTFR1 ，R2，T1，T2分别为两侧子膜系的反射率和透射率。分别为两侧子膜系的反射率和透射率。122nd 和和 为反射膜的反射位相，为反射膜的反射位相， 为间隔层的位为间隔层的位相厚度。相厚度。 021sinTTF中心波长确定：中心波长确定：01214()2ndk 01222()/2 ndndkm滤光片的半宽度：滤光片的半宽度：峰值透射率的峰值透射率的1/2处量得的通带宽度。处量得的通带宽

14、度。0k 200011sin (2TTFarcsin(1)F120012 (2)2()nd又：又：12 和和 为反射膜的反射位相，在通带内是常数。则：为反射膜的反射位相，在通带内是常数。则：000m0022112arcsin()arcsin()2RFmmR相对半宽度表示成：相对半宽度表示成：0221arcsin()2RmR中心波长的峰值透射率：中心波长的峰值透射率：12max2(1)T TTR当反射膜没有吸收、散射损失，而且反射膜是完全对称时，当反射膜没有吸收、散射损失，而且反射膜是完全对称时，滤光片的透射率和光洁基板一样高。滤光片的透射率和光洁基板一样高。当反射膜有吸收、散射损失时，假定反射

15、膜是完全对称时，当反射膜有吸收、散射损失时，假定反射膜是完全对称时，22121212max2221212121212(1)()(1/)TTTTRTAAT可见，在存在吸收、散射的情况下，反射膜透射率愈低，收、可见，在存在吸收、散射的情况下，反射膜透射率愈低，收、散射愈大。法布里珀珞虑光片对膜层的吸收、散射损失是极散射愈大。法布里珀珞虑光片对膜层的吸收、散射损失是极其敏感的。其敏感的。1212max0.012,0.005,50%TAT两个反射膜的不对称性对峰值透射率的影响：两个反射膜的不对称性对峰值透射率的影响：21RR两个反射膜的不对称性的法布里珀珞虑光片峰值透射率两个反射膜的不对称性的法布里珀

16、珞虑光片峰值透射率21TT 不对称误差不对称误差11max221111(1)12TTTRT结论：两个反射膜的不对称性误差影响法布里珀珞虑光结论：两个反射膜的不对称性误差影响法布里珀珞虑光片的峰值透射率，但极不敏感，甚至在两个反射膜的透射片的峰值透射率，但极不敏感，甚至在两个反射膜的透射率相差两倍时，还可以得到率相差两倍时，还可以得到75的峰值透射率。的峰值透射率。滤光片的通带半宽度：决定于干涉级次和反射膜的反射率。滤光片的通带半宽度：决定于干涉级次和反射膜的反射率。反射膜的反射率愈高，干涉级次愈高（即间隔层愈厚），反射膜的反射率愈高，干涉级次愈高（即间隔层愈厚），则半宽度愈小，滤光片透射光的单

17、色性愈好。则半宽度愈小，滤光片透射光的单色性愈好。带通滤光片带通滤光片q 金属滤光片金属滤光片q 全介质滤光片全介质滤光片q 双半波、三半波全介质滤光片双半波、三半波全介质滤光片q 金属诱导透射滤光片金属诱导透射滤光片20sin1FTT由公式：由公式：金属滤光片金属滤光片形式：两层金属反射膜间夹一个介质层形式：两层金属反射膜间夹一个介质层当：当： /2212100210,22/2.)3 , 2 , 1(2221kmmndkndkknd这这里里：即即透过率有最大值透过率有最大值求通带半宽度：求通带半宽度：透过率由峰值下降一半，透过率由峰值下降一半， 由由0 变为变为0+0200sin1/21FT

18、T可以求得可以求得：RRmFm21sin21sin221010 有时除半宽度外，还引入其他的带宽参量，如有时除半宽度外，还引入其他的带宽参量，如0.9倍倍峰值透射率处测得的带宽，峰值透射率处测得的带宽， 0.1倍峰值透射率的带宽以及倍峰值透射率的带宽以及0.0l倍峰值透射率的带宽等。对于法布里倍峰值透射率的带宽等。对于法布里珀琅滤光片，珀琅滤光片，如果在通带内来自反射膜的相位变化实际是常数的话那么如果在通带内来自反射膜的相位变化实际是常数的话那么上述带宽量度分别是：上述带宽量度分别是：1/3x 2 ，3x 2 以及以及10 x2 ，这些量常用来说明任一给定类型的滤光片的通带形，这些量常用来说明

19、任一给定类型的滤光片的通带形状以及接近于矩形的程度。状以及接近于矩形的程度。峰值透过率峰值透过率221max1RTTT当反射膜没有吸收、散射损失而且反射膜完全对当反射膜没有吸收、散射损失而且反射膜完全对称时，即称时，即T1=T2=1-R1=1-R2，R1=R2时时Tmax=1；当；当两个反射膜完全对称，且有散射、吸收存在时：两个反射膜完全对称，且有散射、吸收存在时：2121221212212max/11TAATTT 在实际上存在吸收、散射的情况下，反射膜在实际上存在吸收、散射的情况下，反射膜的透射率愈低，吸收、散射愈大，则峰值透射率愈的透射率愈低，吸收、散射愈大，则峰值透射率愈低低,例如例如T

20、120.012,A=0.005,Tmax50%左右。这左右。这时如果时如果T降至降至0.01则则Tmax降至降至30%左右。这足以说左右。这足以说明法布里明法布里珀珞滤光片对膜层的吸收、散射损失是珀珞滤光片对膜层的吸收、散射损失是极其敏感的。极其敏感的。两个膜不对称对峰值透射率的影响两个膜不对称对峰值透射率的影响01020304050607080901004005006007008009001000金属滤光片% TransmittanceWavelength (nm)次峰的消除次峰的消除短波的次峰一般用吸收玻璃来消除短波的次峰一般用吸收玻璃来消除如果使用高级次，则需消除长波次峰但是，长波吸收玻

21、如果使用高级次，则需消除长波次峰但是，长波吸收玻璃种类很少金属滤光片一般胶合使用璃种类很少金属滤光片一般胶合使用.典型膜系 G|400Ag1.3L400Ag|，nL=1.35金属滤光片的带宽金属滤光片的带宽级次越高，带宽越小，但是受到次峰和间隔层厚度限制级次越高，带宽越小，但是受到次峰和间隔层厚度限制反射率越高，带宽越小，但是受到吸收的限制反射率越高，带宽越小，但是受到吸收的限制用于可见区的金属介质虑光片的特性典型膜系 G|400Ag1.3L400Ag|，nL=1.35二、全介质的法珀虑光片二、全介质的法珀虑光片:用介质高反射膜堆用介质高反射膜堆代替金属膜层就可制成全介质的法布里代替金属膜层就

22、可制成全介质的法布里珀珞珀珞窄带干涉滤光片。窄带干涉滤光片。典型膜系：G|HLHL(2H)LHLH|G全介质法布里珀珞虑光片的两种基本类型全介质法布里珀珞虑光片的两种基本类型对高折射率间隔层对高折射率间隔层202142()xLHLxLHHLn ngnnnm nnnm对低折射率间隔层对低折射率间隔层21024()2()xLHLxLHHLnngnnnm nnnm其中其中 为膜系中不包括间隔层在内的每个反射膜的高折射率为膜系中不包括间隔层在内的每个反射膜的高折射率膜层的总数，膜层的总数，m为干涉级次为干涉级次x全介质的法珀虑光片透射率曲线并不是理想的形状，透射率曲线愈接近矩形愈好。象多个调谐电路相耦

23、合时，合成的频率曲线比单个调谐电路的频率曲线更接近矩形。法珀虑光片也有相似结果。三、多半波滤光片多半波滤光片:双半波滤光片基本结构：反射膜双半波滤光片基本结构：反射膜/间隔层间隔层/反射膜反射膜/间隔层间隔层/反射膜反射膜双半波滤光片的一种结构双半波滤光片的一种结构多腔滤光片（提高陡度）利用匹配层的设计利用匹配层的设计失匹产生兔耳朵次峰失匹产生兔耳朵次峰 经导纳匹配经导纳匹配 两测加多层两测加多层ARAR导纳匹配和导纳匹配和ARAR膜的效果膜的效果窄带滤光片窄带滤光片: Sub| HLHL : Sub| HLHL HH HH LHLH |Sub LHLH |Sub 消去半波间隔层: Sub|

24、HLH L L HLH |Sub Sub| HL H H LH |Sub Sub| H L L H |Sub Sub| Sub 即中心波长的反射率为0，透射率为1。入射媒质是空气，膜系为入射媒质是空气，膜系为: Air| HLHL : Air| HLHL HHHH LHLH |Sub LHLH |Sub 消去虚设层为: Air| Glass 反射率为: R=(y0-ys)2/(y0+ys)2 = 4.2% 膜系为: Air| L L HLHL HH LHLH |Sub 透过率增加到99双腔滤光片双腔滤光片: Sub| HLHL : Sub| HLHL HH HH LHLH L HLHLLHLH

25、 L HLHL HH HH LHLH |Sub LHLH |Sub 消去即为: Sub| L |Sub 须加上L层: Sub| L L HLHL HH LHLH L HLHL HH LHLH |Sub 透射率为1。问题二：提高通带透射率问题二：提高通带透射率-波长规则利用波长规则利用问题三：展宽截止带问题三：展宽截止带膜系膜系：G|HLH2LHLHLHLHL2HLHLHL HLH2LHLH|G在主通带两侧的次峰须截除。在主通带两侧的次峰须截除。方法：方法：1.利用颜色玻璃吸收利用颜色玻璃吸收;2.对有限区域可用全介质截止滤对有限区域可用全介质截止滤光片光片;3.利用金属利用金属-介质干涉滤光片

26、介质干涉滤光片:例如：例如：G|Ag-4L-Ag|A G|AgLH-4L-HLAg|A四、诱导透射滤光片四、诱导透射滤光片双半波滤光片的结构为：双半波滤光片的结构为：介质反射膜介质反射膜|间隔层间隔层|介质反射膜介质反射膜|间隔层间隔层|介质反射膜介质反射膜设想利用一层金属膜代替两间隔层之间的反射膜则组成了如下结构：设想利用一层金属膜代替两间隔层之间的反射膜则组成了如下结构：介质反射膜介质反射膜|间隔层间隔层|金属膜金属膜|间隔层间隔层|介质反射膜介质反射膜在间隔层与金属膜的界面上由于金属膜的折射率是一个复数，在间隔层与金属膜的界面上由于金属膜的折射率是一个复数，N=n-ik，光线在这个表面的

27、反射将带有一个较大的反射相移，为了补偿，光线在这个表面的反射将带有一个较大的反射相移，为了补偿这个相移，使得间隔层仍然起到滤光片干涉腔的作用，间隔层应取这个相移，使得间隔层仍然起到滤光片干涉腔的作用，间隔层应取的厚度近似为：的厚度近似为：)(tan1knFnF为间隔层折射率，为间隔层折射率，k为金属膜消光系数。为金属膜消光系数。 其光学厚度在其光学厚度在0/4和和0/2之间。之间。一个一个23层由硫化锌和冰晶石组成的双半波滤光片：层由硫化锌和冰晶石组成的双半波滤光片：G HLHLH2L HLHLH L HLHLH 2LHLHLH G反射膜系反射膜系将膜系中的反射膜系用几何厚度将膜系中的反射膜系

28、用几何厚度d=60nm的银层替代，在的银层替代，在550nm处银处银层的折射率取层的折射率取N=0.075-i3.41，而，而nH=2.30，冰晶石，冰晶石nL=1.35，则间隔，则间隔层的厚度层的厚度10tan ()160Fnk如果以如果以/4厚度厚度 ( )为单位，则表示成为单位，则表示成1.75L，膜系演变，膜系演变为为：29042G|HLHLH1.75LAg1.75LHLHLH|G RT诱导射滤光片的光谱透射曲线诱导射滤光片的光谱透射曲线G|HLHLHLAgLHLHLH| GAg=60nm(几何厚度几何厚度)，N=0.075-i3.41nH=2.30 nHdH=0.25o nL=1.3

29、5 nLdL=0.250 0=550nm从另外一个观点来看，膜系中从另外一个观点来看，膜系中HLHLH1.75L可以看成为银可以看成为银层的减反射膜，从诱导透射原理，如果这种减反射效果是层的减反射膜，从诱导透射原理，如果这种减反射效果是充分的，那么银层的势透射率就被完全诱导出来，所以这充分的，那么银层的势透射率就被完全诱导出来，所以这种滤光片也称为诱导透射滤光片。种滤光片也称为诱导透射滤光片。G|HLHLH1.75LAg1.75LHLHLH|G 诱导透射滤光片可能获得的最大透射率，即金属层的最诱导透射滤光片可能获得的最大透射率，即金属层的最大势透率，而金属膜的最大势透射率值在选定膜料后仅大势透

30、率，而金属膜的最大势透射率值在选定膜料后仅取决于金属层的厚度。取决于金属层的厚度。金属膜的厚度影响诱导滤光片的半宽度，金属膜厚度大，金属膜的厚度影响诱导滤光片的半宽度，金属膜厚度大，则滤光片的半宽度小。金属膜厚度还将影响诱导透射率则滤光片的半宽度小。金属膜厚度还将影响诱导透射率滤光片的截止深度，金属膜愈厚，截止深度愈好，根据滤光片的截止深度，金属膜愈厚，截止深度愈好，根据这些规律，设计一个诱导透射滤光片的过程是一个反复这些规律，设计一个诱导透射滤光片的过程是一个反复计算，反复修改，平衡各种指标要求的过程。计算，反复修改，平衡各种指标要求的过程。诱导透射滤光片的反射膜可以仅仅是单层金属膜，也可诱

31、导透射滤光片的反射膜可以仅仅是单层金属膜，也可以包含二层甚至更多的金属膜（间以介质层，称为二重以包含二层甚至更多的金属膜（间以介质层，称为二重式或多重诱导透射滤光片），此时滤光片的背景抑制取式或多重诱导透射滤光片），此时滤光片的背景抑制取决于金属膜的总厚度决于金属膜的总厚度.多重诱导透射滤光片多重诱导透射滤光片多重诱导滤光片的光谱特性，多重诱导滤光片的光谱特性，Ag=70nm，nH=2.35，nL=1.35G|HLHLHLAgLAgLAgLHLHLH|G干涉滤光片制造的工艺要点干涉滤光片制造的工艺要点:（1）由于）由于/4膜层之间存在有膜层厚度补偿原理，即如膜层之间存在有膜层厚度补偿原理，即如果一层膜厚度不足果一层膜厚度不足/4，那么下一层膜会首先补偿其厚，那么下一层膜会首先补偿其厚度走到极值。然后再开始自己的度走到极值。然后再开始自己的/4膜，反之亦然。膜，反之亦然。（2）由于）由于/4膜堆的误差补偿原理存在，所以窄带干膜堆的误差补偿原理存在，所以窄带干涉滤光片最适宜的监控方法是光电极值法。监控中监涉滤光片最适宜的监控方法是光电极值法。监控中监控片是要旋转的，以避免由于监控片上膜层不均匀性控片是要旋转的，以避免由于监控