薄膜光学基础

薄膜光学基础第1页，共23页，2023年，2月20日，星期四n3n2n1d当振幅为E0的单色平面波正入射时，各反射光的复振幅为：第2页，共23页，2023年，2月20日，星期四其中：是光波在薄膜内来回一次引入的相位延迟（不考虑半波损失）。叠加之后总的复振幅：总的反射系数：第3页，共23页，2023年，2月20日，星期四上式在推导过程中使用了斯托克斯倒逆关系式：因此总反射率：下面我们分析一下反射率R。第4页，共23页，2023年，2月20日，星期四令n1＝1，n3＝1.5作图。0.04第5页，共23页，2023年，2月20日，星期四或的情形(1)此时没有半波损失，反射率总小于4％，这种薄膜有增透或减反作用。当或时，反射率最高，相当于没有镀膜。当时，此时反射率最小，透过率最大：第6页，共23页，2023年，2月20日，星期四当满足下面条件时，R＝0，消反射：单层增透膜的缺点：1.增透带宽窄。2.材料限制。第7页，共23页，2023年，2月20日，星期四或的情形(2)此时有半波损失，反射率总大于4％，这种薄膜有增反作用。当或时，反射率最低，相当于没有镀膜。当时，此时反射率最大，透过率最大：第8页，共23页，2023年，2月20日，星期四此时膜层厚度：对于单层增反膜，镀膜材料折射率越大越好。2双层膜设计光学薄膜计算量很大，现在都是借助计算机软件设计。在实践设计中多采用光程先决法。即先把膜层的光学厚度定为λ。/4，然后再确定材料。第9页，共23页，2023年，2月20日，星期四g123介绍一种等效界面法。先考虑由基底g和膜层3组成的单层膜系统。由式(3-225)可得，此单层膜系统的反射系数：由于是λ。/4膜系，所以：第10页，共23页，2023年，2月20日，星期四g123再考虑由膜层2和反射系数为的等效膜层(3,g)组成的“单层膜”系统。这样，此“单层膜”系统的反射系数：最后得到双层膜系统的反射系数：第11页，共23页，2023年，2月20日，星期四考虑到正入射的菲涅耳系数：令r＝0，可得双层减反膜的材料折射率条件：或第12页，共23页，2023年，2月20日，星期四等效折射率单层增反膜的反射率：12312分界面的反射率：等效折射率：第13页，共23页，2023年，2月20日，星期四3多层增反膜常用的多层高反膜是由光学厚度nd都是λ0/4的高折射率膜层和低折射率膜层交替镀制的膜系，可表示为：GHLHL…HLHA＝G(HL)pHAp=1,2,3…其中，G和A分别代表玻璃基片和空气；H和L分别代表高折射率膜层和低折射率膜层；p表示一共有p组高低折射率交替层，总膜层数为(2p+1)。半波长的光学厚度应写成HH或LL。第14页，共23页，2023年，2月20日，星期四λ0/4膜系的多层高反射膜示意图GHLHL…HLHA＝G(HL)pHA第15页，共23页，2023年，2月20日，星期四这种膜系之所以能获得高反射率，从多光束干涉原理看是容易理解的：根据平板多光束干涉的讨论，当膜层两侧介质的折射率大于(或小于)膜层的折射率时，若膜层的诸反射光束中相继两光束的相位差等于π(λ0/4膜系），则该波长的反射光获得最强烈的反射。而上图所示的膜系恰恰能使它包含的每一层膜都满足上述条件，所以入射光在每一膜层上都获得强烈的反射，经过若干层的反射之后，入射光就几乎全部被反射回去。

这种膜系的优点是计算和制备工艺简单，镀制时容易采用极值法进行监控；缺点是层数多，R不能连续改变。目前发展了一种非λ0/4膜系，即每层膜的光学厚度不是λ0/4，具体厚度要由计算确定。其优点是只要较少的膜层就能达到所需要的反射率，缺点是计算和制备工艺较复杂。第16页，共23页，2023年，2月20日，星期四由图，若在基片G上镀一层λ0/4的高折射率光学膜，其反射率为式中是镀第一层膜后的等效折射率。若在高折射率膜层上再镀一层低折射率膜层，其反射率为第17页，共23页，2023年，2月20日，星期四式中是镀双层膜后的等效折射率。依此类推，当膜层为偶数(2p)层时，(HL)p膜系的等效折射率为相应的反射率为第18页，共23页，2023年，2月20日，星期四当膜层为奇数(2p+1)层时，(HL)pH膜系的等效折射率为：相应的反射率为：第19页，共23页，2023年，2月20日，星期四下表列出了多层膜的等效折射率、反射率和透射率(不计吸收)的计算值。计算数据为：nA=1,nG=1.52,nH=2.3(ZnS),nL=1.38(MgF2)。多层膜的反射率和透射率第20页，共23页，2023年，2月20日，星期四第21页，共23页，2023年，2月20日，星期四

由上述计算结果可见：

①要获得高反射率，膜系的两侧最外层均应为高折射率层(H层)，因此，高反射率膜一定是奇数层。

②λ0/4膜系为奇数层时，层数愈多，反射率R愈大。③上述膜系的全部结果只对一种波长λ0成立，这个波长称为该膜系的中心波长。当入射光偏离中心波长时，其反射率要相应地下降。因此，每一种λ0/4膜系只对一定波长范围的光才有高反射率，如下图所示。图中给出了几种不同层数的ZnS-MgF2λ0/4(λ0=0.46μm)膜系的反射特性曲线。可以看出，随着膜系层数