光学薄膜系统各种设计方法的比较研究

光学薄膜系统各种设计方法的比较研究摘要本文概述了当前光学薄膜膜系设计所基于的原理和方法，设计理论包括矢量作图法、有效界面法、对称膜系的等效层和导纳轨迹图解技术。同时，本文也对光学薄膜系统的各种方法进行了比较研究，旨在探索各种设计方法的优缺点及可进行优化的潜力。关键词：光学薄膜膜系设计、设计理论、设计方法、比较研究

ABSTRACTThispaperoutlinestheprinciplesandmethodsbasedonthecurrentopticalfilmsystemdesign.Thedesigntheoryincludesvectormappingmethod,effectiveinterfacemethod,equivalentlayerofsymmetricalfilmsystemandadmittancetrajectorygraphictechnology.Atthesametime,thispaperalsomakesacomparativestudyonvariousmethodsofopticalfilmsystems,aimingtoexploretheadvantagesanddisadvantagesofvariousdesignmethodsandthepotentialforoptimization.Keywords:Opticalfilmsystemdesign;Designtheory;Designmethod;Compareresearch目录中文摘要…………Ⅰ外文摘要…………Ⅱ一、光学薄膜的设计理论………2（一）矢量作图法（二）有效界面法（三）对称膜系的等效层二、光学薄膜系统的设计…………（一）减反射膜（二）分束镜（三）高反射膜（四）截止滤光片（五）带通滤光片三、光学薄膜设计方法的比较……………………结论…………………参考文献……………一、光学薄膜的设计理论（一）矢量作图法矢量作图法有两个前提条件，这两个前提条件不可忽视且缺一不可。第一个条件是膜层无吸收，第二个条件是入射光在各界面上只考虑一次反射。图解法的步骤：1、在极坐标图上画出各个矢量；2、平行移除构成矢量多边形。规则：正的r，代表朝向坐标原点；负的r，代表离开坐标原点；相位延迟，代表反顺时针方向；（二）有效界面法或史密斯方法（三）对称膜系的等效层对称膜系的等效层法也有几个提前条件，分别是：1、必须是对称膜系2、仅涉及多层薄膜，不包括基片3、对称膜系等效于一单层膜，也即可以替换成一单层膜。这种等效是数学上的，不是物理意义上的。等效层的方法用于多层膜的设计，不是用于作精确的计算。等效界面的概念：任意层数的薄膜和基片的组合等效于单一界面。等效界面涉及到膜层和基片。在任何情况下这种等效在数学上总是成立的。等效界面法用于对任何多层膜系统，不管是吸收膜或非吸收膜，作精确的无任何近似的计算。对称组合的等效层概念的意义在于：1、单层膜的特效易于理解；2、易于将单一周期的讨论扩展到多个周期构成的多层膜；3、能利用实际的薄膜材料合成不存在的膜层。两层膜PQ

⎡pp⎤⎡qq⎤⎡mm⎤⎢1112⎥⎢1112⎥=⎢1112⎥⎣p21p22⎦⎣q21q22⎦⎣m21m22⎦mij=pi1q1j+pi2q2jm11=p11q11+p12q21m12=p11q12+p12q22m21=p21q11+p22q21m22=p21q12+p22q22m11≠m22,∴所以不能替换成一单层膜对称的三层膜组合PQP：mij=pi1q11p1j+pi1q12p2j+pi2q21p1j+pi2q22p2jm11=p11q11p11+p11q12p21+p12q21p11+p12q22p21m12=p11q11p12+p11q12p22+p12q21p12+p12q22p22m21=p21q11p11+p21q12p21+p22q21p11+p22q22p21m22=p21q11p12+p21q12p22+p22q21p12+p22q22p22m11=m22具有单层膜特征矩阵的所有特征令m11=m22≡cosΓ,m≡isinΓ/E由于m11m22−m12m21=1,所以m21≡iEsinΓ[M]=[P][Q][P]

其中Γ等效位相厚度二、光学薄膜系统的设计（一）减反射膜减反射膜，又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜，因此，它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点是寻找新材料，设计新膜系，改进淀积工艺，使之用最少的层数，最简单、最稳定的工艺，获得尽可能高的成品率，达到最理想的效果。上图是理想的单层AR膜：其特性为：nf2/ns=n0,nf=(n0ns)1/21/4波长厚度MgF2n=1.38Rmin=[(1-1.382/1.52)/(1+1.382/1.52)]2=1.3%其特性为：n0/n1/n2/ns

n12/n0=n22/ns

n2=n1ns/n0=n1nsλ/4--λ/4V-形膜n0/αn1/βn2/ns

α,β.—以1/4波长为单位（二）分束镜分束镜分为中性分束镜和二向色镜，其中以平板分束镜和胶合分束镜为常见的中性二向色镜，金属分束镜为常见的中性镜。平板分束镜的优点是价格低廉，缺点是会引入像差。胶合棱镜分束镜的优点是有显著的偏振效应，缺点是易被激光照射而受损。金属膜分束镜包括Cr、Ni-Cr、Al、Ag等，其优点是偏振效应小，中性较好，反射相位随波长的变化小。缺点是光的效率低。以下以介质分束镜的制备方法为例：λ/4厚度的单层膜需满足以下条件。Rmax=(η0−η12/ηs)2/(η+η12/ηs)2n0=1.0,n1=2.35,ns=1.52,θ0=45Rs=0.46,Rp=0.185,Rav=0.323多层介质分束镜的设计步骤:1)选择一λ0/4以在参考波长λ0达到要求的反射率值;2)插入适当的λ0/2平滑层;3)进一步优化。存在的主要问题是偏振效应较大偏振分束镜Rp=0,ηH=ηLnH=nLcosθHcosθLnHcosθL=nLcosθH(1)nHsinθH=nLsinθL=n0sinθ0(2)tanθH=nL/nH（二）高反射膜高反射膜是指具有增加反射功能的光学薄膜。一般分为两大类，金属反射膜和全电介质反射膜，或两者结合起来的金属电介质反射膜。高反射膜一般分为两大类，一是金属反射膜，二是全电介质反射膜，两者结合起来的称为金属电介质反射膜。高反射膜的主要技术指标有：1、反射率2、透射率3、损耗：反射和透射散射；吸收4、反射相移随波长的变化5、反射带宽6、A/T之比1/4波堆的吸收损耗:Δg=(2/π)sin−1[(nH−nL)/(nH+nL)]两个主要的缺陷：1、反射相移随波长有显著的变化2、有限的高反射带宽（四）截止滤光片截止滤光片是指能从复合光中滤掉全部长波或短波而仅保留所需波段范围的滤光片。截止滤光片的主要技术指标有：1、截止区的光密度---log(1/T)2、通带的透射率3、截止边缘的陡度4、透射率随入射角的变化，即角度偏移按照作用机理的不同，截止滤波片可以分为三类——吸收型截止滤波片，薄膜干涉型截止滤波片，吸收与干涉组合型截止滤波片。其基本类型为-1/4波堆截止滤光片的设计步骤：1、选取两种材料并构成(H/2LH/2)m或(L/2HL/2)m2、计算高反射带的宽度和反射带中心、截止带边缘的截止深度3、计算等效导纳4、画出反射率包络R1=(1−E2/ns)2/(1+E2/ns)2R2=(1−ns)2/(1+ns)25、如果须要，加上匹配层6、电脑上精确计算光学特性值得注意的是：现在经常利用数值优化技术，校正初始设计，以达到更好的特性。当然厚度是不规则的。好在非1/4波长厚度的监控技术日渐趋成熟。（五）带通滤光片带通滤光片是光谱特性曲线透射带两侧邻接截止带的滤光片。带通滤光片根据光谱特性大致分为宽带滤光片和窄带滤光片两种，两种滤光片通常都是组合而成的，应用了光波干涉原理制备带通滤光片，且带通滤光片在各个领域得到了广泛应用。带通滤波片有以下四种分类：1、由长波通和短波通滤光片叠加构成宽带带通滤光片2、法布里-珀珞滤光片3、多腔带通滤光片4、诱导透射滤光片带通滤波片的主要技术指标有：1、通带的透射率Tmax:窄带滤光片—峰值透射率Tave:宽带滤光片—平均透射率2、通带的位置λ0:窄带滤光片—峰值波长宽带滤光片—中心波长3、通带的宽度Δλ0.5(2Δλ)半宽度Δλ0.11/10宽度4、分辨率和矩形因子分辨率:Q=λ0/Δλ0.5矩形因子:S=λ0.1/Δλ0.55、截止区域和截止深度6、角度偏移法布里—珀珞滤光片三、光学薄膜设计方法的比较首先，可以确定的是减反射膜是最为简便的光学薄膜设计方法，其所用层数最少，工艺简单稳定的优点，决定了减反射膜有更为广阔的发展方向和市场空间，有获得理想效果的潜力。其次，分束镜也是十分常见的光学薄膜设计方法，它有中性分束镜和二向色镜两种。但它存在一个主要问题，即偏振效应较为显著。第三，高反射膜有金属反射膜和全电介质反射膜两种。它的反射率和透射率是主要指标，控制好这两个因素是实现低损耗高反射膜的关键所在。高反射也存在两个主要缺陷，一是反射相移随波长变化显著，二是高反射带宽有限。第四，截止滤光片的应用也是十分广泛，它能够从复合光中选择性地滤掉长波或者短波，进而让需要被保留的波段得以保存下来。这个特性的应用性十分广阔，可以在许多领域有发展和突破，值得重点关注。最后，带通滤光片的优点也十分显著，它能够获取矩形通带，有较小的带通波纹和较高的抑制比，可以很好地应用在光线通信上，用于获取超窄带滤光片，也可以用来得到光学梳妆滤波器。结论光学薄膜设计的应用广泛，膜系设计是薄膜制备众多环节中绕不开的一环。对各种膜系设计的比较研究