物理光学与应用光学——第2章-4.ppt

1、,光学薄膜 在透明的平整玻璃基片或金属光滑表面上，用物理或化学方法涂敷的透明介质薄膜。,作用：满足不同光学系统对反射率和透射率的不同要求。,2.3 光学薄膜,光学薄膜这门学科已成为现代光学不可缺少的一个重要组成部分，没有光学薄膜，许多现代光学装置便无法发挥效能，失去作用，无论在提高或降低反射率、吸收率与透射率方面，在使光束分开或合并方面，或者在分色方面，在使光束偏振或检偏方面，以及在使某光谱带通过或阻滞方面，在调整位相方面等等，光学薄膜均起着至关重要的作用。 总之，薄膜在许多场合都扮演关键脚色。薄膜器件的轻巧灵便、稳定给它带来更广阔的应用 ：窄带滤光片光栅单色仪,三十年代中期德国的鲍尔和美国的

2、斯特朗先后用真空蒸发方法制备了单层减反射膜，这种简单的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地应用。 折射率为152的玻璃敷有折射率为138的氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从4.2%减少到15%左右，例如7块平板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为： T(097)7807% 未镀膜： T=(0.92)7=55.7% 这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25的透射能量,与镀膜技术密切相关的产业,镀膜眼镜 幕墙玻璃 滤光片 ITO膜 车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片 光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件 红外膜 投影显示,2.3 光学薄膜,2.3.1 光学薄膜的反射特性,2.3.2 干涉滤光片

3、,在玻璃基片的光滑表面上镀上一层折射率和厚度都均匀的透明介质薄膜。,一、单层膜,2.3.1 光学薄膜的反射特性,r1 薄膜上表面的反射系数 r2 薄膜下表面的反射系数,类似于平行平板的多光束干涉，单层膜的反射系数：, 相邻两个出射光束间的相位差, r 单层膜反射系数的相位因子,2.3.1 光学薄膜的反射特性,一、单层膜,则单层膜的反射率 R,2.3.1 光学薄膜的反射特性,一、单层膜,反射率,当光束正入射到薄膜上时，薄膜两表面的反射系数：,2.3.1 光学薄膜的反射特性,一、单层膜,介质膜反射率 R 随光学厚度 n1h 的变化,2.3.1 光学薄膜的反射特性,一、单层膜, n1 n2时，R R

4、0，单层膜的反射率较未镀膜时减小，透过率增大，具有增透的作用，称为增透膜。, n1=n0 或 n1=n2时，R = R0 4.3%,当n1 n2且 n1h =0/4 时，R = Rm，有最好的增透效果。最小反射率为,特别 时，Rm = 0 完全增透。,2.3.1 光学薄膜的反射特性,一、单层膜,2.3.1 光学薄膜的反射特性,一、单层膜,单层氟化镁膜的反射率随波长和入射角的变化,？,光束斜入射到薄膜上时，薄膜上表面的反射系数：,则形式上与正入射时的表达式相同，,称为有效折射率。,s 分量以 代替,p分量以 代替,2.3.1 光学薄膜的反射特性,一、单层膜, n1 n2时，R R0，反射率比未镀

5、膜时增大，即该单层膜具有增反的作用，称为增反膜。,当n1 n2 且 n1h = 0/4 时，R = RM，有最好的增反效果，其最大反射率,尽管RM与Rm形式上相同，但因 n1 取值不同，对应的反射率 R ，一个是最大，一个是最小。,2.3.1 光学薄膜的反射特性,一、单层膜,这说明，对于波长0的光，膜层厚度增加 (或减小) 0/2，对反射率没有影响。, 对于n1h = 0/2的半波长膜，不管膜层折射率比基片折射率大还是小，单层膜对0 的反射率都和未镀膜时的基片反射率相同，R = 4.3%，即,2.3.1 光学薄膜的反射特性,一、单层膜,1.结构,0/4 膜系示意图,采用光学厚度均为 0/4的高

6、折射率膜层和低折射率膜层称为0/4 膜系，通常采用符号表示为,p = 1, 2, 3,二、多层膜,2.3.1 光学薄膜的反射特性, 0/4 膜系 每层膜的光学厚度是0/4，其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。,非0/4 膜系 每层膜的光学厚度不是0/4，具体厚度要由计算确定。其优点是只要较少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。,只讨论 0/4 膜系。,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,高反射膜反射率的一般计算十分复杂，对于0/4 膜系，由于膜层光学厚度已经选定，可以简单地采用等效折射率法，把一个多层膜的问题变成单

7、层膜的问题。,2. 反射率R（膜系的反射率）,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,把单层膜系看成是具有折射率为 nI 的一个“新基片”， nI 为等效折射率。“新基片”与 n0 的新界面称为等效面。,（1）单层的0/4 膜等效折射率 (空气到玻璃),2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,正入射时，对于给定的波长 0，其反射率为,则,引入等效折射率,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,（1）单层的0/4 膜等效折射率 (空气到玻璃),（2）多层 0/4膜系的等效折射率和反射率,第一层：,第二层：,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,依此类推，当膜层为偶数(2p)层时

8、，(HL)p膜系的等效折射率为,相应的反射率为,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,（2）多层 0/4膜系的等效折射率和反射率,当膜层为奇数(2p+1)层时，(HL)p膜系的等效折射率为,相应的反射率为,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,（2）多层 0/4膜系的等效折射率和反射率,表2-1 多层膜的反射率和透射率,与真实折射率不同，等效折射率可以小于1，其取值范围可以很大。,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜, 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。,结论 ：, 0/4膜系为奇数层时，层数愈多，反射率 R 愈大。, 上

9、述膜系的全部结果只对一种波长 0 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，其反射率相应地下降。,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,几种不同层数的0/4膜系的反射率曲线,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,R 下降到1/2处时的宽度为反射带宽。,式中g = 0/ 。由此可见，反射带宽g只与nH/nL有关， nH/nL愈大，带宽就愈大。,2.3.1 光学薄膜的反射特性,二、多层膜,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,滤光片的作用只让某一波段范围的光通过。,性能指标 中心波长0 透光率最大(TM)时的波长； 透射带的波长半宽度透过率为最大值一半处的波 长范围

10、1/2 ； 峰值透过率TM,1、法布里-珀罗型干涉滤光片,全介质干涉滤光片,金属反射膜干涉滤光片,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,正入射时，透射光产生极大的条件为, 滤光片的中心波长,2nh = m m = 1, 2, 3, ,滤光片的中心波长,相邻干涉级 (m = 1) 的中心波长差, = 2m m = 1, 2, 3, ,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,1、法布里-珀罗型干涉滤光片,m、R 愈大，1/2愈小，干涉滤光片的输出单色性愈好。, 透射带的波长半宽度,或,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,1、法布里-珀罗型干涉滤光片,对应于透射率最大的中心 波长的透射光强与入射光强

11、之比,考虑膜层的吸收损耗，透射光干涉图样强度, 峰值透射率 TM,(2.4-3),得,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,1、法布里-珀罗型干涉滤光片,一种典型的多层介质膜干涉滤光片透射率曲线,1、法布里-珀罗型干涉滤光片,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,几种干涉滤光片的特性,1、法布里-珀罗型干涉滤光片,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,膜厚变化对截止带的影响,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,2、红外滤光片,依据多层高反射膜的反射率光谱特性，膜厚的变化将改变截止带的位置。,如果 nh = 0.22m，则反射红外线而透过可见光。,如果 nh = 0.13m，膜系反射可见光而透

12、过红外光。,在玻璃上镀高折射率薄膜，可以增大反射率，当光束斜入射时，其反射率的大小因 p 分量和 s 分量而异，并且在某个入射角上，反射光中的p分量可以变为零。所以，与只有玻璃板的情况相似，这种高反膜也可以起到偏振元件的作用，,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,3、偏振滤光片,利用物质对光波的选择性吸收进行滤光。例如：红、绿玻璃以及各种有色液体等。,如果光的 吸收较大，且吸收系数随波长有显著变化，称为选择性吸收。,如对红光和橙光吸收少，而对绿光、蓝光和紫光几乎全部吸收。,2.3.2 干涉滤波器（干涉滤光片）,4、吸收滤光片,2.4 典型干涉仪,2.4.1 迈克尔逊干涉仪 2.4.2 马赫-

13、泽德干涉仪 2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,2.4.1 迈克尔逊干涉仪,相对于半反射面A，作出平面反射镜M2的虚像M2。于是可以认为观察系统 L 所观察到的干涉图样，是由实反射面M1和虚反射面M2构成的虚平板产生的，虚平板的厚度和楔角可通过调节M1和M2反射镜控制。,因此，迈克尔逊干涉仪可以产生厚的或者薄的平行平板(M1和M2 平行)和楔形平板(M1和M2 有一小的夹角)的干涉现象。扩展光源可以是单色性很好的激光，也可以是单色性很差的(白光)光源。,2.4.1 迈克尔逊干涉仪,调节M2，使M2与M1平行，观察到的干涉图样是一组在无穷远处(或在L的焦平面上)的等倾干涉圆环。 当M1向M2移动时(

14、虚平板厚度减小)，圆环条纹向中心收缩，并在中心一一消失。 M1每移动 的距离，在中心就消失一个条纹。,2.4.1 迈克尔逊干涉仪,根据条纹消失的数目，可确定M1移动的距离。根据(2-26)式，此时条纹变粗(因为h变小，eN变大)，同一视场中的条纹数变少。,M1与M2完全重合时，各个方向入射光的光程差均相等，所以视场均匀。M1逐渐离开M2时，条纹不断从中心冒出，且随虚平板厚度的增大，条纹越来越细越密。,2.4.1 迈克尔逊干涉仪,如果调节M2，使M2与M1相互倾斜一个很小的角度，且当M2与M1比较接近，观察面积很小时，所观察到的干涉图样近似是定域在楔表面上或楔表面附近的一组平行于楔边的等厚条纹。

15、在扩展光源照明下，如果M1与M2的距离增加，则条纹将发生弯曲，弯曲的方向是凸向楔棱一边，同时条纹可见度下降。,干涉条纹弯曲的原因如下： 如前所述，干涉条纹应当是等光程差线,当入射光不是平行光时，对于倾角较大的光束，若要与倾角较小的入射光束等光程差，其平板厚度应增大(这可由 看出)。,2.4.1 迈克尔逊干涉仪,由图2-33可见，靠近楔板边缘的点对应的入射角较大，因此，干涉条纹越靠近边缘，越偏离到厚度更大的地方，即弯曲方向是凸向楔棱一边。在楔板很薄的情况下，光束入射角引起的光程差变化不明显，干涉条纹仍可视作一些直线条纹。对于楔形板的条纹，与平行平板条纹一样，M1每移动一个 /2 距离，条纹就相应

16、地移动一个。,补偿板G2的作用：消除两束光和的不对称性。,对于单色光照明，这种补偿并非必要； 观察白光条纹时，补偿板不可缺少。,2.4.1 迈克尔逊干涉仪,激光比长仪示意简图,1. 激光比长仪,应用举例,2.4.1 迈克尔逊干涉仪,2. 光纤迈克尔逊干涉仪,应用举例,2.4.1 迈克尔逊干涉仪,马赫-泽德干涉仪,2.4.2 马赫-泽德干涉仪,例如，为了研究尺寸较大的风洞中任一平面附近的空气涡流，将风洞置于M2和G2之间，并在M1和G1之间的另一支光路上放置补偿，调节M2和G2 ，使定域面在风洞中选定的平面上，由透镜L2和照相机拍摄下这个平面上的干涉图样。只要比较有气流和无气流时的条纹图样，就可

17、确定出气流所引起空气密度的变化情况。,2.4.2 马赫-泽德干涉仪,应用举例,2.4.2 马赫泽德干涉仪,1. 法布里珀罗干涉仪的结构,为了得到尖锐的条纹，两镀膜面应精确保持平行，平行度一般要达到(1/201/100)。每块玻璃板两表面通常制成一个小楔角(110)，以避免无镀膜表面的反射光干扰。,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,两板之间的距离可以调节法布里-珀罗干涉仪,两板间的距离固定不变（两板间放殷钢制成的空心圆柱形间隔器）法布里-珀罗标准具,1. 法布里珀罗干涉仪的结构,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,(a) 迈克尔逊干涉仪 (b) F-P干涉仪 两种干涉仪中干涉条纹的比较,2. 法布里珀

18、罗干涉仪的光强,两种条纹的角半径和角间距计算公式相同。,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,条纹干涉级决定于空气平板的厚度h，通常法布里-珀罗干涉仪的使用范围是1200 mm，在一些特殊装置中，h可大到 1m 。 以h=5mm计算，中央条纹的干涉级约为20000，因而这种仪器只适用于单色性很好的光源。,2. 法布里珀罗干涉仪的光强,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于金属膜对光产生强烈吸收，使得整个干涉图样的强度降低。假设金属膜的吸收率为A，则根据能量守恒关系有： R + T + A = 1,2. 法布里珀罗干涉仪的光强,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,当干涉仪两板的

19、膜层相同时，由爱里公式可以得到膜层存在吸收时的透射光干涉强度：,光在金属内表面反射时的相位变化，R金属膜内表面反射率。可见，由于金属膜的吸收，干涉图样强度降低了1A/(1R)2 倍，严重时，峰值强度只有入射光强的几十分之一。,2. 法布里珀罗干涉仪的光强,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,法布里-珀罗标准具能够产生十分细而亮的等倾干涉条纹，其重要应用之一是研究光谱线的精细结构，即将一束光中不同波长的光谱线分开。,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,1. 研究光谱线的超精细结构,分光元件的三个技术指标： 自由光谱范围 分辨本领 角色散,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,(1) 自由光

20、谱范围标准具常数,当波长为1和2 (2 1)的光入射至标准具，由于两种波长的同级条纹角半径不同，因而将得到两组干涉圆环。,允许的最大分光波长差，称为自由光谱范围()f 。,1. 研究光谱线的超精细结构,对于靠近条纹中心的某一点( 0 )处, 2的第m级条纹与1的第m+1级条纹发生重叠时，其光程差相等。,因此,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,(1) 自由光谱范围标准具常数,例如：对于h = 5mm的标准具，入射光波长 = 0.5461m， n = 1 时， ()f = 0.310-4m,1. 研究光谱线的超精细结构,分光仪器所能分辨开的最小波长差()m称为分辨极限。,分辨本领,2.4.

21、3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,(2) 分辨本领,1. 研究光谱线的超精细结构,瑞利判据两个等强度波长的亮条纹只有当它们的合强度曲线中央极小值低于两边极大值的81%时，才算被分开 。,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,(2) 分辨本领,两个波长的亮条纹刚好被分辨开时的强度分布,1. 研究光谱线的超精细结构,如果不考虑标准具的吸收损耗，1和2的透射光合强度为:,1和2是在干涉场上同一点的两波长条纹所对应的相位差。,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,(2) 分辨本领,1. 研究光谱线的超精细结构,因此极小值强度:,在合强度极大值处，1 = 2m， 2 = 2m ，,2.4.3 法

22、布里-珀罗干涉仪,应用举例,设I1i=I2i=Ii，12= ，则在合强度极小值处 1 = 2m /2, 2 = 2m /2,(2) 分辨本领,因此极大值强度:,1. 研究光谱线的超精细结构,按照瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是:,因此有:,(2) 分辨本领,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,由于 很小，sin/2 /2，则,N 条纹的精细度。,1. 研究光谱线的超精细结构,由于此时两波长刚被分辨开， = ，所以标准具的分辨本领为：,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,(2) 分辨本领,由 ，略去 的影响，有:,1. 研究光谱线的超精细结构,分辨本领与条纹干涉级数和精细度成正

23、比。由于法布里-珀罗标准具的 m很大，所以分辨本领极高。 例如：h=5mm, N30(R0.9)，=0.5 m，则在接近正入射时，标准具的分辨本领 ：,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,(2) 分辨本领,这相当于在 = 0.5m上，标准具能分辨的最小波长差为0.008 310-4m，这样高的分辨本领是一般光谱仪所达不到的。,1. 研究光谱线的超精细结构,应当指出，上面的讨论是把 1 和 2 的谱线视为单色谱线，由于任何实际谱线的本身都有一定的宽度，所以标准具的实际分辨本领达不到这样高。 有时把 0.97N 称为标准具的有效光束数N。于是：,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,应用举例,(2) 分辨本领,1. 研究光谱线的超精细结构,角色散定义为单位波长间隔的光，经分光仪所分开的角度，用d /d表示。 d /d 愈大，不同波长的光经分光仪分得愈开。,2.4.3 法布里-