薄膜光学 (2)精选PPT.ppt

薄膜光学(2)第1页，此课件共30页哦n3n2n1d由斯托克斯倒逆关系式：由斯托克斯倒逆关系式：由上次课得到的多光束干涉结论，由上次课得到的多光束干涉结论，可得反射光的复振幅：可得反射光的复振幅：透射光的复振幅：透射光的复振幅：第2页，此课件共30页哦其中：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）。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）。薄膜的反射系数：薄膜的反射系数：薄膜的透射系数：薄膜的透射系数：第3页，此课件共30页哦因此总反射率：因此总反射率：下面我们分析一下反射率下面我们分析一下反射率R。（透射率同学自行分析）。（透射率同学自行分析）正入射时，由菲涅耳公式：正入射时，由菲涅耳公式：代入代入4.40式，可得薄膜反射率与位相差之间的关系（式，可得薄膜反射率与位相差之间的关系（4.43式）式）第4页，此课件共30页哦令令n01，nG1.5作图。作图。0.04第5页，此课件共30页哦或或的情形的情形(1)此时没有半波损失，反射率总小于此时没有半波损失，反射率总小于4，这种薄膜有，这种薄膜有增透增透或或减减反反作用。作用。当当或或时，反射率最高，时，反射率最高，相当于没有镀膜。相当于没有镀膜。当当时，时，此时反射率最小，透过率最大：此时反射率最小，透过率最大：第6页，此课件共30页哦当满足下面条件时，当满足下面条件时，R0，消反射：，消反射：单层增透膜的缺点：单层增透膜的缺点：1.增透带宽窄。增透带宽窄。2.材料限制。材料限制。第7页，此课件共30页哦或或的情形的情形(2)此时有半波损失，反射率总大于此时有半波损失，反射率总大于4，这种薄膜有，这种薄膜有增反增反作用。作用。当当或或时，反射率最低，时，反射率最低，相当于没有镀膜。相当于没有镀膜。当当时，时，此时反射率最大，透过率最大：此时反射率最大，透过率最大：第8页，此课件共30页哦此时膜层厚度：此时膜层厚度：对于单层增反膜，镀膜材料折射率越大越好。对于单层增反膜，镀膜材料折射率越大越好。4.3.2 双层膜双层膜设计光学薄膜计算量很大，现在都设计光学薄膜计算量很大，现在都是借助计算机软件设计。在实践设是借助计算机软件设计。在实践设计中多采用计中多采用光程先决法光程先决法。即先把膜层的光学厚度定为即先把膜层的光学厚度定为/4/4，然后再确定材料。，然后再确定材料。第9页，此课件共30页哦g123介绍一种介绍一种等效界面法等效界面法。先考虑由基底先考虑由基底g和膜层和膜层3组成组成的单层膜系统。的单层膜系统。由式由式(4.38)可得，此单层膜系统的反射系数：可得，此单层膜系统的反射系数：由于是由于是/4/4膜系，所以：膜系，所以：第10页，此课件共30页哦g123再考虑由膜层再考虑由膜层2和反射系和反射系数为数为 的等效膜层的等效膜层(3,g)组成的组成的“单层膜单层膜”系统。系统。这样，此这样，此“单层膜单层膜”系统的反射系数：系统的反射系数：最后得到双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，此课件共30页哦考虑到正入射的菲涅耳系数：考虑到正入射的菲涅耳系数：令令r0，可得双层减反膜的材料折射率条件：，可得双层减反膜的材料折射率条件：或或第12页，此课件共30页哦等效折射率等效折射率单层增反膜的反射率：单层增反膜的反射率：12312分界面的反射率：分界面的反射率：等效折射率：等效折射率：第13页，此课件共30页哦4.3.3 多层增反膜多层增反膜常用的多层高反膜是由光学厚度常用的多层高反膜是由光学厚度nd都是都是/4的高折射率膜层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：和低折射率膜层交替镀制的膜系，可表示为：GHLHLHLHAG(HL)pHAp=1,2,3 其中，其中，G和和A分别代表玻璃基片和空气；分别代表玻璃基片和空气；H和和L分别代表高折射率膜层分别代表高折射率膜层和低折射率膜层；和低折射率膜层；p表示一共有表示一共有p组高低折射率交替层，总膜层数组高低折射率交替层，总膜层数为为(2p+1)。半波长的光学厚度应写成。半波长的光学厚度应写成HH或或LL。第14页，此课件共30页哦/4膜系的多层高反射膜示意图膜系的多层高反射膜示意图GHLHLHLHAG(HL)pHA第15页，此课件共30页哦 这这种种膜膜系系之之所所以以能能获获得得高高反反射射率率，从从多多光光束束干干涉涉原原理理看看是是容容易易理理解解的的：根根据据平平板板多多光光束束干干涉涉的的讨讨论论，当当膜膜层层两两侧侧介介质质的的折折射射率率大大于于(或或小小于于)膜膜层层的的折折射射率率时时，若若膜膜层层的的诸诸反反射射光光束束中中相相继继两两光光束束的的相相位位差差等等于于(/4 膜膜系系），则则该该波波长长的的反反射射光光获获得得最最强强烈烈的的反反射射。而而上上图图所所示示的的膜膜系系恰恰恰恰能能使使它它包包含含的的每每一一层层膜膜都都满满足足上上述述条条件件，所所以以入入射射光光在在每每一一膜膜层层上上都都获获得得强强烈烈的的反反射射，经经过过若若干干层层的的反反射射之之后后，入入射射光光就就几几乎全部被反射回去。乎全部被反射回去。这这种种膜膜系系的的优优点点是是计计算算和和制制备备工工艺艺简简单单，镀镀制制时时容容易易采采用用极极值值法法进进行行监监控控；缺缺点点是是层层数数多多，R不不能能连连续续改改变变。目目前前发发展展了了一一种种非非/4膜膜系系，即即每每层层膜膜的的光光学学厚厚度度不不是是/4，具具体体厚厚度度要要由由计计算算确确定定。其其优优点点是是只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。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，此课件共30页哦由图，若在基片由图，若在基片G上镀一层上镀一层/4的高折射率光学膜，其反射率为的高折射率光学膜，其反射率为 式中式中 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，其反射率为层，其反射率为 第17页，此课件共30页哦式中式中 是是镀镀双双层层膜膜后后的的等等效效折折射射率率。依依此此类类推推，当当膜膜层层为为偶偶数数(2p)层层时时，(HL)p膜系的等效折射率为膜系的等效折射率为 相应的反射率为相应的反射率为 第18页，此课件共30页哦当膜层为奇数当膜层为奇数(2p+1)层时，层时，(HL)pH膜系的等效折射率为膜系的等效折射率为：相应的反射率为：相应的反射率为：第19页，此课件共30页哦 下下表表列列出出了了多多层层膜膜的的等等效效折折射射率率、反反射射率率和和透透射射率率(不不计计吸吸收收)的的计计算算值。计算数据为：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多层膜的反射率和透射率 第20页，此课件共30页哦第21页，此课件共30页哦 由上述计算结果可见：由上述计算结果可见：要要获获得得高高反反射射率率，膜膜系系的的两两侧侧最最外外层层均均应应为为高高折折射射率率层层(H层层)，因此，高反射率膜一定是奇数层。因此，高反射率膜一定是奇数层。/4膜系为奇数层时，膜系为奇数层时，层数愈多，反射率层数愈多，反射率R愈大。愈大。上上述述膜膜系系的的全全部部结结果果只只对对一一种种波波长长成成立立，这这个个波波长长称称为为该该膜膜系系的的中中心心波波长长。当当入入射射光光偏偏离离中中心心波波长长时时，其其反反射射率率要要相相应应地地下下降降。因因此此，每每一一种种/4膜膜系系只只对对一一定定波波长长范范围围的的光光才才有有高高反反射射率率，如如下下图图所所示示。图图中中给给出出了了几几种种不不同同层层数数的的ZnS-MgF2/4(0=0.46m)膜膜系系的的反反射射特特性性曲曲线线。可可以以看看出出，随随着着膜膜系系层层数数的的增增加加，高高反反射射率率的的波波长长区区趋趋于于一一个个极极限限，所所对对应应的的波波段段称称为为该该反反射射膜膜系系的的反反射射带带宽宽。对对于于图图示示情情况况，带宽约为带宽约为200nm。第22页，此课件共30页哦几种不同层数的几种不同层数的/4膜系的反射率曲线膜系的反射率曲线第23页，此课件共30页哦反射带宽的计算公式为反射带宽的计算公式为 式式中中，g=0/。由由此此可可见见，反反射射带带半半宽宽度度g只只与与nH/nL有有关关，nH/nL愈愈大大，带带宽宽就就愈愈大大。例例如如，对对于于由由ZnS(nH=2.34)和和MgF2(nL=1.38)材料镀制的材料镀制的0=0.632 8 m的反射膜，其反射带半宽度为的反射膜，其反射带半宽度为 相应反射带边缘的相应反射带边缘的g值为值为 第24页，此课件共30页哦4.3.4 干涉滤光片干涉滤光片干干涉涉滤滤光光片片是是利利用用多多光光束束干干涉涉原原理理（F-P干干涉涉仪仪）制制成成的的一一种种从从白白光光中过滤出波段范围很窄的准单色光的多层膜系。中过滤出波段范围很窄的准单色光的多层膜系。A.全介质干涉滤光片全介质干涉滤光片常见的干涉滤光片有两种：常见的干涉滤光片有两种：可见其结构为：可见其结构为：GH(LH)PLL(HL)PHG第25页，此课件共30页哦B.全介质干涉滤光片全介质干涉滤光片第26页，此课件共30页哦干涉滤光片的性能参数主要有三个：干涉滤光片的性能参数主要有三个：1）.中心波长中心波长即透过率最大的光波长即透过率最大的光波长C C。由由F-P干涉仪的原理，在小角度入射情形下，透射光强度极大值由干涉仪的原理，在小角度入射情形下，透射光强度极大值由下式决定：下式决定：对于干涉滤光片来说，对于干涉滤光片来说，n和和h分别是指间隔层的折射率和厚度分别是指间隔层的折射率和厚度可见，由于可见，由于m不同，同一干涉滤光片的工作波长可以有多个。不同，同一干涉滤光片的工作波长可以有多个。可见，较小的可见，较小的nh易得单一透过波长。易得单一透过波长。第27页，此课件共30页哦2）.透射光的波长半宽度透射光的波长半宽度透射光是准单色光，我们自然关心它的带宽。透射光是准单色光，我们自然关心它的带宽。考虑多光束干涉条纹的位相差半宽度（考虑多光束干涉条纹的位相差半宽度（4.21）：）：再考虑多光束干涉小角度时的位相差：再考虑多光束干涉小角度时的位相差：波长不同，位相差就不同；两边微分，波长不同，位相差就不同；两边微分，第28页，此课件共30页哦所以（略去负号），所以（略去负号），或或条纹的宽度与光源的非单色性有关，代入条纹的宽度与光源的非单色性有关，代入4.21式，式，由由4.56和和4.9式，式，即即m和和R越大，单色性越好。越大，单色性越好。第29页，此课件共30页哦3）.峰值透射率峰值透射率其理论值为其理论值为1，但是实际上由于吸收和散射损耗，它不可能为，但是实际上由于吸收和散射损耗，它不可能为1.第30页，此课件共30页哦