《薄膜光学基础》PPT课件.ppt

3.4.4 薄膜光学基础薄膜光学基础所谓所谓光学薄膜光学薄膜，是指在透明平整的基片或金属光滑表面上，是指在透明平整的基片或金属光滑表面上，用物理或化学的方法涂敷的单层或多层透明介质薄膜。用物理或化学的方法涂敷的单层或多层透明介质薄膜。利用在薄膜上、下表面反射光干涉利用在薄膜上、下表面反射光干涉相长或相消相长或相消的原理，使反的原理，使反射光得到增强或减弱，可制成光学元件射光得到增强或减弱，可制成光学元件增透膜或增反膜增透膜或增反膜,满足满足不同光学系统对反射率和透射率的不同要求。不同光学系统对反射率和透射率的不同要求。1 单层光学薄膜的反射单层光学薄膜的反射n3n2n1d设光波从第设光波从第i i层媒质射向第层媒质射向第j j层媒质时的反射系数和透射层媒质时的反射系数和透射系数为：系数为：n3n2n1d当振幅为当振幅为E0的单色平面波的单色平面波正入射正入射时，各反射光的复时，各反射光的复振幅为：振幅为：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）。叠加之后总的复振幅：叠加之后总的复振幅：总的反射系数：总的反射系数：上式在推导过程中使用了斯托克斯倒逆关系式：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：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。令令n11，n3作图。作图。0.04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反减反作用。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：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。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：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。2 双层膜双层膜设计光学薄膜计算量很大，设计光学薄膜计算量很大，现在都是借助计算机软件设现在都是借助计算机软件设计。在实践设计中多采用计。在实践设计中多采用光光程先决法程先决法。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。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组成的单层膜系统。组成的单层膜系统。由式由式(3-225)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：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：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：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0/4的高折射率膜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：层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分别代表高折分别代表高折射率膜层和低折射率膜层；射率膜层和低折射率膜层；p表示一共有表示一共有p组高低折射率交组高低折射率交替层，总膜层数为替层，总膜层数为(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。0/4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 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(0/4 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乎全全部部被被反反射射回回去去。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0/4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0/4，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要较较少少的的膜膜层层就就能能达达到到所所需需要要的的反反射射率率，缺点是计算和制备工艺较复杂。缺点是计算和制备工艺较复杂。由图，若在基片由图，若在基片G上镀一层上镀一层0/4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，其反射率为低折射率膜层，其反射率为 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 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：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)的的计计算算值值。计计算算数数据据为为：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 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。0/4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0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0/4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-MgF20/4(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膜系的反射带宽。对于图示情况，带宽约为射膜系的反射带宽。对于图示情况，带宽约为200nm。几种不同层数的几种不同层数的0/4膜系的反射率曲线膜系的反射率曲线