现代光学薄膜技术.pptx

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1、薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论矢量法如果忽略膜层内的多次反射，则合成的振幅反射系数由每一界面的反射系数的矢量和确定。每个界面的反射系数都联带着一个特定的相位滞后，它对应于光波从入射表面进至该界面又回到入射表面的过程第1页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论矢量法如果膜层没有吸收那么各个界面的振幅反射系数为实数各层薄膜的位相厚度为:第2页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论矢量法 矢量法的计算步骤是首先计算各个界面的振幅反射系数和各层膜的位相厚度，把各个矢量按比例地画在同 一张极坐标图上，然后按三角形法则求合矢量 求得的合矢量的模即为膜系的振幅反射系数，幅角就是反

2、射光的位相变化而能量反射率是振幅反射系数的平方。若在所考虑的整个波段内，忽略膜的色散，则对于所有波长振幅反射系数r1，r2、r3和r4均相同。第3页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论矢量法 为了避免在作矢量图时方向混乱，我们可以规定：1 矢量的模r1,r2,r3,r4，正值为指向坐标原点负值为离开原点 2 矢量之间的夹角仅决定于膜层的光学厚度和所考察的波长(即决定于膜层的位相厚度)按逆时针方向旋转。界面上的位相跃变已经包含在振幅反射系数的符号中，不必另作考虑。图解法的步骤：1 在极坐标图上画出各个矢量；2 平行移出构成矢量多边形。第4页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础

3、理论矢量法举例：3层膜N0=1 N1=1.38 N2=1.9 N3=1.65 N4=1.52各层的光学厚度：N1d1=/4 N2d2=/2 N3d3=/4 0=520nm,我们分别计算400nm 520nm 650nm处的反射率反射系数分别为：不同波长的夹角：第5页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论矢量法R400nm=0.81%R520nm=0.09%R650nm=0.49%第6页/共61页 对称膜系的等效折射率对于单层膜我们可以用一个矩阵M单来表示，对于一个多层膜可以用一组矩阵的乘积来表示：M多=M1M2M3Mn，一般来讲M多中的每一层都是无吸收介质时，矩阵M多中m11和m22

4、为纯实数，m12和m21为纯虚数，并且，行列式值为1，但是一般情况下m11和m22并不相等，这一点与单层膜的性质是不同的，所以在数学上就不能等同于一个单层膜。薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论第7页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论单层薄膜特征矩阵第8页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论第9页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论 对于以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜，却具有单层膜特征矩阵的所有特点，在数学上存在着一个等效层，这为等效折射率理论奠定了基础。下面我们就以最简单的对称膜系(pqp)为例说明对称膜系在数学上存在一个等效折射率的概念。这个

5、称膜系的特征矩阵为：对称膜系的等效折射率第10页/共61页第11页/共61页第12页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论 由于对称膜系的待征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的性质，可以假定以相似的形式来表示：对称膜系的等效折射率因此它可以用一层特殊的等效单层膜来描写，这层等效膜的折射率E（等效折射率）和位相厚度(等效位相厚度)可以由下面方程求得：第13页/共61页第14页/共61页而在相邻的波长范围|m11|=|m22|n3时，有Yn3也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率的04波长厚的膜层后，基片的折射率好象从n3提高到Y=N23/n3，然后镀上04波长厚的氟化镁膜层就能起到更好的

6、增透效果。构成04-04型增透膜，若使中心波长的反射率为零，应满足：第45页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学基础理论基础理论双层增透膜的导纳轨迹麦克劳得导纳图解技术简介H:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)HLH1LH:Y2O3(1.79)L:SiO2(1.46)第46页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系1.2 双层增透膜 当折射率完全满足以上关系的材料不能找到时，可以通过厚度的调整来达到，如图所示，n0、n3分别为入射介质和基片的折射率，n1和n2为折射率己确定的低折射率和高折射率材料的膜层，1、2便是待定的膜层位相厚度，用矢量法进行分析:第47页/共61页薄薄 膜膜

7、 光光 学学典型膜系典型膜系1.2 双层增透膜只有当矢量r1、r2和r3组成封闭三角形才能使合矢量为零。因此只须以矢量r1的始点和终点为圆心，分别以r3和r2为半径作两个圆，两个圆的交点就是满足合矢量为零条件的矢量r2和r3头尾相接的点，然后从矢量图上即可量得21、22的值。显然，图示的两种方式，都能使三角形封闭。解(b)的膜层总厚度比解(a)的小，它对波长的敏感性也较小，所以通常取此解。用矢量法求出双层增透膜的各层厚度第48页/共61页红线：1.38H 0.61L兰线：0.31H 2.77L NH=1.7 NL=1.461.2 双层增透膜第49页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜

8、系 上面讨论的04-04 结构的V形膜只能在较窄的光谱范围内有效地减反射，因此仅适宜于工作波段窄的系统中应用厚度为04-02型的双层增透膜，在中心波长0两侧，可望有两个反射率极小值，反射率曲线呈W型，所以也有把这种双层增膜称作为W型膜的对于中心波长膜层和基片组合的特征矩阵为1.2 双层增透膜第50页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系1.2 双层增透膜显然，在中心波长处的反射率与单层膜相同。第51页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系1.2 双层增透膜第52页/共61页第53页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系1.2 三层增透膜 双层增透膜的减反射性能比单

9、层增透膜要优越得，但它并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点（1）剩余反射高；（2）带宽小。为了克服以上的缺点人们设计出了三层以及多层增透膜。对于04-04 型的增透膜在中心波长处增透效果好但是带宽较小，04-02型的增透膜在一定程度上展宽了带宽但是总体的减反射效果不理想，人们想到将它们结合起来，设计出0/4-0/2-0/4型增透膜，不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。总之，人们可以通过调整层数、厚度、材料来不断的优化设计，由于实际工作中04的整数倍厚度容易控制，人们把全部由04整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。第54页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系第55页

10、/共61页G.25453I.06773H.0459I.10938L.05389H.08113L.21788F Air I:1.7 H:2.3 L:1.46 F:1.38 薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系第56页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系高折射率基底材料的的减反射膜 在可见区应用的大多数光学玻璃，通常在波长大于3微米以后就不再透明因此，在红外区经常采用某些特种玻璃和晶体材料特别是半导体材料。半导体有很高的折射率，例如硅约为3.4而锗大约是4。这些半导体基片若不镀增透膜，就不可能广泛地使用这个问题不同于可见区，在可见区，其目的是将大约4%的反射损失减小到千分之几，而在红

11、外区，则是将30%左右的反射损失减小为百分之几。一般说在红外区百分之几的损失是允许的，因而低折射率基片通常很少镀减反膜。红外材料镀膜从原理上讲同可见是一致的，只不过材料的选择余地较小。第57页/共61页薄薄 膜膜 光光 学学典型膜系典型膜系使用增透膜的几个注意事项使用的波长范围，单点还是宽光谱或一段光谱带一点；例如可见区(420nm-700nm)，或红外（3700nm-4800nm)，或可见区加1064nm等；剩余反射率指标；（平均或最大剩余反射率）使用角度或角度范围；使用环境；（有无三防要求等）有无激光阈值要求；其它功能性要求第58页/共61页第59页/共61页第60页/共61页感谢您的观看！第61页/共61页