光学薄膜技术课件.docx

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1、典型膜系介绍依据其作用可以将光学薄膜的类型简洁的分为：1、减反射膜或者叫增透膜2、分束膜3、反射膜4、滤光片5、其他特别应用的薄膜一. 减反射膜增透膜在众多的光学系统中，一个相当重要的组成局部是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中，增 透膜是不行缺少的，否则，无法到达应用的要求。 就拿一个由 18 块透镜组成的 35mm 的自动变焦的照相机来说，假定每个玻璃和空气的界面有4%的反射，没有增透的镜头光透过率为23%，镀有一层膜剩余的反射为 1.3%的镜头光透过率为 62.4%，镀多层膜剩余的反射为 0.5%的为 83.5%。大功率激光系统要求某些元件有极低的外表反射，以避开敏感元件受到不需要

2、的反射光的破坏。此外， 宽带增透膜可以提高象质量、色平衡和作用距离，而使系统的全部性能增加。当光线从折射率为n0 的介质射入折射率为n1 的另一介质时，在两介质的分界面上就会产生光的反射， 假设介质没有吸取，分界面是一光学外表，光线又是垂直入射，则反射率R 为： n - n 2R = 01 透射率T = 1 - Rn + n01例，折射率为 1.52 的冕牌玻璃，每个外表的反射约为4.2%，折射率较高的火石玻璃外表的反射更为显著。这种外表反射造成了两个严峻的后果：光能量损失，使像的亮度降低；外表反射光经过屡次反射或漫射，有一局部成为杂散光，最终也到达像平面，使像的衬度降低，区分率下降，从而影响

3、光学系统的成像质量。减反射膜，又称增透膜，它的主要功能是削减或消退透镜、棱镜、平面镜等光学外表的反射光，从而增加这些元件的透光量，削减或消退系统的杂散光。最简洁的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学外表上的一层折射率较低的介于空气折射率和光学元件折射率之间的薄膜。以使某些颜色的单色光在外表上的反射干预相消，增加透射。使用最普遍的介质膜材料为氟化镁，它的折射率为 1.38。减反射膜可由简洁的单层膜至二十层以上的多层膜系构成，单层膜能使某一波长的反射率实际为零， 多层膜则在某一波段具有实际为零的反射率。减反射膜的工作原理是基于薄膜干预原理入射光在介质膜两外表反射后得两束相干光，选择折射率适当的介质

4、膜材料，可使两束相干光的振幅接近相等，再掌握薄膜厚度，使两相干光的光程差满足干预微小条件，此时反射光能量将完全消退或大大 减弱。适当条件下可完全没有反射光或只有很弱的反射光。1.1 单层减反射膜为了削减外表反射率，就在玻璃外表上镀上一层低折射率的薄膜。抱负的单层增透膜的条件是，膜层的光学厚度为四分之一波长，其折射率为入射介质和基片折射率乘积的 平方根。在可见区，使用得最普遍的是折射率为 1.62 左右的冕脾玻璃。抱负的增透膜的折射率为1.28，但是至今能利用的薄膜的最低折射率是 1.38(氟化镁)。这虽然不很抱负，但也得到了相当的改进。单层减反射膜只能对某个波长和它四周的较窄波段内的光波起增透

5、作用。为了在较宽的光谱范围到达更有效的增透效果，常承受双层、三层甚至更多层数的减反射膜。1.2 双层减反射膜从上面晶体镀MgF2 增透膜的例中可以看到，为了到达全增透的效果， 2 ，则要求将基底的折射率 1.65 提高到 1.9n1=1.38，n2=1.9。怎么办？先沉积一层折射率为 1.77 光学厚度为0/的薄膜，而后再镀MgF2 单层膜，就能到达全增透的要求。常见的多层膜系统是玻璃高折射率材料低折射率材料空气 ，简称 GHLA 系统 。H 层通常用二氧化锆 n2.1、二氧化钛n2.40和硫化锌n2.32 等 ；L 层一般用氟化镁n1.38等。1、双层0/4 膜堆0对于单层氟化镁膜来说，冕牌

6、玻璃的折射率是太低了。为此，我们可以在玻璃基片上先镀一层/4 厚的、折射率为n2 的薄膜，这时对于波长 来说，薄膜和基片组合的系统可以用一折射率为Y= n 2 /n 的假023想基片来等价。明显，当 n n 时，有 Yn ，也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率的 /4 厚的膜层后，基片2330的折射率从n3 提高到n 2/n ，然后再镀上0/4 厚的氟化镁膜就能起到更好的增透效果。构成 4 23004 型增透膜。但对于偏离 的波长，外表反射增加，反射率曲线呈V 字形，所以也有把这种 /4/4 双层增透000膜称为V 形膜的。在限定两层膜的厚度都是 /4 的前提下，欲使波长的反射光减至零，它们

7、的折射率应满足如下关系：00p22 公式3假设外层膜确定用折射率n1 为 1.38 的氟化镁，则内层膜的折射率n2 取决于基片材料n 。见公式2。上面争论的 4 4 构造的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00窄的系统中应用。02、0/2 /4 膜堆 G2HLA厚度为 2 4 型的双层增透膜，在中心波长两侧，可望有两个反射率微小值，反射率曲000线呈W 型，所以也把这种双层增膜称作为W 型膜。同一个G2HLA 膜系的减反射效果随着基底折射率的不同而大不一样。欲获得好的减反射效果，膜层折射率应当随着基底折射率的不同而进展调整。同样，同一个折射率的基底，膜层折射率变化

8、时，减反射效 果也大不一样。1.3 多层减反射膜双层增透膜的减反射性能比单层增透膜要优越得多，但它并没有全部抑制单层增透膜的两个主要缺点：（1） 剩余反射高；（2） 带宽小。为了抑制以上的缺点人们设计出了三层以及多层增透膜。对于4- 4 型的增透膜V 型膜在中心波特长增透效果好但是带宽较小， 2- 40000型的增透膜W 型膜在肯定程度上展宽了带宽但是总体的减反射效果不抱负，人们想到将它们结合起来，设计出 /4- /4-/4 等型增透膜，不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。00000* 4- 2 W 型膜在低反射区的中心有一个的凸峰，为了降低这个反射率的凸峰，又要保持半波长层的光滑光谱特性的作

9、用，可以将半波长层分成折射率稍稍不同的两个1/4 波长层。00也可以在双层V 型膜的根底上构造多层减反射膜，例如在 4- 4 V 型膜的中间插入半波长的光滑层，得到典型的 4 24 三层减反射膜构造。0004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 的整数倍厚度04简洁掌握，人们把全部由 整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。0对于不同折射率的基片，要用不同折射率的薄膜材料，通常是通过转变内层膜的折射率来实现匹配的。书 本 p24 图 2-6 列出了各种不同折射率基片上的三层增透膜的反射率曲线。000000对于折射率低于 1.63 的基片， 4- 2

10、- 4 型三层减反射膜是适宜的；而对于折射率大于 1.66的基片， 4- 2- 2 型三层减反射膜更为适宜。1.4 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 微米以后就不再透亮。因此，在红外区常常承受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，碲化铅是 5.5。这些半导体基片假设不镀增透膜，就不行能 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。前面关于单层增透膜的考虑，也同样

11、完全适用于高折射率基片。锗、硅、砷化镓、砷化铟、及锑化铟基片， 都可用单层硫化锌、二氧化铈或一氧化硅有效地增透。同样地，V 型双层增透膜的设计理论，也可用于高折射率基片。二、高反射膜在光学薄膜中，反射膜和增透膜几乎同样重要，高反射膜是构成激光谐振腔的重要部件之一，同时在激光的放射和转折中也用高反射膜作反射器，所以反射膜是激光技术中很重要的组成局部。对于光学仪器中的反射系统来说，由于单纯金属膜的特性大都已经满足常用要求，因而我们首先争论金属 反射膜，在某些应用中，假设要求的反射率高于金属膜所能到达的数值则可在金属膜上加额外的介质膜以提 高它们的反射率， 最终介绍全介质多层反射膜，由于这种反射膜具

12、有最大的反射率和最小的吸取率因而在激光应用中得到了广泛的使用。2.1 金属反射膜 p25在光学工程中，人们先将比金属更简洁获得高光滑度的玻璃抛光，再将金属镀制在抛光玻璃外表形成 金属高反射镜。镀制金属反射膜常用的材料有铝Al、银Ag、金Au等，它们的分光反射率曲线如书 p27 图 2-9。银膜在可见区和红外区都有很高的反射率，而且在倾斜使用时引入的偏振效应也最小。但是蒸发的银膜用 作前外表镜镀层时却因以下两个缘由受到严峻限制：它与基片的粘附性很差；同时易于受到硫化物的影响 而失去光泽。金膜在红外区的反射率很高，它的强度和稳定性比银膜好，所以常用它作为红外反射镜。金膜与玻璃基片 的附着性较差，为

13、此常用鉻膜作为衬底层。银膜在可见区和红外区都有很高的反射率，而且在倾斜使用时引入的偏振效应也最小。但是蒸发的银膜用 作前外表镜镀层时却因以下两个缘由受到严峻限制：它与基片的粘附性很差；同时易于受到硫化物的影响 而失去光泽。曾试图使用蒸发的一氧化硅或氟化镁作为保护膜，但由于它们与银的粘附性很差，没有获得成功。所以通 常仅用于短期使用的场合或作为后外表镜的镀层。由于多数金属膜都比较软，简洁损坏所以常常在金属膜外面加一层保护膜，这样既能改进强度，又能保护 金属膜不受大气侵蚀。最常用的铝保护膜是一氧化硅，此外，氧化铝也常作为铝保护膜。作为紫外反射镜 的铝膜不能用一氧化硅或氧化铝作保护膜，由于它们在紫外

14、区有显著的吸取。镀制紫外高反射镜比镀制可见区和红外区的高反射镜要困难得多。用氟化镁镀层很结实和氟化锂镀层强度较差作为防止 铝氧化的保护膜，在紫外区得到了成功的应用。总结金属反射膜四点特性1、高反射波段格外宽阔，可以掩盖几乎全部光谱范围，固然，就每一种具体的金属而言，它都有自己最正确 的反射波段。2、各种金属膜层与基底的附着力量有较大差距。如Al、Cr、Ni镍与玻璃附着结实；而Au、Ag 与玻璃附着力量很差。3、金属膜层的化学稳定性较差，易被环境气体腐蚀。4、膜层软，易划伤。金属膜材料的选择 铝：最常用，紫外、可见、红外 银：反射率最高，稳定性差 金：红外常用、稳定 铂、铑：稳定、结实2.2 多

15、层介质高反射膜 p30上一节所述的金属反射膜包含较大的吸取损失，对于高性能的多光束干预仪中的反射膜以及激光器谐 振腔的反射镜，要求更高的反射率和尽可能小的吸取损失。在折射率为 ng 的基片上镀以光学厚度为0/4 的高折射率n1的膜层后，光线垂直入射的反射率为：0用高、低折射率交替的，每层 /4 厚的介质多层膜能够得到更高的反射率。这是由于从膜系全部界面上反射的光束，当它们回到前外表时具有一样位相，从而产生相长干预。对这样一组介质膜系，在理论上 可望得到格外接近于 100%的反射率。假设 nH 和 nL 是高、低折射率层的折射率，并使介质膜系两边的最外层为高折射率层，其每层的厚度均为00/4，当

16、光束由空气中垂直入射时，中心波长的反射率，也即极大值反射率为式中，ng 基片的折射率，2S+1 是多层膜的层数。nH 和 nL 比值愈大，则反射率愈高。当膜系的反射率很高时，额外加镀两层将使膜系的透射率缩小(nL/nH) 倍。理论上只要增加膜系的层数，反射率可无限地接近 100%，实际上由于膜层中的吸取、散射损失，当膜系到达肯定层数时，连续加镀两层并不能提高其反射率。有时甚至由于吸取、散射的增加，而使反射率下降。因此，膜系中的吸取和散射损耗 限制了介质膜系的最大层数。上图表示一个典型的/4 介质膜系的特性。可以看出，存在着一个随着层数的增加，反射率稳定地增加的高反射带宽度 2g 。这个宽度是有

17、限的，在高反射带的两边，反射率陡然降落为小的振荡着的数值。连续增加层数，并不影响高反射带的宽度，只是增大了反射带内的反射率以及带外的振荡数目。0因此，厚度均为 /4 的介质高反射膜，其高反射带宽度仅取决高、低折射率层的折射率比值，而与层数无关。2.3 展宽高反射带的多层介质膜/4 膜堆所能得到的高反射区g 仅取决于膜料折射率之比值p31 公式。在可见光区域能找到的 有有用价值的 材料中，折射率最大的不超过 2.6，而最小的不小于 1.3，在红外区域中，最大折射率也不超过 6.0。因此单个 /4 多层膜的高反射区是有限的。在很多应用中，高反射区域不够宽广，不能满足使用要求。 因而进展了一些方法以

18、展宽其高反射带的宽度。展宽高反射带的宽度的方法方法一 使膜系相继各层的厚度形成规章递增或递减。其目的在于确保对格外宽的区域内的任何波长， 膜系中都有足够多的膜层，其光学厚度格外接近/4，以给出对的高反射率。方法二、在一个/4 多层膜上，叠加另一个中心波长不同的多层膜。必需留意的是，假设每个多层膜都是由奇数层构成，并且最外层的折射率一样，那么在叠加之后，将在展宽了的高反射带的中心消灭透射率峰 值。这个峰值的消灭，是由于两个多层膜的作用。见书p33 图 2-18曲线A 和曲线B 是测得的两个/4 多层高反射膜的反射率，每个膜有一样的奇数层，并且都起止于高折射率层。曲线C 表示由这两个多层膜叠加合成

19、的膜系的实测反射率。在两个多层膜之间，加进一层厚度为1/4 平均波长的低折射率层，如曲线D 所示，透射峰完全消逝，得到宽阔平顶的反射率曲线。光线倾斜入射时，反射带将有所变化：反射带整体向短波方向移动，总反射曲线两端陡度变差。三、中性分束膜中性分束镜能够在肯定波段内把一束光按比例分成光谱成分一样的两束光， 也即它在肯定的波长区域内， 如可见区内，对各波长具有一样的透射率和反射率之比值透反比。因而反射光和透射光不带有颜色， 呈色中性。分光镜通常总是倾斜使用的，它能把入射光分别成反射光和透射光两局部。对于不同的用途，分光镜往往有不同的透反比 TR。大部份是要求 T/R=1，即透反比 5050 的中性

20、分束镜是最常用的。对分光膜的另一个要求则是分光性能呈中性，也就是要求在肯定波长范围内，T/R 比值不随波长变化。分光膜主要有二种类型：一是金属分光膜；二是介质分光膜。分束镜又可以按使用方式分为平板和棱镜分光两种：1、把膜层镀在透亮的平板玻璃上。P34 图 2-19a2、把膜层镀在 45的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样外形的棱镜，构成胶合立方体。P34 图 2-19b 胶合立方体分光镜的优点是，在仪器中装调便利，而且由于膜层不是暴露在空气中，不易损坏腐蚀，因而 对膜层材料的机械、化学稳定性要求较低。但是胶合立方体分光镜的偏振效应较大。3.1 金属中性分光镜 P34金属分光镜是最常用的分光镜。金属

21、分光膜的优点：a、呈中性。b、用于制备不同透、反比值的分光膜。c、金属分光膜与基底结合很结实。Ag 膜：吸取小、中性差、稳定性差在一般场合下要求分光膜的吸取小。在可见区，银是吸取最小的一种金属膜，但中性稍差，在光谱的蓝色端反射率下降，而且银的机械强度和化学稳定性都不好，一般只在胶合棱镜中使用。Al 膜和Cr 也常常用作分光膜； Al 膜也存在中性和结实度的问题;Cr 膜的中性较好，其机械强度和化学稳定性都格外好，它的分光曲线比较平坦，在可见区域，一般长波端的反射率比短波端高 10%左右。镍铬合金80Ni-20Cr) 在 0.24 5的宽阔的波长范围内，显示出格外平坦的分光特性。并且机械强度和化

22、学稳定性都格外好。金属膜分光镜的一个共同的缺点是吸取损失较大，降低了分光的效率。分光镜的反射率和入射光的方向有 关。从空气侧入射测得的反射率要比从玻璃侧入射测得的要高，而透射率与光的传播方向无关。因而从空 气侧入射时的吸取比从玻璃侧入射时的吸取要小得多。因此必需留意金属分光膜的正确安置。由于分光镜的吸取损失和分光膜四周的介质有关，因此也可以通过转变四周的介质，使吸取损失减小。例如， 在玻璃基板上先镀一层/4 硫化锌膜，然后镀上鉻膜，就可使分光镜的吸取显著减小。在T 和 R 近似相等的条件下，只镀一层鉻膜的分光镜的T+R 约为 60%，而增加一层/4 膜后，T+R 可提高至 82%左右。3.2

23、介质分光膜 P35介质膜分光镜与金属分光镜相比较，由于介质膜的吸取小到可以无视的程度，所以分光效率高，这是介 质分光镜的优点，但是介质膜的特性对波长较敏感，给中性分光带来困难；同时，一般介质膜分光镜的偏振 相应较大，这也是它的缺乏之处。在透亮基片 ng 上镀上一层/4 的高折射率的介质薄膜(n1)就能增加反射率，减小透射率，在中心波长四周一个相当宽的波长范围内这种膜的反射率随波长转变得格外缓慢一般讲可见区透亮材料的折射率都在2.5 以下，对自然光要到达50/50 的分光，单层膜是困难的，它仅适用于反射率要求较低的场合。所以必需使用多层介质膜。对于平板分光镜通常可承受GHLHLA或 G2LHLH

24、LA，其中A 为空气，G 为折射率ng=1.52 的基片，H、L 是有效厚度为0/4、折射率分别为 2.35 和 1.38 的高、低折射率薄膜。P37 图 2-22在某些光学系统中，由于平板分光镜的反面反射造成双像并引进像差，因此必需承受胶合立方体分光镜， 并且承受多层介质薄膜。对于构造如 GHLHG 这样的三层膜系统，nH=2.3; nL=1.38 时，它的中心波长的反射率约为 50%，但是膜层具有猛烈的选择性，反射光和透射光带有明显的颜色。为了得到中性程度好、R/T 接近于 1 的介质膜立方体分光镜，可以增加薄膜层数，并且通过逐步修改膜系， 设计出特性良好的分光镜。第一步：基于0/4 膜系

25、，承受GHLHLG 和 GLHLHLG 等膜系。胶合棱镜的折射率ng=1.52；高折射率材料nH=2.3 的硫化锌;低折射率材料nL=1.38 的氟化镁。这种分光镜的反射光为绿色，而透射光呈红色。其次步：提高光谱两端的反射率，从而到达改善中性的目的。在第一步中增加 0/2 厚度的膜层。这样， 除中心波长外，其余波长的反射率都有不同程度的增长。可以增加2L 层，如 G2LHLHLG 和G2LHLH2LG 等。光谱两端的反射率有所提高，但不格外显著，所以2L 层适宜于作微小的调整。假设要作较大程度的调整，则需增加 2H 层，例如GHLHL2HG 、GLHLHL2HG 和G2LHLHL2HG 等。G

26、HLHL2HG 波长 420680nm 反射率差值小于 3.3%； GLHLHL2HG 波长 420690nm 反射率差值小于 2.8%； G2LHLHL2HG 波长 410700nm 反射率差值小于 3.3%； 而且R/T 接近 1，这对于很多实际应用已经能够满足要求。小结棱镜胶合的分光镜的膜系：A、G|HLHL2H|G; B、G|LHLHL2H|G;C、G|2LHLHL2H|G。在这三种膜系中，A 是根本的膜系。B、C 是对 A 修改后的膜系，在基底一侧度上一层L 或 2L，可以使 R/T 比值更加趋近于 1。这是由于这里的L 或 2L 层在膜系中起到平滑光谱的作用，而 2H 层在这里起到

27、对长短波侧曲线的反射率或透射率有所提高或有所降低以到达增宽中性范围的目的。为了使分光镜的透反比根本上符合 50/50 的要求，还可进一步修改设计。修改后的分光镜仍应保持良好的中性。修改方法可以用一中间折射率的0/4M 膜代替一高折射率膜层，使反射率得到适当的调整。为了避开应用第三种材料，也可承受减小nH /nL 比值的方法，使整个可见区的反射率曲线下降。此外，还可用破坏0/4 膜系的方法，到达调整的目的。例如，GLHLHL2HG GLH L HL2HG图中分光曲线在R=50%四周振荡，根本上到达了修改的目的。在某些系统中，为了供给最正确的中性，或调整实际测量与计算之间的微小差异，在试验的根底上

28、，还可通 过修改最终一层0/2 厚的硫化锌膜的厚度的简洁方法来进展调整、补偿，例如上述膜系进一步改进为GLHLHLHG 后，蓝端的反射率下降 2.4%左右。反之也可提高蓝端的反射，降低红端的反射率。3.3 偏振中性分束棱镜偏振中性分束棱镜是利用斜入射时间的偏振，实现50/50 中性分光。原理：对于折射率不同的两种介质的分界面 nHnL ，当入射角满足布儒斯特角条件时，即 tg=n /n，P偏振光的反射为零，而 S偏振光则局部反射，局部透射。为了增加 S偏振光HLH的反射率，保持P偏振光的透射率接近于 1，可以将两种材料交替沉积制成多层膜。当层数足够多时，S偏振光的反射率接近于 1，P偏振光的透

29、射率接近于 1，因而对于自然光而言，在一定的波长范围内，可以得到 50/50 的透反比，是良好的中性分光镜，也是偏振度很高的薄膜偏振镜。布儒斯特角条件： tgH = nL/nH折射定律： nHsinH = nLsinL = ngsing假设给定膜层的折射率nL 和 nH，也即确定了膜层的折射角L 和H 。有两种途径可以实现全偏振条件：选定棱镜的折射率ng ，计算棱镜应有的角度g选定棱镜的角度g=45较便利，然后计算玻璃应有的折射率。如当薄膜的折射率为 2.35 和 1.35，棱镜角为 45，这时玻璃的折射率应为 1.66。相反，假设棱镜的折射率 1.52，膜料的折射率为 2.35 和 1.35

30、,则满足布儒斯特角条件的棱镜内入射角是50.5。提示:对于不同的凹凸折射率材料,则要求用不同折射率的玻璃材料来制作棱镜,方能到达全偏振分光的目的。在偏振分光膜的每个界面上，入射角都必需满足布儒斯特角条件。因而，假设以空气作为入射介质，对于 常用的介质材料，要使光线在膜层内的入射角满足布儒斯特角条件，则在空气中的入射角必将大于 90， 因此这组双层膜系必需封入胶合棱镜内。对于介质分光镜来说， P偏振重量的反射率通常总是低于S偏振重量的反射率，在立方体分光镜中，这种偏振效应更是显著。以致这种分光镜在对偏振效应限制较严的场合不能使用，而必需应用金属膜的分光 镜。归纳金属、介质分束镜的优缺点： 金属分

31、束镜优点：中性好，光谱范围宽，偏振效应小，制作简洁缺点：吸取大使用留意事项：光的入射方向介质分束镜优点：吸取小，几乎可以无视缺点：光谱范围窄，偏振分别明显，角度效应明显4.1 概述四、截止滤光片所谓截止滤光片是指要求某一波长范围的光束高效透射，而偏离这一波长的光束突然变化为高反射(或称抑制)的干预截止滤光片,有着广泛的应用例如：电影放映机中的冷光镜等。通常我们把抑制短波区、透射长波区的滤光片称为长波通滤光片。相反抑制长波区、透射短波区的截止滤光片就称为短波通滤光片。吸取截止滤光片应用最广泛，可以由颜色玻璃、晶体、烧结多孔明胶、无机和有机液体以及吸取薄膜制成。 其主要优点是使用简洁，对入射角不敏

32、感，造价廉价适中。但吸取型截止滤光片的截止波长不是任凭可以 移动的。本节主要介绍薄膜干预型截止滤光片。以下图表示长波通和短波通滤光片的典型特性曲线： p39 图干预截止滤光片的几个重要指标：1. 透射曲线开头上升(或下降)时的波长以及透过率T=50%的点落在某一波长的范围内0 ；2. 高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内允许的最小透射率；3. 截止带的光谱宽度，以及在此截止带内所允许最大的透过率。干预截止滤光片的根本膜系类型是/4 周期性膜堆LH。图中所示为/4 多层膜的透射率曲线外形。它既可以用作截止长波的短波通滤光片，也可以用作截止短波的长波通滤光片。只要转变监控膜层厚度的波长，

33、截止限的位置是可以移动的。图 2-31 中明显的特点是通带透射率的既深又多的波浪。干预截止滤光片膜系设计的主要任务就是消退和减小通带波浪。假设对/4 多层膜作简洁的修改，在/4 多层膜的每一侧加一个/8 膜层即可。假设原膜系起止于高折射率层，则要求加一对低折射率层，否则刚好相反。4.2 通带波浪的压缩压缩带通波浪有很多不同的途径，最简洁的是选取一个组合膜。 组合，其中nH =2.30，nL=1.38，在玻璃上给出一个良好的长波通滤光片；而组合具有较好的短波通滤光片特性。图2-34一种压缩波浪的简洁的方法是转变根本周期内的膜层厚度，则要求光滑基片保持低的反射率即基片应有低 的折射率，所以，这种方

34、法对于K9 玻璃系列是比较有效的。在可见光区，玻璃是格外满足的基片材料，但是这种方法不能不加修改就用于红外区，例如用于硅板和锗板。举例：假设短波通滤光片的技术要求为： HR：780 930nmR99% HT：496 664nmT95%HR 代表高反；HT 代表高透。我们需承受短波通的膜系：上面的短波通膜系转变为：nG|15(H2L)HL|n0nH =2.15(TiO2)；nL =1.46(SiO2)；nG =1.52二图比较，通带中的波浪有较大的压缩，从496nm664mn 通带内的波浪趋向于 0，波浪压缩是格外抱负的。在膜系的基底侧与入射的空气侧，加上匹配层，以起到压缩通带波浪的作用。我们上

35、面讲到短波通膜系nG|15(H2L)HL|n0 的最外二层HL 实际上是空气侧的匹配膜系，这样可以使通带的波浪比较小；假设去掉空气侧的匹配层，则通带内的波快速加剧，以致无法使用。所以，这二层明显是格外 关键的匹配层。但是我们从图 5-6 中可以得到，在靠近截止带侧的通带中有三个比较大的反射次峰存在。这往往会影响到干预截止滤光片在实际中的应用，为此，需尽量想方法降低反射峰的负面影响。为了到达这目的。我们在短波通滤光片主膜系的二侧加上匹配层，基底侧的匹配层为2H1.5L，而在空气侧加上 2L 匹配层，膜系可设计成：nG|2H1.5L15(2HL)2L|n0nH =2.15 nL =1.46 nG

36、=1.52通带长波侧的次峰由于原来的三个削减到一个，而且 664720nm 波段的通带透过率明显提高到接近于 100%，而且波浪有很大的压缩， 波浪趋向于 0。496664nm 波段，虽然波浪比图 5-6 有增加，但其Tav 仍旧可到达 95%左右与图 5-6 持平。短波侧通带 440nm 四周的反射次峰有所减弱。截止滤光片的应用从数量上讲，干预型截止滤光片的应用数量仅次于减反射膜； 从种类上讲，干预型截止滤光片的应用类型是全部光学薄膜器件中最多的。1、彩色分光膜在彩色技术中使用的二向色镜是反射和透射光谱均被利用的长波通或短波通滤光片。它的作用是将一束光分别为不同颜色的几束光。二向色镜一般都是

37、倾斜使用的，这就不行避开地带来偏振影响，造成彩色复原的失真。对于各种技术的不同应用场合，彩色分光元件可以 设计成平板型和棱镜型。解决棱镜式分光元件偏振效应的方法是合理设计分光棱镜的形式，尽可能减小光束在膜面上的入射角。一般入射角降到 22.5，再结合其他减偏手段，可以得到低色偏的棱镜分光元件。彩色扩印机及彩色放大机的彩色头中使用的分光元件是在入射角为0时使用的，右以下图给出了一套红绿蓝三原色滤光片的设计光谱特性。五、带通滤光片 p46带通滤光片是指在肯定的波段内，只有中间一小段 是高透射率的通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。滤光片的主要参数：0 中心波长或称峰值波长；Tmax中心波长透射

38、率，也即峰值透射率；2透过率为峰值透过率一半的波长宽度，也称通带半宽度，有时也用2/0 表示相对半宽度。图 2-46带通滤光片有两种形式:1、由一个长波通膜系和一个短波通膜系的重叠通带波段形成带通滤光片的通带。光谱特性：较宽的截止带；较深的截止深度；但通带不够窄；常用于宽带通滤光片。但那些相对半宽度小于l5%或更窄的干预滤光片上述的方法就做不到了，它们需要用其它原理设计。 2、法布里珀珞干预仪形式的滤光膜系光谱特性：很窄的通带；较窄的截止带；截止深度不深；大多数状况下需要协作使用截止滤光片来拓宽截止带和增加截止深度。最简洁的薄膜窄带滤光片是依据法布里珀珞多光束干预仪制成的，法布里-珀珞干预仪是

39、由两块一样的、间距为d 的平行反射板组成，这个标准具可以代换成一个薄膜组合。图2-45现在将它们代换成薄膜的组合：两个金属反射层夹一个介质层，介质层取代间距d 的位置，称为间隔层。这种代换有两点不同：第一，滤光片的全部膜层包括二个反射膜是镀在同一基片玻璃上的，所以滤光 片的各层膜是基片面型的临摹品，因此FP 干预滤光片中基片面型一般不会影响滤光片的光学性能，但我们知道，在FP 标准具中，两反射板的面型不同是会严峻影响标准具的光学性能的。其次，滤光片的间隔层是折射率大于 1 的介质膜，标准具的间隔层是折射率等于 1 的空气。而且标准具的间隔d 不简洁做得很小，因此标准具一般是高干预级次的，而滤光

40、片则可以把间隔层做到一级次干预。FP 干预滤光片的反射膜可以是金属膜，我们称它为金属介质 FP 干预滤光片；反射膜也可以是全介质膜，称之为全介质FP 干预滤光片。FP 滤光片的特性R1、R2、T1、T2 分别表示两反射板的反射率和透射率，1、2 为反射板的反射相移，为间隔层的位相厚度。通带半宽度：公式 2-10 相对半宽度：公式 2-11 峰值透过率：公式 2-12当反射膜没有吸取、散射损失而且反射膜完全对称时，即T1=T2=1-R1=1-R2，R1=R2 时，Tmax=1；当两个反射膜完全对称，且有散射、吸取存在时：峰值透过率公式2-13 R12、T12、A12 分别表示两反射膜的反射率、透

41、射率和吸取率。两个反射膜的不对称性对峰值透过率的影响：公式2-15两个反射膜不对称的FP 滤光片的峰值透过率图：图 2-47两个反射膜的不对称性影响FP 滤光片的峰值透过率，但是极不敏感。甚至在两个反射膜的透射率相差两倍时，峰值透过率仍旧还有 75%。争论：在实际上存在吸取、散射的状况下，反射膜的透射率愈低，吸取、散射愈大，则峰值透射率愈低。 例如T120.012,A12=0.005,Tmax50%左右。这时假设A12 增至 0.01，则Tmax 降至 30%左右。这足以说明法布里珀珞滤光片对膜层的吸取、散射损失是极其敏感的。对于金属介质FP 干预滤光片，由于金属反射膜的固有吸取，这种滤光片的

42、峰值反射率不行能做得太高，一般以 35%40%为宜。金属介质FP 滤光片中最好的金属反射膜通常承受铝膜和银膜。这种滤光片的相对半宽度常取18%， 可见光区应用的滤光片半宽度掌握在 510nm，峰值透过率 3040%；假设要求半宽度比较窄，峰值透射率可掌握在 20%；假设要求一个较深的抑制带，可以考虑把两个同样的滤光片胶合起来，在紫外区常常这样做。上图给出了这种类型的很多滤光片的透射率的实测曲线。其中曲线 6 是两块滤光片胶合后的测量曲线，其余均为单块滤光片的测量曲线。制备金属一介质FP 滤光片并不困难，主要应当尽快地把金属蒸镀到冷基片上。监控膜层可以用三块比较片，每块监控一层膜。蒸镀之后膜层应

43、尽快地与盖片玻璃胶合，并留意用环氧树脂胶封边，以防水气的侵 害。在短于波长 300nm 的紫外区，有少数几种适用的胶合剂，而在波长200nm 以下一种也没有，因而滤光片不能胶以盖片。这时可用一层极薄的氧化镁来保护最外面的金属膜，选定这层膜的厚度，使它成为金属膜的减反射膜。也 有人在盖片玻璃与膜之间加一个垫圈，外面用环氧胶封边，在盖片玻璃与膜之间留一个小的空气层来解决 没有适用胶合剂的问题。由P60 式2.5.3，滤光片通带的半宽度取决于干预级次和反射膜的反射率。干预级次越高即间隔层愈厚，反射膜的反射率愈高，则半宽度愈小，滤光片透射光的单色性愈好。全介质法布里-珀珞滤光片由于金属膜吸取比较大，限

44、制了滤光片性能的进一步提高，所以假设用4 全介质反射膜系取代金属反射膜，则可以大大提高F-P 滤光片的性能。对于高折射率间隔层，半宽度 2公式 2-19 对于低折射率间隔层，半宽度 2公式 2-20由于全介质多层反射膜只在有限的区域是有效的，因此滤光片透射率峰值的两边会消灭旁通带。在大多数 应用中，必需将它们抑制掉。短波旁通带只要在滤光片上叠加一块长波通吸取玻璃滤光片很简洁去掉。但是不简洁得到短波通吸取滤光 片，有些短波通吸取滤光片虽然能抑制长波旁通带，但短波方面的透射率太低，大大降低了整个滤光片的 峰值透射率。法布里-珀珞滤光片的应用长期以来，法布里一珀珞干预型膜系作为获得窄带通滤光片的惟一

45、途径，在光学波段得到了广泛的应用。 特别是近几年光纤通信DWDM 技术中，承受法布里一珀珞干预型光学超窄带滤光片扩展单根光纤的信道容量，使光学超窄带滤光片的应用和制造技术水平上升到一个绝无仅有的颠峰状态。宽带通滤光片在光学工程中，并不是全部需要带通滤光片的地方都期望通带越窄越好，还有一局部需要是宽带通滤光片。 即，在有些光学系统中需要在限定的某一波段是高透过率，两边是高抑制的截止区。具有较宽透射带的滤光片，通常可以用短波通和长波通滤光片组合而成。截止滤光片膜系可以镀在分立的基底上，假设干不同截止波长的截止滤光片组成一套具有不同半宽度和峰值 波长的宽带滤光片。但是这样组成的宽带滤光片，不适用于成像系统，由于膜系之间的屡次反射会造成双 像。为消退双像，必需把整个薄膜滤光片都镀在基底的同一侧。P83 应用：强光防护用诱导滤光片