光学薄膜技术.docx

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1、光学薄膜技术其次章典型膜系介绍依据英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、苴她特别应用的薄膜一、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就是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中，增透膜就是不 可缺少的，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，假左每个玻璃与空气的界而有 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%0大功率激光系统要求某些元件有极低的表而反射，

2、以避开敏感元件受到不需要的反射光的破坏。此外，宽带增透膜可以提髙象质量、色平衡与作用距离,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nl 的另一介质时，在两介质的分界而上就会产生光的反射, 假设介质没有吸取，分界而就是一光学表而,光线又就是垂直入射，则反射率R 为：R = 巴二勺 透射率r = i-帆+厲丿例，折射率为 1、52 的冕牌玻璃,每个外表的反射约为 4、2 強，折射率较髙的火仃玻璃表而的反射更为显著。 这种表而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，最终也到达像平而，使像的衬度降低，区分率下降

3、，从而影响光学系统的成像质量。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就是单层膜，它就是镀在光学零件光学表而上的一层 率较低的介于空气折射率与光学元件折射率之间的薄膜。以使某些颜色的 光在表而上的反射干预相消，增加透射。使用最普遍的介质膜材料为氟化镁, 折射率为 1、38。Ml = 1n = l-38 盹 兀折 射单 色它的减反射膜，又称增透膜，它的主要功能就是削减或消退透镜、棱镜、平面镜等光学表而的反射光，从而增加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就是基于薄膜干预原

4、理入射光在介质膜两表而反射后得两朿相干光，选择折射率适当的介质膜材料，可使两朿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，此时反射光能疑将完全消退或大大 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，就在玻璃表而上镀上一层低折射率的薄膜。抱负的单层增透膜的条件就是，膜层的光学厚度为四分之一波长.其折射率为入射介质与基片折射率乘积的 平方根。在可见区，使用得最普遍的就是折射率为 1、62 左右的冕脾玻璃。抱负的增透膜的折射率为 1、2&但就 是至今能利用的薄膜的最低折射率就是 1、38(氟化镁)。这虽然不很抱负，但也得到

5、了相当的改进。单层减反射膜只能对某个波长与它四周的较窄波段内的光波起增透作用。为了在较宽的光谱范国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 双层减反射膜从上而晶体镀增透膜的例中可以瞧到，为了到达全增透的效果,nn .2 9(nl=k 3&n2=l、9)。怎么办？/ n 2,则要求将基底的折射 率、65 提高到 1、先沉积一层折射率为 1、77 光学厚度为X 0/ 4 的薄膜，而后再镀MgF2 单层膜，就能到达全增透的要求。常见的多层膜系统就是玻璃一髙折射率材料一低折射率材料一空气，简称G| HL|A 系统。H 层通常用二 氧化错(n=2、1)、二氧化钛(n=2、40

6、)与硫化锌(n=2、32)等；L 层一般用氟化镁(n=k 38)等。1、双层入 0/4 膜堆对于单层氟化镁膜来说，冕牌玻璃的折射率就是太低了。为此，我们可以在玻璃基片上先镀一层入“4 厚的、折射率为n2 的薄膜，这时对于波长几来说.薄膜与基片组合的系统可以用一折射率为Y= n? /巧的假想 基片来等价。明显，当 n n 时，有 Yn ,也就就是说,在玻璃基片上先镀一层高折射率的儿期厚的膜层后，基片的折射 率从 n 提2333高到n 2/ib,然后再镀上入 0/4 厚的氟化镁膜就能起到更好的增透效果。构成X /4-X /4 型增透 膜。200但对于偏离X。的波长，表而反射增加,反射率曲线呈V 字

7、形，所以也有把这种皿一 W 双层增透膜称 为V 形膜的。在限左两层膜的厚度都就是入o/4 的前提下，欲使波长A。的反射光减至零，它们的折射率应满足如下关系：ni= J (nr/nJ Do(1)或112= ill V 113/ 110(2)p22 公式假设外层膜确立用折射率山为 1、38 的氟化镁，则内层膜的折射率砸取决于基片材料広。见公式(2)。上而争论的” / 4 一 X / 4 构造的V 形膜只能在较窄的光谱范用内有效地减反射，因此仅适宜于工作波段窄 的系统中应用。2、Xo/2- ho/4 膜堆 G | 2HL | A厚度为 Xo/2-Xo/4 型的双层增透膜，在中心波长X o 两侧，可望

8、有两个反射率微小值，反射率曲线呈 W 型，所以也把这种双层增膜称作为W 型膜。同一个 G I 2HL I A 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。光学薄膜技术其次章对于XO/4-X/4 型的增透膜(V 型膜)在中心波特长增透效果好但就是带宽较小,X /2

9、-X /400型的增透膜(W 型膜)在一泄程度上展宽了带宽但就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 X o/4- X /4- X o/4 等型增透膜,不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。X /4-X /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邮，又要保持半波长层的光 滑光谱特性的oo作用，可以将半波长层分成折射率稍稍不同的两个 1/4 波长层。也可以在双层 V 型膜的根底上构造多层减反射膜，例如在 X /4-X /4 V 型膜的中间插入半波长的光滑层, 得到典型的00XO/4-X /2-X /4 三层减反射膜构造。OO总之，人们可以通过调整层数、厚

10、度、材料来不断的优化设计，由于实际工作中 Ao/4 的整数倍厚度简洁 掌握，人们把全部由Xo/4 整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系,反之为非规整膜系。对于不同折射率的基片,要用不同折射率的薄膜材料，通常就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。对于折射率低于 1、63 的基丿*|-,. /4-. /2-. /4 型三层减反射膜就是适宜的;而对于折射率大于 1、 66 的基000片,Xo/4-Xo/2-X /2 型三层减反射膜更为适宜。o1、 4 髙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

11、 微米以后就不再透亮。因此，在红外区常常承受 某些特种玻璃与晶体材料特别就是半导体材料。半导体有很髙的折射率，例如硅约为3、4,而错大约就是 4, 确化铅就是 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，苴目的就是将大约 4%的反射损失减小到千分之几。而在红外区，则就是将 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就是允许的。前而关于单层增透膜的考虑，也同样完全适用于高折射率基片。错、硅、碎化稼、碑化钢、及铢化钢基片，都 可用单层硫化锌、二氧化铀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，也可用于髙折射率 基片。

12、二、高反射膜在光学薄膜中，反射膜与增透膜几乎同样重要，高反射膜就是构成激光谐振腔的重要部件之一，同时 在激光的放射与转折中也用髙反射膜作反射器,所以反射膜就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，由于这种反射膜具有最大的反射率与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

13、璃表而形成金 属高反射镜。镀制金属反射膜常用的材料有铝(A1)、银(Ag)、金(Au)等,它们的分光反射率曲线如书p27 图 2-9 银膜在可见区与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。但就是蒸发的银膜用 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，它的强度与稳左性比银膜好，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, 为此常用銘膜作为衬底层。银膜在可见区与红外区都有很髙的反射率，而且在倾斜使用时引入的偏振效应也最小。但就是蒸发的银膜用 作前外表镜镀层时却因以下两个缘由受到

14、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。光学薄膜技术其次章由于多数金属膜都比较软，简洁损坏所以常常在金属膜外而加一层保护膜，这样既能改进强度，又能保护金属 膜不受大气侵蚀。最常用的铝保护膜就是一氧化硅，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，由于它们在紫外区有显著的吸取。镀制紫外髙反射镜比镀制可见区与红外区的高反射镜要困难得多。用氟化镁镀层很结实与氟化锂镀层强度较差作为防止铝氧化的保护

15、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、髙反射波段格外宽阔，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银与玻璃附着结实;而 Au、Ag 与玻璃附着力量很差。3、金属膜层的化学稳左性较差，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:反射率最髙，稳泄性差 金:红外常用、稳定 钳、链:稳定、结实2、2 多层介质高反射膜p30上一节所述的金属反射膜包含较大的吸取损失,对于高性能的多光朿干预仪中的反射膜以及激光器谐振 腔的反射镜， 要求更高

16、的反射率与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 X0/4 的高 折射率nl的膜层后, 光线垂直入射的反射率为：用髙、低折射率交替的，每层X/4 厚的介质多层膜能够得到更高的反射率。这就是由于从膜系全部界而 上反射的光朿，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 与nL 就是高、低折射率层的折射率,并使介质膜系两边的最外层为髙折射率层，其每层的厚度均为X 0/4,当光束由空气中垂直入射时，中心波长入o 的反射率,也即极大值反射率为rta2/n1 R“l + m/m 严皿”/2式中基片的折

17、射率,2S+1 就是多层膜的层数。血与n 比值愈大，则反射率愈高。L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ng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，当膜系到达一泄层数时，连续加镀两层并不能提高 英反射率。有时甚至由于吸取、散射的增加，而使反射率下降。因此，膜系中的吸取与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X/4 介质膜系的特性。可以瞧岀，存在着一个随着层数的增加,反射率稳左地增加的 髙反射带宽度2Ag。这个宽度就是有限的，在髙反射带的两边，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

18、的宽度，只就是增大了反射带内的反射率以及带外的振荡数目。因此，厚度均为入“4 的介质高反射膜,苴髙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入/4 膜堆所能得到的髙反射区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X/4 多层膜的高反射区就是有限的。在很多应用中，髙反射区域不够宽广，不能满足使用要 求。因而进展了一些方法以展宽苴高反射带的宽度。光学薄膜技术其次章展宽高反射带的宽度的方法方法一 使膜系相继各层的厚

19、度形成规章递增或递减。英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入/4,以给出对X 的髙反射率。方法二、在一个入/4 多层膜上,叠加另一个中心波长不同的多层膜。必需留意的就是，假设每个多层膜都就是由奇数层构成，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岀现透射率讎值。这 个峰值的消灭，就是由于两个多层膜的作用。见书p33 图 2-18曲线A 与曲线B 就是测得的两个X/4 多层髙反射膜的反射率，每个膜有一样的奇数层,并且都起止于髙折射 率层。曲线C表示由这两个多层膜叠加合成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/

20、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、中性分朿膜中性分束镜能够在一泄波段内把一朿光按比例分成光谱成分一样的两朿光，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与反射率之比值一一透反比。因而反射光与透射光不带有颜色,呈色中 性。分光镜通常总就是倾斜使用的，它能把入射光分别成反射光与透射光两局部。对于不同的用途,分光镜往往有不同的透反比 T / R。大部份就是要求 T/R=l,即透反比 50 / 50 的中性分朿镜 就是最常用的。对分光膜的另一

21、个要求则就是分光性能呈中性，也就就是要求在一过波长范用内.T/R 比值不 随波长变化。分光膜主要有二种类型:一漑是金属分光膜;二就是介质分光膜。分束镜又可以按使用方式分为平板与棱镜分光两种：1、把膜层镀在透亮的平板玻璃上。P34 图 2-19(a)2、把膜层镀在 45的直角棱镜斜而上,再胶合一个同样外形的棱镜，构成胶合立方体。P34 图 2-19(b)胶合立方体分光镜的优点就是，在仪器中装调便利，而且由于膜层不就是眾壺在空气中，不易损坏腐蚀，因而 对膜层材料的机械、化学稳泄性要求较低。但就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金属分光镜就是最常用的分光镜。金属分光膜的优

22、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、稳泄性差在一般场合下要求分光膜的吸取小。在可见区，银就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，而且银的机械强度与化学稳泄性都不好，一般只在胶合棱镜中使用。A1 膜与Cr 也常常用作分光膜；A1 膜也存在中性与结实度的问题；Cr 膜的中性较好，其机械强度与化学稳泄性都格外好，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髙 10%左右。礫賂合金(80Ni-20Cr)在 0. 24 n 5 u的宽阔的波长范囤内，显示出格外平坦的分光特性。并且机械强

23、度与化学稳定性都格外好。金属膜分光镜的一个共同的缺点就是吸取损失较大,降低了分光的效率。分光镜的反射率与入射光的方向有 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与分光膜周用的介质有关，因此也可以通过转变周国的介质，使吸取损失减小。例如，在 玻璃基板上先镀一层X/4 硫化锌膜,然后镀上餡膜，就可使分光镜的吸取显著减小。在T 与R 近似相等的条件下，只镀一层餡膜的分光镜的T+R 约为 60%,而增加一层入/4 膜后,T+R 可提高至 82%左右

24、。3、2 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，这就是介 质分光镜的优点,但就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，这也就是它的缺乏之处。光学薄膜技术其次章在透亮基片ng 上镀上一层入/4 的髙折射率的介质薄膜(nl)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，单层膜就是困难的，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

25、通常可承受G | HLHL | A或G | 2LHLHL I A,貝中 A 为空气,G 为折射率ng=K 52 的基片.H、L 就是有效厚度为入 0/4、折射率分别为 2、35 与 1、38 的高、低折射率薄膜。P37 图 2-22在某些光学系统中,由于平板分光镜的背而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G | HLH 丨 G 这样的三层膜系统.nH=2、3;nL=l、38 时，它的中心波 长的反射率约为 50%,但就是膜层具有猛烈的选择性,反射光与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

26、层数，并且通过逐步修改膜系， 设计岀特性良好的分光镜。第一步:基于X0/4 膜系，承受G | HLHL I G 与G I LHLHL I G 等膜系。胶合棱镜的折射率ng=l. 52;髙折射率材料 nH=2. 3 的硫化锌;低折射率材料nL=l、38 的就化镁。这种分光 镜的反射光为绿色，而透射光呈红色。其次步:提髙光谱两端的反射率,从而到达改善中性的目的。在第一步中增参加 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G 丨 2LHLHL 丨G 与G | 2LHLH2L I G 等。光谱两端的反射率有所提髙，但不格外显著，所以 2L 层适宜

27、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G I HLHL2H 丨G、G I LHLHL2H I G 与 G | 2LHLHL2H I G 等。光学薄膜技术其次章GG|HLHL2H I G 波长 420680nm 反射率差值小于 3、3%;LHLHL2H I G 波长 420690nm 反射率差值小于 2、8%;G|2LHLHL2H I G 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、 GIHLHL2HIG;B、 GILHLHL2HIG;C、 GI2LHLHL2HIG。在这三种

28、膜系中,A 就是根本的膜系。B、C 就是对 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。这就是由于这里的 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 对长短波侧曲线的反射率或透射率有所提髙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X0/4M 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，还可用破坏入0/

29、4 膜 系的方法，到达调整的目的。例如,G | LHLHL2H I G - G I LH L HL2H I G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咸调整实际测量与计算之间的微小差异，在试验的根底上，还可通过修改最终一层入 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G | LH L HL H I G 后，蓝端的反射率下降 2、4%左右。反之也可提髙蓝端的反射，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就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

30、界面nH | nL.当入射角满足布儒斯特角条件时，即tg 0 H=ni；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偏振光的反射 率，H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偏振光的透射率接近于 1,因而对于自然光而言，在一泄的波光学薄膜技术其次章长范用内，可以得到 50/50 的透反比，就是良好的中性分光镜,也就是偏振度很髙的薄膜偏振镜。布儒斯特角条件:tgOH = nL/nH折射定律:nHsin H = nLsin L = ngsin 0 g假设给左膜层的折射率nL 与nH,也即确定了膜层的折

31、射角 0L 与 0H。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 0 g 选宦棱镜的角度0 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 与 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 与 1、35,则满足布儒斯特角条件的棱镜内入射角就是 50、5。提示:对于不同的髙低折射率材料，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而上，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

32、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就是低于 S偏振重量的反射率，在立方体分光镜中，这种 偏振效应更就是显著。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、介质分朿镜的优缺点：金属分束镜优点:中性好，光谱范用宽，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:光谱范用窄，偏振分别明显,角度效应明显4、1 概述四、截止滤光片所谓截上滤光片就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

33、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 I 匕滤光片应用最广泛，可以由颜色玻璃、晶体、烧结多孔明胶、无机与有机液体以及吸取薄膜制成。 其主要优点就是使用简洁，对入射角不敏感，造价廉价适中。但吸取型截止滤光片的截止波长不就是任凭可以 移动的。本节主要介绍薄膜干预型截止滤光片。以下图表示长波通与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

34、某一波长的范围内X0AX ;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就是X/4 周期性膜堆LH。图中所示为A/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，截I 匕限的位宜就是可以移动的。图 2-31 中明显的特点就是通带透射率的既深又多的波浪。干预截止滤光片膜系设讣的主要任务就就是消退与减小通带波浪。假设对入/4 多层膜作简洁的修改，在X/4 多层膜的每一侧加一个X/8 膜层即可。假设原膜系起止于高折

35、射 率层，则要求加一对低折射率层，否则刚好相反。光学薄膜技术其次章 HI.HLTI 卷2Li. A2L凹川.|伯LHLLH.LLIIL02/2 2 2 2 2 2可以分别写成2U 2L ”和-H-S2 2 2 2加波遞长波通二是短液通滤光片膜系，n 吆HLHH%|m也可改写为：干预截止滤光片的根本粮系有二种， 一是长波通逹光片膜系：LHLH哗 I n0也可改写知阳| (叨加|皿4、2 通带波浪的压缩压缩带通波浪有很多不同的途径，最简洁的就是选取一个组合膜。组合“才三，其中 nH=2、30.( nL=K 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 234一种圧

36、缩波浪的简洁的方法就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，这种方法对于K9 玻璃系列就是比较有效的。在可见光区，玻璃就是格外满足的基片材料，但就是这种方法不能不加修改就用于红外区，例如用于硅板与错板。HR:78O 930nm R99%HT:496 664nm T95%HR 代表髙反;HT 代表髙透。我们需承受短波通的膜系：唧 15 吟時)| %g =2. 15(Ti0 )； n =1.46(SiO )；恥=1.52H2L2举例:假设短波通滤光片的技术要求为：A 二 860 nm上面的短波通膜系转变为：nGH5(H2L)HLInOnH =2. 1

37、5(TiO2);nL=k 46(SiO2);nG =k 52二图比较,通带中的波浪有较大的压缩，从 496nm-664mn 通带内 的波浪趋向于 0,波浪压缩就是格外抱负的。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。我们上而讲到短波通膜系nGH5(H2L)HLInO 的最外二层HL 实际上就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，这二层明显就是格外关 键的匹配层。但就是我们从图 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

38、，为此，需尽量想方法降低反射峰的负而影响。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 为 2H1、5L,而在空气侧加上 2L 匹配层，膜系可设计成:nGI2Hl、5L15(2HL)2LlnO nH=2、15 nL = l、46nG=l、52通带长波侧的次峰由于原来的三个削减到一个，而且 664- 720nm 波段的通带透过率明显提髙到接近于 100%,而且波浪有 的压缩，波浪趋向于 0。496664nm 波段,虽然波浪比图 5-6 有增但其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。截止滤光片的配层很大加，应用类型

39、就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就是反射与透射光谱均被利用的长波通或短波通滤光片。它的作用就是将一 束光分藹为不同颜色的几朿光。二向色镜一般都就是倾斜使用的，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 设计成平板型与棱镜型。解决棱镜式分光元件偏振效应的方法就是合理设讣分光棱镜的形式， 尽可能减小光朿在膜面上的入射角。一般入射角降到 22、5，再结合 其她减偏手段， 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就是在入射角 为 0时使用的，右以下图给岀了一套红绿蓝三原色滤光片

40、的设计光谱 特性。五、带通滤光片p46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 I 匕滤光片的应用带通滤光片就是指在一泄的波段内，只有中间一小段就是髙透射率的通带，而在通带的两侧就是高反 射率的截止带。滤光片的主要参数：X0中心波长或称峰值波长；Tmax中心波长透射率，也即峰值透射率；2A X透过率为邺值透过率一半的波长宽度，也称通带半宽度，有时也用2A A/X0 表示相对半宽度。图 2-46带通滤光片有两种形式：1、 由一个长波通膜系与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。

41、但那些相对半宽度小于 15%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汁。2、 法布里一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I 匕滤光片来拓宽截止带 与增加截止深度。最简洁的薄膜窄带滤光片就是依据法布里一珀珞多光朿F涉仪制成的，法布里-珀珞干预仪就是由两块一样 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245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 的位苣，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)就是镀在同一基片玻璃上的，所以

42、滤光片的各层膜就是基片而型的临墓品，因此F-P 干预滤光片中基片而型一般不会影响滤光片的光学性能，但我们知 道，在F-P 标准具中，两反射板的面型不同就是会严峻影响标准具的光学性能的。其次,滤光片的间隔层就是 折射率大于 1 的介质膜， 标准具的间隔层就是折射率等于 1 的空气。而且标准具的间隔d 不简洁做得很小，因 此标准具一般就是高干预级次的， 而滤光片则可以把间隔层做到一级次干预。F-P 干预滤光片的反射膜可以就是金属膜，我们称它为金属一介质F-P 干预滤光片;反射膜也可以就是全介 质膜,称之为全介质 F-P 干预滤光片。FP 滤光片的特性依据2.5.1透过率 丁二 一 其中7172”_

43、(i_1 + Fsin2Rl、R2、Tl、T2 分别表示两反射板的反射率与透射率,小 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=l; 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、透射率与吸取率。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F-P 滤光片的峰值透过率图:图 2-47两个反射膜的不

44、对称性影响F-P 滤光片的峰值透过率，但就是极不敏感。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%o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 T12 =0、012,A12=0. 005.Tmax = 50%左右。这时假设 A12 增至 0、01.则Tmax 降至 30%左右。这足以说明法 布里一珀珞滤光片对膜层的吸取、散射损失就是极英敏感的。对于金属一介质F-P 干预滤光片,由于金属反射膜的固有吸取.这种滤光片的峰值反射率不行能做得太 高,一般以35%40%为宜。金属一介质F-P 滤光片中最好的金属反射膜通常承受铝膜与

45、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，邮值透射率可掌握在 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。入 g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 就是两块滤光片胶合后的测量曲线，其光学薄膜技术其次章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而的金属膜，选左这层膜的厚度，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，外而用环氧胶封边，在盖片玻璃与膜之间留