4-1光學薄膜系統(tǒng)設(shè)計

1、第三章 光學薄膜系統(tǒng)設(shè)計 -根據(jù)技術(shù)指標要求找出合適的光學薄膜結(jié)構(gòu)教學內(nèi)容教學內(nèi)容教學目的和要求教學目的和要求減 反 膜 ；減 反 膜 ；高 反 膜 ；高 反 膜 ；中性分束膜；中性分束膜；截止濾光片；截止濾光片；帶通濾光片；帶通濾光片；偏振分束膜；偏振分束膜；消偏振膜。消偏振膜。作 用 ；作 用 ；應(yīng)用背景；應(yīng)用背景；設(shè)計基礎(chǔ)；設(shè)計基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)特點。結(jié)構(gòu)特點。了解常用膜系的應(yīng)用了解常用膜系的應(yīng)用背景、掌握其光學特背景、掌握其光學特性、結(jié)構(gòu)特點及其設(shè)性、結(jié)構(gòu)特點及其設(shè)計的基本知識，為以計的基本知識，為以后發(fā)展打下基礎(chǔ)。后發(fā)展打下基礎(chǔ)。l沒有系統(tǒng)的方法l具有非常豐富的膜系設(shè)計結(jié)果l光學薄膜設(shè)計結(jié)果

2、受制備工藝的制約 （材料種類、物理特性、化學特性、工藝特性）1、試探法 2、矢量作圖法3、解析合成法4、級數(shù)展開法5、電器濾波設(shè)計法6、導納圓圖法7、計算機自動設(shè)計法光學薄膜設(shè)計一、試探法：初始結(jié)構(gòu) 計算機數(shù)值計算 修改設(shè)計參數(shù) 計算機數(shù)值計算 二、光學自動設(shè)計方法 初始結(jié)構(gòu)的光譜特性 改進結(jié)構(gòu)的光譜特性 ) 理想的光譜特性 ) 理想的光譜特性 評價函數(shù) 評價函數(shù) 通過某種數(shù)學方法 修改膜層結(jié)構(gòu) 變小l半自動設(shè)計l全自動設(shè)計（無需初始結(jié)構(gòu)）評價函數(shù)：*()()()FxWRR 評價函數(shù) 權(quán)重 膜系的光譜特性 理想光譜特性 求導法 （瞎子下山法）數(shù)學方法： 直接算法 （試驗法）光學薄膜優(yōu)化設(shè)計的特

3、殊性：F（x） 多維F（x）=F(,n0,ng,Ni,di.)F（x）是一個多峰函數(shù)，容易使F（x）陷入局部極值 全搜描法（工作量太大）試驗法 統(tǒng)計試驗法例：單層膜1、確定極值范圍：；2、隨機投點，只得留下（ x ）最小的個點及對應(yīng)的結(jié)構(gòu)；3、找出最佳點的對應(yīng)的區(qū)間A B;4、繼續(xù)投點試驗直到最佳10點評價函數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，均方根達到某一精度，終止試驗，此時評價最小，F(xiàn)*（ x ）對應(yīng)的膜系結(jié)構(gòu)即為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。5、此種方法有一定局限性：最佳結(jié)果遺漏 膜系特別復雜或投點數(shù)太多時，優(yōu)化效應(yīng)不高。F*(x)作用和應(yīng)用背景作用和應(yīng)用背景減反膜的作用減反膜的作用：減少介質(zhì)間界面反射。：減少介質(zhì)間界面反射。一般

4、情況下界面反射的危害：引起光學系統(tǒng)的光一般情況下界面反射的危害：引起光學系統(tǒng)的光能量損失能量損失；加劇光學系統(tǒng)的雜散光干擾，加劇光學系統(tǒng)的雜散光干擾，加大系統(tǒng)噪聲加大系統(tǒng)噪聲；在高功率激光；在高功率激光系統(tǒng)中，界面反射可能引起系統(tǒng)中，界面反射可能引起反激光，損傷光學元件反激光，損傷光學元件，所以為，所以為減少光能損耗，提高成像質(zhì)量，照相機、電視機、顯微鏡等減少光能損耗，提高成像質(zhì)量，照相機、電視機、顯微鏡等等中的光學鏡頭都鍍減反膜。為盡量減弱反激光，高功率激等中的光學鏡頭都鍍減反膜。為盡量減弱反激光，高功率激光系統(tǒng)中的透射光學元件表面也鍍減反膜。光系統(tǒng)中的透射光學元件表面也鍍減反膜。減反膜的關(guān)

5、鍵技術(shù)指標：透過率和色中性減反膜的關(guān)鍵技術(shù)指標：透過率和色中性色中性好，膜系的透過率與波長的關(guān)系曲線比色中性好，膜系的透過率與波長的關(guān)系曲線比較平坦。較平坦。3.1減反膜（增透膜）減反膜（增透膜）單層增透膜單層增透膜單層增透膜是減少界面反射的最單層增透膜是減少界面反射的最簡單途徑，如右圖用矢量法分析：簡單途徑，如右圖用矢量法分析：2121210101,nnnnrnnnnr從矢量圖上可以看到，合振幅矢量從矢量圖上可以看到，合振幅矢量r隨著隨著r1和和2之間的之間的夾角夾角2而變化合矢量端點的軌跡為一園周。而變化合矢量端點的軌跡為一園周。 當膜層當膜層的光學厚度為某一波長的四分之一時，則兩個矢量的

6、的光學厚度為某一波長的四分之一時，則兩個矢量的方向完全相反。方向完全相反。2012121101021nnnnnnnnnnnrr則則即即矢量法用來分析單層薄膜情況：矢量法用來分析單層薄膜情況：可見當厚度為某一波長可見當厚度為某一波長1/4，并且，并且r1=r2時剩余反射為零：時剩余反射為零：2221022102002211112111111221cossinsincosnnnnnnYnYnRnnBCYdniiBC其其中中：運用矩陣法分析運用矩陣法分析1/4波長厚度時的情況：波長厚度時的情況：欲使中心波長處反射率等于零，欲使中心波長處反射率等于零，理想的單層增透膜條件是，膜層的光學厚度為四分之一波

7、理想的單層增透膜條件是，膜層的光學厚度為四分之一波長，其折射率為入射介質(zhì)和基片折射率乘積的平方根。長，其折射率為入射介質(zhì)和基片折射率乘積的平方根。221200221002nnnYnRnnYnn102nn n當選定基片當選定基片ng時，時， 單層增透膜單層增透膜Rmin隨隨n1降低而降低。降低而降低。當選定膜層的折射率時，當選定膜層的折射率時， 單層增透膜單層增透膜Rmin隨隨ng提高而降低。提高而降低。單層增透膜的缺點：單層增透膜的缺點： 對大多數(shù)應(yīng)用來說，剩余反射率還太高。對大多數(shù)應(yīng)用來說，剩余反射率還太高。 從未鍍膜表面反射的光線，在色彩上仍保持中性，從未鍍膜表面反射的光線，在色彩上仍保持

8、中性，而從鍍膜表面反射的光線破壞了色的平衡。而從鍍膜表面反射的光線破壞了色的平衡。采用變折射率的所謂非均勻膜，它的折射率隨著厚度的增采用變折射率的所謂非均勻膜，它的折射率隨著厚度的增加呈連續(xù)的變化；加呈連續(xù)的變化；采用幾層折射率不同的均勻薄膜構(gòu)成多層增透膜；采用幾層折射率不同的均勻薄膜構(gòu)成多層增透膜；雙層增透膜的導納軌跡雙層增透膜的導納軌跡麥克勞得導納圖解技術(shù)簡介麥克勞得導納圖解技術(shù)簡介H:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)HLH1LH:Y2O3(1.79)L:SiO2(1.46)非規(guī)整雙層層增透膜非規(guī)整雙層層增透膜麥克勞得導納圖解技術(shù)簡介麥克勞得導納圖解技術(shù)簡介膜系：膜系：Air

9、2L/.38H/ SubH:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)二二. 雙層增透膜雙層增透膜1. V型膜型膜( ) ：在中心波長的反射率為零在中心波長的反射率為零4400 在限定兩層膜的光學厚度都是四分在限定兩層膜的光學厚度都是四分之一的波長下，欲使中心波長的反之一的波長下，欲使中心波長的反射率減至零，折射率應(yīng)滿足：射率減至零，折射率應(yīng)滿足：或：或：22100()gnnYnnn210/gnnnnGL A變成變成G HL A， 可以實現(xiàn)零反射，但不能克服色中性差可以實現(xiàn)零反射，但不能克服色中性差的缺陷的缺陷, R 曲線呈曲線呈V型，適用與工作波段較窄的場合。型，適用與工作波段較窄的場合。

10、 圖2 雙層V型膜的反射率曲線只有當矢量只有當矢量r1、r2和和r3組成封閉三角形才能使合矢量為零。因此只組成封閉三角形才能使合矢量為零。因此只須以矢量須以矢量r1的始點和終點為圓心，分別以的始點和終點為圓心，分別以r3和和r2為半徑作兩個園，為半徑作兩個園，兩個園的交點就是滿足合矢量為零條件的矢量兩個園的交點就是滿足合矢量為零條件的矢量r2和和r3頭尾相接的點，頭尾相接的點，然后從矢量圖上即可量得然后從矢量圖上即可量得21、22的值。顯然，圖示的兩種方式，的值。顯然，圖示的兩種方式，都能使三角形封閉。解都能使三角形封閉。解(b)的膜層總厚度比解的膜層總厚度比解(a)的小，它對波長的的小，它對

11、波長的敏感性也較小，所以通常取此解。敏感性也較小，所以通常取此解。用矢量法求出雙層增透膜的各層厚度用矢量法求出雙層增透膜的各層厚度2 . W型膜系型膜系 /2 /4膜堆膜堆G 2HL A 膜系：基質(zhì)膜系：基質(zhì) /2膜層膜層 /4膜層膜層空氣空氣基質(zhì)基質(zhì)n0ns入射入射反射反射 /2膜層膜層 /4膜層膜層22020sLsLR 1）反射率在參考波長處與）反射率在參考波長處與 /2膜層光學參數(shù)膜層光學參數(shù)無關(guān)，等價與一單層減反膜系；無關(guān)，等價與一單層減反膜系；2） /2膜層在偏離參考波長處影響膜系的反射率，在參考波長兩側(cè)可望膜層在偏離參考波長處影響膜系的反射率，在參考波長兩側(cè)可望得到反射率的極小值。

12、得到反射率的極小值。R 曲線呈曲線呈W型。所以在參考波長處反射率較型。所以在參考波長處反射率較雙雙層層 /4膜堆高，但該波長兩側(cè)膜堆高，但該波長兩側(cè)R 曲線較平坦，色中性較好。（通過調(diào)曲線較平坦，色中性較好。（通過調(diào)整虛設(shè)層的折射率實現(xiàn)，虛設(shè)層起到平滑膜系反射透射特性的作用）整虛設(shè)層的折射率實現(xiàn)，虛設(shè)層起到平滑膜系反射透射特性的作用）膜系反射率為膜系反射率為膜系特點：膜系特點：多層減反膜系結(jié)構(gòu)多層減反膜系結(jié)構(gòu)膜層增加，有利于靈活選取膜的參數(shù)滿足多項要求（反射率、膜層增加，有利于靈活選取膜的參數(shù)滿足多項要求（反射率、色中性等）。目前大多采用的三層膜結(jié)構(gòu)為色中性等）。目前大多采用的三層膜結(jié)構(gòu)為GM

13、2HLA，更多，更多層的膜系大多是以此為雛形發(fā)展而來的。層的膜系大多是以此為雛形發(fā)展而來的。多層減反膜多層減反膜雙雙層減反膜要么能提高參考波長處的反射率但色中性差，要么層減反膜要么能提高參考波長處的反射率但色中性差，要么改善膜系的色中性但無法改善膜系反射率。改善膜系的色中性但無法改善膜系反射率。多層減反膜系多層減反膜系基質(zhì)基質(zhì)n0ns入射入射反射反射 /4膜層膜層,nM /2膜層膜層, nH /4膜層膜層, nL組成組成: 基質(zhì)折射率基質(zhì)折射率ns，中等折射率，中等折射率nM 的的 /4膜層，高折射率膜層，高折射率nH 的的 /2膜層膜層, 折射率折射率nL的的 /4膜膜層，層，空氣空氣折射率

14、折射率n0GM2HL A 膜系特性膜系特性基質(zhì)基質(zhì)n0ns入射入射反射反射 /4膜層膜層,nM /2膜層膜層, nH /4膜層膜層, nL /2膜層膜層等效界面等效界面1等效界面等效界面2nHr1, R1, Y1r2, R2, Y2等價于一個平行平板干涉儀等價于一個平行平板干涉儀12012110222121201104(1)(1)2,1sin211/ 2,/ 2,2HHR RTRRTTFn dFR RR Rn d，對于膜層于是 為為 的整數(shù)倍時的整數(shù)倍時, sin = 0，透射率達到最大值，透射率達到最大值(T0)。 R1R2時，時，T01。 如如Fns，膜層起增反作用。但單層增反膜起的作用有

15、限，所，膜層起增反作用。但單層增反膜起的作用有限，所以要多層膜增反。以要多層膜增反。采用厚度均為采用厚度均為 /4的高、低折射率交替的介質(zhì)多層膜可以提的高、低折射率交替的介質(zhì)多層膜可以提高反射率。高反射率。單層介質(zhì)反射膜單層介質(zhì)反射膜空氣空氣n0膜層膜層n1基質(zhì)基質(zhì)ns因而，在空氣中垂直入射時，中心波長的反射率，也即極因而，在空氣中垂直入射時，中心波長的反射率，也即極大值反射率為：大值反射率為：2()SsHHLgnnYnn上述膜系在上述膜系在0處的等效導納為處的等效導納為2221()1 4() .1gsLHHnnYRYnn 的值愈大，或?qū)訑?shù)愈多，則反射率愈高。的值愈大，或?qū)訑?shù)愈多，則反射率愈高

16、。HLnnG H(LH)S A膜系膜系二、多層介質(zhì)高反射膜二、多層介質(zhì)高反射膜nHnL空氣空氣n0基質(zhì)基質(zhì)nsnLnHnHnLnH2224111HgsHLnnnnYYR2224111HgsHLnnnnYYRT這說明，當膜系的反射率很高時，額外增加一個介質(zhì)膜對，可這說明，當膜系的反射率很高時，額外增加一個介質(zhì)膜對，可使透射率縮小使透射率縮小 倍，透射率減少了，反射率增加了，理論倍，透射率減少了，反射率增加了，理論上只要增加膜對，膜系反射率就會接近上只要增加膜對，膜系反射率就會接近100。2HLnn垂直入射的垂直入射的 高反射膜系的光譜反射率曲線高反射膜系的光譜反射率曲線2.4,1.38HLnn高

17、反射帶的寬度計算：高反射帶的寬度計算：多層膜由多層膜由S個重復的基本周期構(gòu)成，其特征矩陣個重復的基本周期構(gòu)成，其特征矩陣M是基本周期的矩陣，可寫為：是基本周期的矩陣，可寫為：由由 的值確定膜系的反射帶和透射帶。滿足條件的值確定膜系的反射帶和透射帶。滿足條件 )(212211mm 的波長，位于膜系的反射帶內(nèi)，反射率隨周期數(shù)目的增加的波長，位于膜系的反射帶內(nèi)，反射率隨周期數(shù)目的增加而穩(wěn)定地增大，滿足條件而穩(wěn)定地增大，滿足條件1)(212211mm1)(212211mm的波長，位于膜系的透射帶內(nèi)，其反射率隨膜層數(shù)的增加的波長，位于膜系的透射帶內(nèi)，其反射率隨膜層數(shù)的增加而起伏。顯然反射帶的邊界由而起伏

18、。顯然反射帶的邊界由 確定。確定。1)(212211 mmsM介質(zhì)高反射典型膜系介質(zhì)高反射典型膜系cossinsincoscossinsincosHHLLiiiiM由于兩層膜的厚度相等，所以位相厚度不加任何角標。由于兩層膜的厚度相等，所以位相厚度不加任何角標。稍加整理，即得稍加整理，即得等式右邊不能大于等式右邊不能大于1，所以為求出高反射帶的邊界值，必須令，所以為求出高反射帶的邊界值，必須令22112211()cos()sin22HLLHnnmmnn221cos()sin12HLeeLHnnnn 22cos()HLeHLnnnnGH(LH)SA這表明高反射帶的寬度，僅僅同構(gòu)成多層膜的兩種膜料這

19、表明高反射帶的寬度，僅僅同構(gòu)成多層膜的兩種膜料的折射率有關(guān)。折射率的比值越大，高反射帶越寬。的折射率有關(guān)。折射率的比值越大，高反射帶越寬。因為因為可寫成可寫成令高反射帶的邊界值為：令高反射帶的邊界值為：因此因此00242g2)2(sincos22geggee12211122sin()sin1LHLHLHLHnnnngnnnn多層膜的高反射帶寬度同膜料折射率比值的關(guān)系多層膜的高反射帶寬度同膜料折射率比值的關(guān)系/4相應(yīng)的用波長表示帶寬范圍相應(yīng)的用波長表示帶寬范圍高反射帶的波長范圍：高反射帶的波長范圍：以上僅考慮了主反射帶，即各層膜的厚度為反射帶的中心波以上僅考慮了主反射帶，即各層膜的厚度為反射帶的

20、中心波長四分之一。若各層膜的厚度為長四分之一。若各層膜的厚度為1/4波長的奇數(shù)倍，則在這一波長的奇數(shù)倍，則在這一波長也存在高反射帶。如果主反射帶中心波長是波長也存在高反射帶。如果主反射帶中心波長是 0，那么以，那么以0/3，0/5，0/7，0/9等為中心波長，同樣存在高反射等為中心波長，同樣存在高反射帶，這些高級次的反射帶波長寬度約為主反射帶寬度的帶，這些高級次的反射帶波長寬度約為主反射帶寬度的1/n2。用相對波數(shù)用相對波數(shù)g表示高反射區(qū)域帶寬為：表示高反射區(qū)域帶寬為：gg11)1/(,)1/(0201gg0002)1/()1/(ggg高反射帶的波數(shù)寬度僅僅與構(gòu)成多層膜的折射率比有關(guān)。高反射帶

21、的波數(shù)寬度僅僅與構(gòu)成多層膜的折射率比有關(guān)。 nH /nL越大，越大， g就越大，高反射帶寬越寬。就越大，高反射帶寬越寬。高反射帶用波長表示的區(qū)域為高反射帶用波長表示的區(qū)域為00000011,33,55,.gggggg各個高反射帶寬具有相同的波數(shù)寬度，但波長寬度不等。各個高反射帶寬具有相同的波數(shù)寬度，但波長寬度不等。波數(shù)越大，對應(yīng)的波長寬度越窄。波數(shù)越大，對應(yīng)的波長寬度越窄。,.55 ,33 ,11gggggg高反射帶的區(qū)域為高反射帶的區(qū)域為注意：這里注意：這里 L= H= 在在 0處為處為 /2,意味高低折射率膜層均意味高低折射率膜層均為為 0 /4膜厚。膜厚。高反射帶的展寬高反射帶的展寬(解

22、決帶寬不夠的問題解決帶寬不夠的問題)高反射帶的波數(shù)寬度僅僅與構(gòu)成多高反射帶的波數(shù)寬度僅僅與構(gòu)成多層膜的折射率比有關(guān)。層膜的折射率比有關(guān)。 可見區(qū)材料折射率可見區(qū)材料折射率1.35 2.6; 紅外區(qū)材料折射率紅外區(qū)材料折射率 6。22sin 11HLgarcnn 三點結(jié)論：三點結(jié)論：1）1 4波堆的高反帶對于波堆的高反帶對于g1, 2, 3呈對稱的，而非等厚的呈對稱的，而非等厚的周期膜系不一定具有對稱性。周期膜系不一定具有對稱性。2）對于相同的折射率材料，）對于相同的折射率材料，1 4波堆的反射帶寬比任何非等波堆的反射帶寬比任何非等厚的周期膜系的寬度大。厚的周期膜系的寬度大。3）對于給定的膜層數(shù)

23、、折射率值以及給定的干涉級次，）對于給定的膜層數(shù)、折射率值以及給定的干涉級次， 1 4波堆具有最高反射率。波堆具有最高反射率。方法之二：方法之二：將兩個或多個中心波長不同的將兩個或多個中心波長不同的 /4多層膜堆聯(lián)合疊加使用。多層膜堆聯(lián)合疊加使用。使各膜系的光學厚度形成規(guī)則的遞增或遞減。其目的是使相使各膜系的光學厚度形成規(guī)則的遞增或遞減。其目的是使相當寬的波段區(qū)域內(nèi)任何波長光都具有足夠多的膜層，其光學當寬的波段區(qū)域內(nèi)任何波長光都具有足夠多的膜層，其光學厚度均十分接近厚度均十分接近 /4，所以這些光有足夠高的反射率。（各，所以這些光有足夠高的反射率。（各膜層的厚度可以成等差數(shù)列也可以成等比數(shù)列設(shè)

24、計）膜層的厚度可以成等差數(shù)列也可以成等比數(shù)列設(shè)計）但若每個膜堆都由奇數(shù)層組成，且最外層的折射率相同，但若每個膜堆都由奇數(shù)層組成，且最外層的折射率相同，那么疊加之后將在展寬了的那么疊加之后將在展寬了的高反射帶中心出現(xiàn)一透射峰高反射帶中心出現(xiàn)一透射峰。為了突破材料折射率對帶寬的限制，加寬反射帶寬，采用為了突破材料折射率對帶寬的限制，加寬反射帶寬，采用方法之一：方法之一：H LAB 為為 的整數(shù)倍時的整數(shù)倍時, sin =0，透射率達到最大值透射率達到最大值(T0)。而。而且且R1R2時，時，T01。 /2膜層膜層等效界面等效界面1等效界面等效界面2nHr1, R1, Y1r2, R2, Y2 R

25、1 2 0mmHHLLLH2222例如和例如例如G 0.8(LH)71.2(LH)7A膜系膜系:0.8倍的倍的 /4厚周期性膜堆厚周期性膜堆1.2倍的倍的 /4周期性厚膜堆。周期性厚膜堆。為什么說這是兩個、中心波長不同的為什么說這是兩個、中心波長不同的 /4多層膜堆聯(lián)合疊多層膜堆聯(lián)合疊加？加？消透射峰方法：消透射峰方法：1）在兩多層膜的中間加入一層厚度為）在兩多層膜的中間加入一層厚度為 /4平均波長的低折射率介質(zhì)膜；平均波長的低折射率介質(zhì)膜；2）兩個中心波長不同）兩個中心波長不同的對稱周期膜堆的組合。的對稱周期膜堆的組合。傾斜入射的高反射帶傾斜入射的高反射帶全介質(zhì)高反膜系用于斜入射時，其反射特

26、性（反射波全介質(zhì)高反膜系用于斜入射時，其反射特性（反射波段和反射率也有所變化）。這是由于：段和反射率也有所變化）。這是由于：1） 斜入射導致光學厚的變換；斜入射導致光學厚的變換；2） 膜層的等效光學導納和入射光的偏振態(tài)有關(guān)。膜層的等效光學導納和入射光的偏振態(tài)有關(guān)。222arcsinarcsin 11/222arcsinarcsin 11/HSLSsHSLSHSLSHPLPPHPLPHPLPgg1） S光和光和P光的反射帶寬不等。光的反射帶寬不等。2） S光和光和P光的光的反射帶往短波方反射帶往短波方向移動。向移動。（為什（為什么）么）3） S光的反射光的反射帶寬比帶寬比P光的反光的反射帶寬寬。

27、射帶寬寬。等效光學導納等效光學導納不同，它們之不同，它們之比也不同。比也不同。（小結(jié)一下）（小結(jié)一下）高反射膜的典型膜系：高反射膜的典型膜系： G| (HL)sH |A反射帶壓窄：反射帶壓窄：1 減少減少nH/nL的比值；的比值； 2 利用膜堆的高級次；利用膜堆的高級次； 3 提高高低折射率交替周期兩基層厚的調(diào)諧比；提高高低折射率交替周期兩基層厚的調(diào)諧比； 4 上述的幾種方法聯(lián)合使用。上述的幾種方法聯(lián)合使用。反射帶展寬：反射帶展寬：1 提高提高nH/nL的比值；的比值； 2 把反射膜系的多個反射帶銜接起來；把反射膜系的多個反射帶銜接起來； 3 使用非規(guī)整膜系。使用非規(guī)整膜系。簡單的簡單的疊加不

28、疊加不行行0102030405060708090100400450500550600650700750800 % ReflectanceWavelength (nm)G/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.2(HLHLHLHLHLHLH/AirG/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.1L+1.2(HLHLHLHLHLHLH/Air高反射膜的工藝要求高反射膜的工藝要求（1）金屬反射膜一般鍍到反射率為零，所以若將膜對著強光）金屬反射膜一般鍍到反射率為零，所以若將膜對著強光源看，會看到很多的小針孔，針孔多是由于鍍前離子源輝光源看，會看到很多的小針孔，針孔多是由于鍍前離子源輝光放電時，放電源雜

29、質(zhì)濺射到基片上，或者基片裝卡過程中引放電時，放電源雜質(zhì)濺射到基片上，或者基片裝卡過程中引入的灰塵，或是鍍膜過程中膜料噴濺而形成。入的灰塵，或是鍍膜過程中膜料噴濺而形成。（2）金屬膜料的純度對反射鏡的反射率影響很大，一般）金屬膜料的純度對反射鏡的反射率影響很大，一般膜料的純度要求在膜料的純度要求在99.99%以上。以上。（3）金屬膜在蒸鍍初期比較薄時還不能形成連續(xù)的薄膜，）金屬膜在蒸鍍初期比較薄時還不能形成連續(xù)的薄膜，其光學特性與連續(xù)薄膜有較大差別。銀膜形成連續(xù)薄膜的其光學特性與連續(xù)薄膜有較大差別。銀膜形成連續(xù)薄膜的最小厚度為最小厚度為12nm。（4）對于大多數(shù)的反射膜，石英晶體監(jiān)控膜厚已有足夠

30、）對于大多數(shù)的反射膜，石英晶體監(jiān)控膜厚已有足夠精度，精心制備的加強銀膜可見區(qū)反射率可以達到精度，精心制備的加強銀膜可見區(qū)反射率可以達到99%，以上，精心制備的全介質(zhì)高反射膜，反射率也到以上，精心制備的全介質(zhì)高反射膜，反射率也到99.9995%以上。以上。2.3 分分 束束 膜膜分束鏡分束鏡: 把一束光分成光譜成分相同的兩束光。把一束光分成光譜成分相同的兩束光。圖圖2.2.1 兩種分束鏡的結(jié)構(gòu)兩種分束鏡的結(jié)構(gòu)常見的兩種形式：常見的兩種形式：1）在透明平板上鍍膜（薄膜分束片）和）在透明平板上鍍膜（薄膜分束片）和2）把膜層鍍在）把膜層鍍在45 直角棱鏡的斜面上，再膠合一個同樣形直角棱鏡的斜面上，再膠

31、合一個同樣形狀的棱鏡（膠合立方棱鏡分束器）。狀的棱鏡（膠合立方棱鏡分束器）。兩種棱鏡比較：兩種棱鏡比較： 薄膜分束片：分光效率高（無吸收），結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)薄膜分束片：分光效率高（無吸收），結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便，但偏振效應(yīng)明顯，分光特性色散明顯。引入像散，方便，但偏振效應(yīng)明顯，分光特性色散明顯。引入像散，膜層暴露在空氣中，易被腐蝕和損壞；膜層暴露在空氣中，易被腐蝕和損壞； 棱鏡分束器：不引入像散，膜層不暴露在空氣中，不易棱鏡分束器：不引入像散，膜層不暴露在空氣中，不易被腐蝕和損壞，對膜層材料的機械和化學穩(wěn)定性要求較低，被腐蝕和損壞，對膜層材料的機械和化學穩(wěn)定性要求較低，結(jié)構(gòu)也稍復雜，偏振效應(yīng)比較明

32、顯。結(jié)構(gòu)也稍復雜，偏振效應(yīng)比較明顯。一、金屬分束鏡一、金屬分束鏡金屬膜中性分束片：金屬膜中性分束片：金屬膜的特點決定的。金屬膜的特點決定的。特點：特點： 色中性好，在很寬的光譜范圍內(nèi)都能實現(xiàn)以近似同樣的色中性好，在很寬的光譜范圍內(nèi)都能實現(xiàn)以近似同樣的 分束比工作。分束比工作。 入射光的偏振態(tài)對分束比的影響沒有介質(zhì)膜中性分束器入射光的偏振態(tài)對分束比的影響沒有介質(zhì)膜中性分束器敏感。敏感。 吸收嚴重，吸收損耗接近三分之一。吸收嚴重，吸收損耗接近三分之一。 使用時具有方向性。使用時具有方向性。金屬材料的折射率是復數(shù)，即對通金屬材料的折射率是復數(shù)，即對通過膜層的光存在吸收。這種吸收膜分光鏡的透過率與入射

33、過膜層的光存在吸收。這種吸收膜分光鏡的透過率與入射光的方向無關(guān)，但反射率與入射光的方向有關(guān)。光的方向無關(guān)，但反射率與入射光的方向有關(guān)。從空氣一從空氣一側(cè)入射具有較高的反射率。側(cè)入射具有較高的反射率。正確正確不正確不正確退偏現(xiàn)象嚴重。由于金屬薄膜對退偏現(xiàn)象嚴重。由于金屬薄膜對P光和光和S光附加的相位不光附加的相位不同，會改變光的原偏振態(tài)。同，會改變光的原偏振態(tài)。使用膜層材料：使用膜層材料： 最常用的是最常用的是鎳鉻合金鎳鉻合金，其特點為在很寬的光譜范圍內(nèi)，其特點為在很寬的光譜范圍內(nèi)（0.245 m）都能實現(xiàn)色中性分束?；瘜W性能和機械性能）都能實現(xiàn)色中性分束?；瘜W性能和機械性能都很好。都很好。 銀

34、：在可見區(qū)吸收最小，但色中性較差，在光譜的藍色銀：在可見區(qū)吸收最小，但色中性較差，在光譜的藍色端反射率下降，化學性能和機械性能都不好，一般僅用在端反射率下降，化學性能和機械性能都不好，一般僅用在立方膠合棱鏡中。立方膠合棱鏡中。 鉻：化學性能和機械性能都很好，色中性比較理想，在鉻：化學性能和機械性能都很好，色中性比較理想，在可見光區(qū)，長波端的反射率比短波端高出可見光區(qū)，長波端的反射率比短波端高出10。其它有鋁、其它有鋁、鍺、鈾等。鍺、鈾等。二、介質(zhì)分光鏡二、介質(zhì)分光鏡特點特點:介質(zhì)膜的吸收小到可以忽略的程度，分束效率高，介質(zhì)膜的吸收小到可以忽略的程度，分束效率高，但介質(zhì)膜的特性對波長較敏感，給中

35、性分束帶來困難。但介質(zhì)膜的特性對波長較敏感，給中性分束帶來困難。同時偏振效應(yīng)大。同時偏振效應(yīng)大。1. 單層膜分束鏡：在基片上鍍一層高折射薄膜，能增加反單層膜分束鏡：在基片上鍍一層高折射薄膜，能增加反射率，減少透射率。在中心波長處反射率為一極大值。射率，減少透射率。在中心波長處反射率為一極大值。對對P分量：分量：對對s分量：分量：2012201()ggR010110, , coscoscosgggnnn000111cos, cos, cosgggnnnR2.多層分光膜多層分光膜要想得到透射和反射比為要想得到透射和反射比為50/50，可見光譜中性的介質(zhì)分束膜，可見光譜中性的介質(zhì)分束膜，必須采用更多

36、膜層。通常的膜系必須采用更多膜層。通常的膜系其中其中A表示空氣，表示空氣，G表示玻璃基片，表示玻璃基片，H和和L是有效厚度是有效厚度 為為 、折射率分別為、折射率分別為2.35和和1.38 的高、低折射率薄膜。的高、低折射率薄膜。 平板分束鏡光譜反射率曲線G HLHL A04cosnd為得到中性程度好、為得到中性程度好、R/T接近接近1介質(zhì)膜立方體分束鏡，可介質(zhì)膜立方體分束鏡，可以增加膜層層數(shù)，通過優(yōu)化，設(shè)計特性良好的分束鏡。以增加膜層層數(shù)，通過優(yōu)化，設(shè)計特性良好的分束鏡。優(yōu)化設(shè)計的保持良好中性的分光鏡優(yōu)化設(shè)計的保持良好中性的分光鏡偏振分束棱鏡偏振分束棱鏡偏振中性分束棱鏡利用斜入射的偏振效應(yīng)實

37、現(xiàn)對光束的分束偏振中性分束棱鏡利用斜入射的偏振效應(yīng)實現(xiàn)對光束的分束,即反射分量是即反射分量是S分量，透射分量是分量，透射分量是P分量。分量。LGLHLHnntgnntg布儒斯特角入射：o布儒斯特角入射，反射光全是布儒斯特角入射，反射光全是s分分量，而折射光有量，而折射光有S分量和分量和P分量。分量。原理介紹：原理介紹：設(shè)想如果兩種不同材料的有效折射率對設(shè)想如果兩種不同材料的有效折射率對P-偏振來說是相等的偏振來說是相等的coscosHHLLnn在這些界面上在這些界面上P-偏振光的反射完全消失，也即偏振光的反射完全消失，也即P光全部通光全部通過。而對于過。而對于S-偏振來說偏振來說 coscos

38、HHLLnn相當于一個高低折射率交替的膜堆，實現(xiàn)了對相當于一個高低折射率交替的膜堆，實現(xiàn)了對S光的高反射。光的高反射。得到實現(xiàn)偏振條件關(guān)系式得到實現(xiàn)偏振條件關(guān)系式22 1 2sin()HLggHLn nnnncoscosHHLLnnsinsinsinggHHLLnnn選擇選擇nH、nL、 g后決定玻璃后決定玻璃ng的折射率；的折射率；選擇玻璃選擇玻璃ng的折射率和的折射率和g角后，適當搭配角后，適當搭配nH、nL折折射率；射率；選擇了選擇了ng、nH、nL后，設(shè)計入射角后，設(shè)計入射角g，此時棱鏡可能，此時棱鏡可能不再是立方棱鏡。不再是立方棱鏡。22 1 2sin()HLggHLn nnnn對于偏振中性分束棱鏡對于偏振中性分束棱鏡 結(jié)構(gòu)特