薄膜光學(xué)技術(shù)

1、23n截止濾光片截止濾光片n某一波長范圍的光束高透射，而偏離這一波長某一波長范圍的光束高透射，而偏離這一波長的光束驟陡然變化為高反射（的光束驟陡然變化為高反射（抑制抑制）的）的波段選波段選擇截止濾光片擇截止濾光片。n分類：分類：n短波通：短波區(qū)高透，長波區(qū)高反；短波通：短波區(qū)高透，長波區(qū)高反；n長波通：長波區(qū)高透，短波區(qū)高反。長波通：長波區(qū)高透，短波區(qū)高反。n結(jié)構(gòu)形式上分類結(jié)構(gòu)形式上分類n吸收型吸收型n薄膜干涉型薄膜干涉型n吸收與干涉組合型吸收與干涉組合型一、定義及特性參數(shù)一、定義及特性參數(shù)4長波通濾光片長波通濾光片抑制短波波段，透射長波波段抑制短波波段，透射長波波段5短波通濾光片短波通濾光片

2、抑制長波波段，透射短波波段抑制長波波段，透射短波波段6截止濾光片的特性參數(shù)截止濾光片的特性參數(shù)n1. 截止波長；截止波長；n2. 高透射帶的光譜寬度，高透射帶的光譜寬度，平均透射率，最小允許平均透射率，最小允許透射率；透射率；n3. 反射帶光譜寬度，平反射帶光譜寬度，平均反射率，最大允許透均反射率，最大允許透射率；射率；n4. 過渡區(qū)曲線陡度過渡區(qū)曲線陡度/過過渡區(qū)的波長寬度。渡區(qū)的波長寬度。7n 周期性膜系周期性膜系(HL)s 用作截止濾光片的可能性用作截止濾光片的可能性通帶與阻帶通帶與阻帶 通帶光學(xué)性能及存在的問題通帶光學(xué)性能及存在的問題(HL)s干涉截止濾光膜系設(shè)計(jì)的主要任務(wù)干涉截止濾光

3、膜系設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是消除和減小通帶波紋。就是消除和減小通帶波紋。 二、基本膜系結(jié)構(gòu)二、基本膜系結(jié)構(gòu)8 為基本周期的對稱膜系，就可以直接用為基本周期的對稱膜系，就可以直接用等效折射等效折射率的概念率的概念進(jìn)行分析了。進(jìn)行分析了。2LH2L22和HLHn改進(jìn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)構(gòu):在在(HL)SH的兩側(cè)各加一個(gè)的兩側(cè)各加一個(gè) 膜層。膜層。 n 干涉截止濾光片的干涉截止濾光片的基本膜系結(jié)構(gòu)基本膜系結(jié)構(gòu)：mmLHLHLH）或（22)22(8n通帶光學(xué)性能通帶光學(xué)性能 與與(HL)S具有相同的高反射帶和高透射帶分布具有相同的高反射帶和高透射帶分布 ，而且，高反射帶的寬度也與而且，高反射帶的寬度也與(HL)SH的

4、相同。的相同。9 三、對稱多層膜系的性能三、對稱多層膜系的性能-等效特性等效特性n1. 等效特性等效特性 ： 具有具有對稱結(jié)構(gòu)的多層膜可等效成一個(gè)單層膜。對稱結(jié)構(gòu)的多層膜可等效成一個(gè)單層膜。等效的單層膜稱為等效膜層。等效的單層膜稱為等效膜層。 注意：注意： a“等效界面等效界面”等效介質(zhì)等效介質(zhì)等效導(dǎo)納等效導(dǎo)納 基底基底與任意多層膜組合導(dǎo)納相對應(yīng)。與任意多層膜組合導(dǎo)納相對應(yīng)。 b“等效膜層等效膜層” 等效折射率（位相厚度）等效折射率（位相厚度） 不含基底的對稱結(jié)構(gòu)多層膜與有確定不含基底的對稱結(jié)構(gòu)多層膜與有確定 折射率和厚度的折射率和厚度的單層膜相對應(yīng)單層膜相對應(yīng)。 c“等效等效”是數(shù)學(xué)的，也是

5、光學(xué)效果的。是數(shù)學(xué)的，也是光學(xué)效果的。101).1).單層介質(zhì)膜的數(shù)學(xué)特性單層介質(zhì)膜的數(shù)學(xué)特性nA. 有確定的有確定的nB. 特征矩陣特征矩陣 ，而且是實(shí)數(shù)；，而且是實(shí)數(shù)； 是純虛數(shù)；是純虛數(shù)； 單位模矩陣。單位模矩陣。;,n 22211211mmmmcossinnisinnicos令令2211mm 、2112,mm、121122211 mmmm、2.對稱結(jié)構(gòu)多層膜等效成對稱結(jié)構(gòu)多層膜等效成單層膜原因單層膜原因112). 2). 對稱結(jié)構(gòu)的多層膜的數(shù)學(xué)特征對稱結(jié)構(gòu)的多層膜的數(shù)學(xué)特征n以最簡結(jié)構(gòu)以最簡結(jié)構(gòu)(p q p)為例：為例：n可以得出：可以得出： M11=M22,而且是實(shí)數(shù)；而且是實(shí)數(shù)；

6、M12，M21是純虛數(shù)；是純虛數(shù)； ， M11M22-M12M21=1 因此，膜系因此，膜系(p q p)在數(shù)學(xué)上與一個(gè)單層介質(zhì)膜等同。在數(shù)學(xué)上與一個(gè)單層介質(zhì)膜等同。11122122cossincossincossinsincossincossincosppqqpppqppqppppqqqpppiiiMMMMMiii1112211cos2 cossin2 sin ,211sin2 coscos2 sinsin2211sin2 coscos2 sinsi22qppppqpqqpqppqpqqppqpqqpqpppqpqpqpqMiMMinq123). 等效折射率和等效位相厚度等效折射率和等效位相

7、厚度n設(shè)：設(shè)：(p q p)的等效層的折射率為的等效層的折射率為E，位相厚度為，位相厚度為n由由n 可得：可得： pqppqp22211211MMMMMcossinEisinEicos 21122211MsinEiMsinEiMMcos 111cosM1221MME 應(yīng)用：應(yīng)用： 利用給定折射率利用給定折射率np和和nq的三層組合的三層組合pqp可以合成具有可以合成具有要求的折射率要求的折射率E和位相厚度和位相厚度的膜層，并導(dǎo)出位相厚度的膜層，并導(dǎo)出位相厚度p和和q的解的解。132/1222222)(cos)()(cos)(qpqqpqpqqppmEqpqqpqmm22sin)(21cosar

8、ccos(pqp)m的等效層的折射率為的等效層的折射率為Em，位相厚度為，位相厚度為m都是波長的函數(shù)都是波長的函數(shù)14結(jié)論性說明：結(jié)論性說明：nA. 對稱周期性膜系對稱周期性膜系(pqp)m的等效折射率和等效位的等效折射率和等效位相厚度與相厚度與基本周期基本周期(pqp)的等效折射率和等效位相的等效折射率和等效位相厚度的關(guān)系為：厚度的關(guān)系為：nB. 可以證明：可以證明： 只在滿足只在滿足 的波段是實(shí)數(shù)；的波段是實(shí)數(shù)； 在滿足在滿足 和和 的波段是虛數(shù)，的波段是虛數(shù)，不存在，或無窮。不存在，或無窮。 n 真正的真正的等效層只在滿足等效層只在滿足 的波段存在的波段存在。pqpmEE ,E111M1

9、11M1M11 111M ,Epqpmm 153. 對稱膜系的光譜特性對稱膜系的光譜特性n 1）.滿足滿足 的波段，的波段， 均為實(shí)數(shù)，均為實(shí)數(shù)， 為高透射區(qū)為高透射區(qū)通帶；通帶；n 2）.滿足滿足 的波段，的波段， 均為虛數(shù)，均為虛數(shù)， 為高反射區(qū)為高反射區(qū)阻帶；阻帶；n 3）.滿足滿足 的波長的波長 是通帶與阻帶的是通帶與阻帶的 過渡波長過渡波長截止波長。截止波長。n 注：注：在在 和和 的波段，不能用的波段，不能用 表征和計(jì)算原膜系的光譜性能。表征和計(jì)算原膜系的光譜性能。111M ,E111M ,EC 1M11 111M1M11 ,E161）. 阻帶及阻帶反射率阻帶及阻帶反射率n a.

10、由由 可推知：可推知： 阻帶出現(xiàn)在阻帶出現(xiàn)在 g=1，3，5，為中心的波段；為中心的波段； n b. 由由 可得出：可得出： 阻帶寬度阻帶寬度 n c. 阻帶內(nèi)：阻帶內(nèi)： n d. 過渡區(qū)的曲線陡度隨過渡區(qū)的曲線陡度隨 的增大，或周期的增大，或周期數(shù)數(shù) m 的增加的增加, 而變陡。而變陡。111M1M11 LHLH1sin4g2 20ggg2 mR,nnRLH LHnn 172）. 通帶及通帶透射率通帶及通帶透射率n a. 由由 可推知：通帶出現(xiàn)在可推知：通帶出現(xiàn)在 g=2, 4, 6, 為中心的波段；為中心的波段；n b. 通帶內(nèi)：由于通帶內(nèi)：由于 ，其等效單層膜有：，其等效單層膜有：pq2

11、 212q2pq2qp2q2pq2qpPcoscosE q2pqqpq21sin21osccosm 111M2LH2L22和HLH18 顯然，顯然， 隨波長的變化情況，將決定膜系通隨波長的變化情況，將決定膜系通帶內(nèi)反射率隨波長的變化特性。帶內(nèi)反射率隨波長的變化特性。 22S022S022S022S0sinEEcossinEEcosR即即： ,E對稱多層膜在對稱多層膜在透射帶內(nèi)透射帶內(nèi)能夠代換成一個(gè)單層膜，所以膜系能夠代換成一個(gè)單層膜，所以膜系透射帶內(nèi)透射帶內(nèi)的的反射率反射率將在兩個(gè)數(shù)值之間振蕩，即在將在兩個(gè)數(shù)值之間振蕩，即在 200YYR 200EE 注注意意 20201SSR2202202S

12、SnEnER19四、四、 通帶波紋的壓縮通帶波紋的壓縮n “波紋波紋”通帶內(nèi)的反射率極大值群。通帶內(nèi)的反射率極大值群。n 1.波紋產(chǎn)因：波紋產(chǎn)因：n 由于由于 和和 都是波長的函數(shù)，都是波長的函數(shù)，a. 滿足滿足n 的波長點(diǎn)將出現(xiàn)反射次峰；的波長點(diǎn)將出現(xiàn)反射次峰；n b. 反射次峰反射次峰的高低為的高低為E ,.3 , 2 , 1 , 0,212kkm 2S202S20nEnER u位相耦合位相耦合20很明顯，很明顯，次峰的高低取決于次峰的高低取決于 值趨近于值趨近于 的程度。的程度。n 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) ：n n nn顯然顯然，反射次峰的出現(xiàn)，是由于反射次峰的出現(xiàn)，是由于位相耦合位相耦合和和折折射

13、率失配射率失配同時(shí)存在同時(shí)存在而造成的。而造成的。S2nE0 10 u折射率失配折射率失配12snER越小R越大12越偏離snE21ALHLSm22222. 消除消除/壓縮壓縮“波紋波紋”n原則原則:使產(chǎn)生反射次峰的兩個(gè)條件中任意一個(gè)被破使產(chǎn)生反射次峰的兩個(gè)條件中任意一個(gè)被破壞即可。壞即可。方法：方法：1.選取一個(gè)選取一個(gè)對稱組合對稱組合，使其通帶內(nèi)的，使其通帶內(nèi)的等效折射率平方等效折射率平方接近接近基底的基底的折射率折射率，即使即使R1接近接近R2。（條件：基片的折射率小，反射損耗不大）（條件：基片的折射率小，反射損耗不大）通常受到現(xiàn)有薄膜材料的限制。通常受到現(xiàn)有薄膜材料的限制。2.在對稱膜

14、系的每一側(cè)加鍍匹配層。在對稱膜系的每一側(cè)加鍍匹配層。 3.自動(dòng)合成法。自動(dòng)合成法。23mHLH2245. 135. 2LHnnmLHL222. 消除消除/壓縮壓縮“波紋波紋”g1234E45. 135. 222HLH22LHL 2S202S20nEnER 方法一：方法一：2021-12-2122222222222222cos)(cos)(2),22(cos)(cos)(2),22(HLLHHLLHLHLLHLHLHLHHLHnnnnnnnnnELHLFornnnnnnnnnEHLHFor在截止區(qū)，E=0 or For nH=2.35, nL=1.45g=0, E =E = = 1.84g=2,

15、 E = =2.99 E = =1.14)22(HLH)22(LHL)22(HLH)22(LHLLHnnLHnn /3HLnn /322020)/(ssmnEnnEnR短波通短波通25 2HL2H 2LH2L膜系適合膜系適合于短波通于短波通濾光片濾光片膜系適合膜系適合于長波通于長波通濾光片濾光片26mHLH22mLHL22長波通截止濾光片長波通截止濾光片短波通截止濾光片短波通截止濾光片27方法二：方法二：n0 n1 E n3 nsEnn01Enns3基本思想基本思想: 由于單層膜只可能一個(gè)零反射點(diǎn)，故常用多層膜或相由于單層膜只可能一個(gè)零反射點(diǎn)，故常用多層膜或相似的基本周期匹配。似的基本周期匹配。減反射膜28方法二：方法二： 增加折射率匹配層消波紋增加折射率匹配層消波紋 n例：例：在膜系在膜系 中增加匹配層后，中增加匹配層后， 新膜系新膜系 通帶性能提高。通帶性能提高。AHLHG1522AHLHHLHG123222205. 12930五、截止濾光片的中心波長五、截止濾光片的中心波長0？0=450nm0=750nm311. 分色鏡（彩色分光膜）分色鏡（彩色分光膜） 三基色分色；三基色分色； 消紅，消藍(lán)。消紅，消藍(lán)。2. 寬寬帶通濾光片帶通濾光片 “ 短波通短波