第2章-介質(zhì)膜系及其應(yīng)用

1、第2章 介質(zhì)膜系及其應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容教學(xué)目的和要求減反膜高反膜中性分束膜截止濾光片帶通濾光片偏振分束膜消偏振膜作用應(yīng)用背景設(shè)計(jì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)了解常用膜系的應(yīng)用背景、掌握其光學(xué)特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，為以后發(fā)展打下基礎(chǔ)。補(bǔ)充：光學(xué)膜系基本知識(shí)規(guī)整膜系： 非規(guī)整膜系：膜系分類設(shè)計(jì)波長（參考波長、中心波長）各層膜的光學(xué)厚度為設(shè)計(jì)波長四分之一的整數(shù)倍。有一層薄膜的光學(xué)厚度不是設(shè)計(jì)波長的四分之一整數(shù)倍。一般可以表示為： G/xMyHzL/A S/xMyHzL/A 膜系表示方法其中： G代表基底，也可以用S表示基底H（L、M）代表高（低、中）折射率膜層A代表入射介質(zhì)（一般為空氣）x、y、z表示各層膜厚

2、度為/4的倍數(shù)備注：當(dāng)x、y、z全為整數(shù)時(shí)則為規(guī)整膜系 當(dāng)x、y、z之一為非整數(shù)時(shí)則為非規(guī)整膜系G/M1.8HL/A膜系表示實(shí)例G/MH/A G/2MH/A G/M2HL/A G/M1.8H/AG/1.8MHL/A非規(guī)整膜系 規(guī)整膜系 非規(guī)整膜系 規(guī)整膜系 非規(guī)整膜系 規(guī)整膜系 2.1 減反射膜（增透膜）減反膜的作用：減少介質(zhì)間界面反射。一、作用和應(yīng)用背景(2)加劇光學(xué)系統(tǒng)的雜散光干擾，加大系統(tǒng)噪聲；一般情況下界面反射的危害：(1)引起光學(xué)系統(tǒng)的光能量損失;(3)在高功率激光系統(tǒng)中，界面反射可能引起反激光，損傷光學(xué)元件。色中性好： 膜系的透過率與波長的關(guān)系曲線比較平坦。減反膜的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)透過

3、率： 透過率越大越好，或者反射率越小越好。應(yīng)用：為減少光能損耗，提高成像質(zhì)量，照相機(jī)、電視機(jī)、顯微鏡等等中的光學(xué)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(xué)元件表面也鍍減反膜。單層減反膜和多層減反膜分析：n0、n1越接近，表面反射率就越低。eg：對(duì)于從空氣入射介質(zhì)場(chǎng)合， n0 1。n11.441.92, R=3.2510%（在可見和近紅外區(qū)）;在紅外區(qū)域（硅和鍺基底）, R31%界面n0n1入射反射光垂直入射一光學(xué)界面二、常見的減反膜的結(jié)構(gòu)1、單一界面反射率在入射界面上鍍一層低折射率（ n0 nf ns ）的膜層減少反射率。界面n0ns入射反射分析：反射率為零的條件為典型的單層

4、減反膜的R曲線呈V型，存在一個(gè)谷底，在此波長處具有最小反射率。2、單層減反射膜 單層減反膜理論上只能在一個(gè)波長處實(shí)現(xiàn)零反射率所以色中性差，即反射率的波長相關(guān)性強(qiáng), 影響成像系統(tǒng)的色平衡）； 實(shí)際上，滿足 條件的光學(xué)玻璃并不存在，很難實(shí)現(xiàn)零反射，剩余反射率不理想(常用的薄膜最低折射率材料氟化鎂（1.38）)。單層減反膜的討論：為改善單層減反膜的不足：色中性差以及很難實(shí)現(xiàn)零反射，提出雙層減反膜的設(shè)計(jì)。具體結(jié)構(gòu)有:1）雙層/4膜堆2） /2 /4膜堆3、雙層減反射膜1) 雙層/4膜堆界面n0ns入射反射k為奇數(shù)k為偶數(shù)GLA變成GHLA 可以實(shí)現(xiàn)零反射，但不能克服色中性差的缺陷; R曲線呈V型，通帶

5、越來越窄（和單層膜比較),適用與工作波段較窄的場(chǎng)合.G/HL/A1.52/1.7,1.38/1單層減反射膜G/L/A1.52/1.38/1G/L/A1.52/1.38/1G2HLA 膜系：基質(zhì) /2膜層 /4膜層空氣基質(zhì)n0ns入射反射/2膜層/4膜層膜系反射率為2) /2 /4膜堆n0/4 n1 /2 n2基板 ns1）反射率在參考波長處與/2膜層光學(xué)參數(shù)無關(guān)，等價(jià)與一單層減反膜系；2） R曲線呈W型，/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)可望得到反射率的極小值。膜系特點(diǎn)：(1)在參考波長處反射率較雙層/4膜堆高(2)該波長兩側(cè)R曲線較平坦，色中性較好兩種膜系比較G/HL/

6、A1.52/1.7,1.38/1G/2HL/A目前大多采用的三層膜結(jié)構(gòu)為GM2HLA，更多層的膜系大多是以此為雛形發(fā)展而來的。(1)能提高參考波長處的反射率但色中性差(雙層/4膜堆)(2)改善膜系的色中性但無法改善膜系中心波長反射率。(/2/4膜堆)多層減反膜系4、多層減反射膜多層減反膜系結(jié)構(gòu)雙層減反膜缺點(diǎn)：基質(zhì)n0ns入射反射/4膜層,nM/2膜層, nH/4膜層, nL組成: 基質(zhì)折射率ns，中等折射率nM 的/4膜層，高折射率nH 的/2膜層, 折射率nL的/4膜層，空氣折射率n0GM2HLA 母膜系特性基質(zhì)n0ns入射反射/4膜層,nM/2膜層, nH/4膜層, nL/2膜層等效界面1

7、等效界面2nHr1, R1, Y1r2, R2, Y2 選定中間層，外層膜與入射介質(zhì)及內(nèi)層膜與基底等效為兩個(gè)界面;其振幅反射系數(shù)和反射率分別為r1,r2及R1，R2處理方法(1)=m時(shí)(m為整數(shù)) sin = 0 T=T max=T0(2) R1R2時(shí)，T01。(3)如Fns，膜層起增反作用。1)在低折射率的基底上沉積一層高折射率的薄膜，可以有效地提高反射率。2)但單層膜可實(shí)現(xiàn)的高反射率一般不會(huì)超過50%。E g:ns=1.52n1=2.15n0n02、周期性多層膜堆的光譜特性GH(LH)SA形式G(HL)SHA形式表示方法：nHnL空氣n0基質(zhì)nsnLnHnHnLnH或者G/L (HL)S/

8、A.形式G/(L H)S L/A形式 在基底G上鍍了2S+1層薄膜，其中包含S個(gè)LH雙層薄膜，且每層薄膜光學(xué)厚度均為/4。以GH(LH)SA形式G(HL)SHA形式為例分析：2S+1層薄膜等效光學(xué)導(dǎo)納：反射率：分析：理論上，nH/nL越大、膜層數(shù)（2S+1）越多反射率越高。 ；相對(duì)波數(shù)注意：1）膜層數(shù)增加到一定數(shù)量時(shí)，反射率不再增加，這是由于材料吸收、散射等因素的影響。2）反射帶寬內(nèi)：膜層數(shù)增多，雖然反射率增加，帶寬不變；反射帶寬外，反射率隨波數(shù)出現(xiàn)明顯的振蕩。G/(HL)4H/AG/(HL)H/AG/(HL)16H/AG/(HL)32H/A周期性膜堆(LH)s的高反射帶(位置)S個(gè)LH膜系的

9、總特征矩陣為每個(gè)LH膜組合的特征矩陣為如果L=H=, 則重要結(jié)論的波長位于高反射帶內(nèi)；高反射帶以g=1,3,5為中心的一系列波數(shù)區(qū)間的波長位于高透射帶內(nèi)；高透射帶以g=2,4,6為中心的一系列波數(shù)區(qū)間的波長是高反射帶與高透射帶的拐點(diǎn)波長，即：截止波長滿足H(LH)S 周期性多層膜的光譜特性a. 在 波段，高透.高反帶相間周期出現(xiàn)； 在 波段，不再有高反帶出現(xiàn)。 透、反射光譜是波數(shù)的周期函數(shù)b. 高反帶中心波數(shù)為 1，3，5, ; 高透帶中心波數(shù)為 2，4，6，.。 周期性膜堆(LH )s的高反射帶（寬度） 分析： 按照結(jié)論3：當(dāng) 的波長是高反射帶與高透射帶的拐點(diǎn)波長，即截止波長設(shè)截止波長為e，

10、對(duì)應(yīng)的相位厚為e, 則1)當(dāng)膜料一定的情況下，所有高反射帶的波數(shù)寬度相等；2) 高反射帶波數(shù)寬度僅僅與構(gòu)成多層膜的折射率比有關(guān)，nH /nL越大，g就越大，高反射帶寬越寬。分析3) 波數(shù)g表示的高反射區(qū)：當(dāng)s層薄膜的厚度均為 時(shí)，在g=1時(shí)，反射率最高復(fù)習(xí)：第一章中若一個(gè)膜系中 k 層膜的厚度均為 各層膜的特征矩陣為 等效光學(xué)導(dǎo)納均為：其反射率均相同 結(jié)論與g=1時(shí)反射率相同，且均取極大值 g=2k時(shí)，反射率取極小值（透射率取極大值）高反射率區(qū)間：1)用波數(shù)表示：1g，3g，5g，.（可以寫成統(tǒng)一的公式：(2k+1)g）2) 用波長表示：按照 求出相應(yīng)的波長范圍分析：1)各個(gè)高反射帶寬具有相同

11、的波數(shù)寬度（2g）2) 波長寬度不等。 ， 3) 波數(shù)越大，對(duì)應(yīng)的波長寬度越窄。注意：1) 2) 只與 ，但 還與中心波長有關(guān) G/(LH)S/A膜系高反帶中心波長的反射率R由等效光學(xué)導(dǎo)納公式： 求出：反射率 G/(LH)S/A膜系與G/H(LH)S/A對(duì)比G/(LH)S/AG/H(LH)S/A說明:由于工藝原因,實(shí)用的高反射膜系G/H(LH)S/A,其與G/(LH)S/A膜系有完全相同的通帶. 高反射帶和帶寬,只是中心波長處的反射率稍有差別.非等厚周期膜系(增加帶寬)非等厚周期膜系出現(xiàn)反射帶的條件：即基本周期的各層薄膜的光學(xué)厚度之和是中心波長的12整數(shù)倍，下標(biāo)i代表基本周期中第i層薄膜，是可

12、能出現(xiàn)的反射帶的中心波長。注意：但這個(gè)條件不是充分的。如果膜系滿足上述條件，但各個(gè)膜層的光學(xué)厚也是2的整數(shù)倍，那么各個(gè)膜層就變成虛設(shè)層，整個(gè)膜系都形同虛設(shè)。定律：任意周期性膜系都存在反射帶和透射帶。對(duì)于每個(gè)周期都有求2:1膜堆反射、透射的波長位置。分析：含有m個(gè)雙層薄膜即周期數(shù)為m，周期內(nèi)雙層薄膜的厚度不相等：且 出現(xiàn)反射帶的中心波長必須滿足 如果周期內(nèi)的每一層膜光學(xué)厚度滿足時(shí)膜系為虛設(shè)層 1）14波堆的高反帶對(duì)于g1, 2, 3呈對(duì)稱的，而非等厚的周期膜系不一定具有對(duì)稱性。2）對(duì)于相同的折射率材料，14波堆的反射帶寬比任何非等厚的周期膜系的寬度大。等厚周期膜相對(duì)非等厚周期膜優(yōu)點(diǎn)3）對(duì)于給定的

13、膜層數(shù)、折射率值以及給定的干涉級(jí)次， 14波堆具有最高反射率。高反射帶的展寬(解決帶寬不夠的問題)高反射帶的波數(shù)寬度僅僅與構(gòu)成多層膜的折射率比關(guān)。Eg:可見區(qū)材料折射率1.35 2.6; 紅外區(qū)材料折射率6。為了突破材料折射率對(duì)帶寬的限制，加寬反射帶寬，可以采用兩種方法：使各膜系的光學(xué)厚度形成規(guī)則的遞增或遞減。其目的是使相當(dāng)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(xué)厚度均十分接近/4，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)計(jì)）方法一：算術(shù)級(jí)數(shù)遞增(q層）：幾何級(jí)數(shù)遞增（q層）：方法二：將兩個(gè)或多個(gè)中心波長不同的/4多層膜堆聯(lián)合疊加使用。若每個(gè)膜堆都由

14、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高反射帶中心出現(xiàn)一透射峰。注意：/2膜層等效界面1等效界面2nHr1, R1, Y1r2, R2, Y2HLAB 為的整數(shù)倍時(shí), sin=0，透射率達(dá)到最大值(T0)。且R1R2時(shí)，T01。 在各自的中心波長處均為 ，且=0，即中間層消失，則透過率恒等于1。將兩個(gè)多層膜疊加在一起，使其特征曲線在兩個(gè)監(jiān)控波長的平均值處相交，則在平均波長處始終存在一個(gè)透射率峰值。1）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；2）兩個(gè)中心波長不同的對(duì)稱周期膜堆的組合成單一膜堆。消透射峰方法：G/0.9H(LH)41.1H(LH)4/AG/0

15、.9H(LH)4L1.1H(LH)4/A傾斜入射的高反射帶全介質(zhì)高反膜系用于斜入射時(shí)，其反射特性改變（反射波段和反射率也有所變化）。反射特性改變兩個(gè)原因：1） 斜入射導(dǎo)致光學(xué)厚度的改變；2） 膜層的等效光學(xué)導(dǎo)納和入射光的偏振態(tài)有關(guān)。1） S光和P光的反射帶寬不等。2） S光和P光的反射帶往短波方向移動(dòng)。3）S光的反射帶寬比P光的反射帶寬寬。金屬反射膜的特點(diǎn)：金屬反射膜的常用材料：三、金屬高反射膜1）反射帶寬比較寬；2）對(duì)入射角不敏感；3）反射率比較低；4）容易受損傷。1）鋁膜；2）銀膜；3）金膜；4）銅膜。鋁膜 從紫外到紅外都有較高的反射率(88%)；牢固、穩(wěn)定（鋁膜表面在大氣中能生成一層薄的

16、氧化鋁膜）。保護(hù)層材料：氟化鎂或氟化鋰（紫外），一氧化硅或氧化鋁（可見和紅外）銀膜 在可見光區(qū)和紅外區(qū)都具有高的反射率(95%)； 光波在傾斜入射時(shí)引入的偏振效應(yīng)較小； 與玻璃基片的黏附性很差，同時(shí)易受硫化物的影響而失去光著，故使用壽命較短。保護(hù)層材料：一氧化硅（抗潮氣）和氧化鋁組合金膜 在紅外區(qū)具有高的反射率(95%)；與玻璃基片的黏附性差，常用鉻膜作為襯底。用離子束轟擊輔助可提高金膜和玻璃基質(zhì)的附著力度；強(qiáng)度和穩(wěn)定性都比銀膜好。不能擦洗。在金屬高反膜表面鍍介質(zhì)膜，其作用為：四、金屬介質(zhì)高反射膜1） 對(duì)金屬膜層起到保護(hù)作用。 在金屬層和基質(zhì)之間增加與金屬層和基質(zhì)之間都有較好附著能力的過渡層；

17、 在金屬膜層表面加鍍高硬度透明膜層。2） 提高反射率，但減少了帶寬。 在金屬膜層表面加鍍(LH)S膜堆(99%)金屬膜層折射率 則光垂直入射到金屬薄膜時(shí)，其反射率為： 在金屬薄膜層表面鍍上 膜堆，此時(shí)反射率2.3 中性分束膜2.3.1 金屬分束鏡2.3.2介質(zhì)分束鏡2.3.3 偏振分束鏡利用斜入射的偏振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光的中性分束1、中性分束鏡原理及定義原理： 在一定的波長區(qū)域內(nèi)，對(duì)各波長具有相同的透過率、反射率比，因而反射光和透射光呈中性。中性分束：1）在透明平板上鍍膜（平板分束鏡）2、常用中性分束鏡結(jié)構(gòu)常見兩種形式：2）把膜層鍍?cè)?5直角棱鏡斜面上，再膠合一個(gè)同樣形狀的棱鏡，構(gòu)成膠合立方體（棱鏡分

18、束鏡）平板分束片：結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便，但引入像散，膜層暴露在空氣中，易被腐蝕和損壞；兩種棱鏡的比較棱鏡分束器：不引入像散，膜層不暴露在空氣中，不易被腐蝕和損壞，對(duì)膜層材料的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性要求較低，結(jié)構(gòu)也稍復(fù)雜，偏振效應(yīng)比較明顯。應(yīng)用：常應(yīng)用在中低級(jí)光學(xué)裝置上應(yīng)用：常應(yīng)用于性能要求較高的光學(xué)系統(tǒng)說明：(1) 平板分束鏡、棱鏡分束鏡能夠分束的原因均是因?yàn)殄兞艘粚颖∧ぁ?2) 薄膜的要求：在一定波長區(qū)域內(nèi)，反射率幾乎不變，即反射透射比一定。常用中性分束鏡分類金屬分束鏡介質(zhì)分束鏡2.3.1 金屬分束鏡(1)色中性好，在很寬的光譜范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)以近似同樣的分束比工作。1、特點(diǎn)：(2)入射光的偏振態(tài)對(duì)分

19、束比的影響沒有介質(zhì)膜中性分束器敏感。(3)吸收嚴(yán)重，吸收損耗接近三分之一。(4)使用時(shí)具有方向性。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)。從空氣一側(cè)入射具有較高的反射率。注意：正確安裝，見圖350最常用的是鎳鉻合金，其特點(diǎn)為在很寬的光譜范圍內(nèi)（0.245m）都能實(shí)現(xiàn)色中性分束?；瘜W(xué)性能和機(jī)械性能都很好。2、金屬分束鏡中金屬膜層材料：銀：在可見區(qū)吸收最小，但色中性較差，在光譜的藍(lán)色端反射率下降，化學(xué)性能和機(jī)械性能都不好，一般僅用在立方膠合棱鏡中。鉻：化學(xué)性能和機(jī)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10。其它有鋁、鍺、鈾等。G/Ag(5n

20、m)/AG/Cr(15nm)/AG/Cr(16nm)Ni(6nm)/A方法：吸收與周圍介質(zhì)有關(guān)，通過改變周圍介質(zhì)是吸收損失減小，eg：在鉻膜和基片之間插入一層4的硫化鋅膜3、金屬分束鏡吸收損耗改善G/Ag(5nm)/AG l ZnS-Ag-ZnS l A 可見光的中性1：1分光，R+T90%. 厚度為：280，1.2，120(1)分光效率高（無吸收）(2)偏振效應(yīng)明顯(3)分光特性色散明顯。(1)單層膜系結(jié)構(gòu)2.3.2 介質(zhì)分束鏡1、特點(diǎn)：2、膜系反射率在ng上鍍一層0/4的薄膜，在中心波長處的反射率對(duì)p分量對(duì)s分量對(duì)自然光的反射率注意:單層介質(zhì)膜的反射率在可見區(qū)較低，達(dá)不到50。用周期性多層

21、膜系(LH)s(2)多層介質(zhì)膜平板分束鏡： G/H/A ；G|HLHL|A或者G|2LHLHL|A棱鏡分束鏡： G/HLH/G；G/HLHL/G；G/LHLHL/G單層分光膜G/H/AG/TiO2/A 平板型介質(zhì)分束膜多層分光膜G/HLHL/A入射角45度多層分光膜G/2LHLHL/Aa曲線膜系由兩層（HL），最大反射率為46；b曲線膜系比a曲線膜系多一層虛設(shè)層，呈M型結(jié)構(gòu)，最大反射率為50，中性特性比較好。 分析：棱鏡介質(zhì)分束膜從空氣|膜層|玻璃變?yōu)椴Ａ膜層|玻璃，單層膜反射率更低。需用多層膜結(jié)構(gòu)?；镜娜龑幽そY(jié)構(gòu)：色中性比較差。最大反射率為53(1) 基于0/4使膜系,使其在中心波長處的

22、反射率約50(2) 改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提高兩端光譜的反射率。曲線平滑，改變色中性問題：怎樣才能得到中性程度好，且R/T=1的介質(zhì)膜分束鏡？方法：增加膜層數(shù)，逐步修改膜系，設(shè)計(jì)出特性良好地分束鏡設(shè)計(jì)步驟：S/HLHL2H/SS/HLHL/SS/2LHLHL/SS/LH(2/3)L1.5HL2H/S增加2H層可顯著改善色中性,而增加2L層效果不大。 利用斜入射時(shí)光的偏振效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)50/50的中性分光。即反射分量是S分量，透射分量是P分量(1)偏振中性分光膜只適應(yīng)于自然光和圓偏振光的中性分束；(2)偏振中性分光膜分出的兩束光，光強(qiáng)相等，但偏振狀態(tài)不同，是兩束振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光。因此，也將其稱為偏振分

23、光（束）膜。2.3.3 偏振分束鏡原理說明：偏振中性分光膜布儒斯特角原理Rp=0的條件：RsRpn1,n2界面反射率隨入射角的變化1.0R0.50B0 30 60 90 0所以有：又因?yàn)椋合?,得Rp=0的入射角1=BB叫布儒斯特角或偏振角。增加S偏振光的反射率對(duì)于偏振中性分束棱鏡 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：兩塊棱鏡布儒斯特角入射的膜層； 膜層為布儒斯特角入射的(LH)S膜堆； 透射光為P光，反射光為S光； 分束比與入射光的偏振態(tài)有光。只有對(duì)于自然光和y圓偏振光，分束比才50/50.棱鏡介質(zhì)分束器和平板分束片：透射和反射光均有P光和S光，而偏振中性分束棱鏡透射光為P光，反射光為S光。2.4 干涉截止濾光片

24、截止濾光片某一波長范圍的光束高透射，而偏離這一波長的光束驟然變化為高反射（抑制）的波段選擇截止濾光片。吸收型薄膜干涉型吸收與干涉組合型分類:利用多光束干涉原理，讓某一波長范圍的光束高透，而讓偏離這一波長區(qū)域的光束變?yōu)楦叻吹墓鈱W(xué)膜片。長波通濾光片 ：透射長波波段，濾掉短波波段。1、什么叫干涉截止濾光片：2、種類：2.4.1 干涉濾光片概述短波通濾光片：透射短波波段，濾掉長波波段。帶通濾光片：讓某窄光波段通過，濾掉此波段區(qū)以外的光束。長波通濾光片抑制短波波段，透射長波波段短波通濾光片抑制長波波段，透射短波波段帶通濾光片讓某窄光波段通過，濾掉此波段區(qū)以外的光束。3、截止濾光片的特性參數(shù)截止波長；高透

25、射帶的光譜寬度，平均透射率，最小允許透射率；反射帶光譜寬度，平均反射率，最大允許透射率；過渡區(qū)曲線陡度/過渡區(qū)的波長寬度。4、膜層特性介紹干涉截止濾光片的基本膜系類型是周期性多層膜系(LH)s。這類膜系的基本特征是一連串的高反帶間隔以一連串的高透帶。高反短波通長波通1）并不能實(shí)現(xiàn)以某一波長為界，一側(cè)高透，另一側(cè)高反（沒有任何膜系能實(shí)現(xiàn)）。只是在某一有限的波段，實(shí)現(xiàn)以某一波長為界實(shí)現(xiàn)一側(cè)高透，另一側(cè)高反。既要關(guān)心它的反射特性，又要注意它的透射特性。2）同一種周期性的膜堆(LH)s，也是既可以做短波通濾光片，也可以做長波通濾光片。3）高反鏡、分束鏡都是利用它的反射帶，而濾光片是既用它的反射帶，又用

26、它的透射帶。結(jié)論：(LH)s干涉截止濾光膜系設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是消除和減小通帶波紋。 改進(jìn)結(jié)構(gòu):在(LH)S的兩側(cè)各加一個(gè) 膜層。 干涉截止濾光片的基本膜系結(jié)構(gòu)：通帶光學(xué)性能 與(LH)S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(LH)S的相同。多層膜系(LH)S改造后成對(duì)稱膜系基本周期（1）對(duì)稱多層膜系的性能-等效特性等效定理：一個(gè)任意多層膜可等效于雙層膜；具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多層膜可等效于一個(gè)單層膜。注：a“等效界面” 與任意多層膜組合導(dǎo)納相對(duì)應(yīng)。 b“等效膜層” 不含基底的多層膜與有確定折射 率和厚度的介質(zhì)膜相對(duì)應(yīng)。 c“等效”是數(shù)學(xué)的，也是光學(xué)效果的。nsnFn0（2）單層

27、膜的特征矩陣特征矩陣特點(diǎn)：1） 對(duì)于無吸收介質(zhì)膜，m11m22均為實(shí)數(shù)；2） m12、m21均為純虛數(shù)；3） m11m22 m12m211(3).對(duì)稱介質(zhì)膜系的特征矩陣以最簡結(jié)構(gòu)(p q p)為例：對(duì)膜系（pqp）的特征矩陣也存在下列特征：1） 對(duì)于無吸收介質(zhì)膜， M11M22均為實(shí)數(shù)；2） M12、M21均為純虛數(shù)；3） M11M22 M12M211。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(4). 等效折射率和等效位相厚度設(shè)：(p q p)的等效層的折射率為E，位相厚度為可得： 解得：由(pqp)m的等效層的折射率為Em，位相厚度為結(jié)論性說明：A. 對(duì)稱周期性膜系(pqp)m的

28、等效折射率和等效位相厚度與基本周期(pqp)的等效折射率和等效位相厚度的關(guān)系為：(5) 通帶和截止帶的特性 以 或 為例：截止帶：高反射帶a. 阻帶出現(xiàn)在 g=1，3，5，為中心的波段； b. 阻帶寬度 c. 阻帶內(nèi)： d. 過渡區(qū)的曲線陡度隨 的增大，或周期數(shù) m 的增加, 而變陡。通帶：高透射帶 a. 通帶出現(xiàn)在 g=2, 4, 6, 為中心的波段； b. 通帶內(nèi)：其等效單層膜有： 顯然， 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。 設(shè)計(jì)波長：550nm膜系適合于短波通濾光片膜系適合于長波通濾光片2.4.2. 通帶波紋的壓縮“波紋”通帶內(nèi)的反射率極大值群。1.波紋產(chǎn)生原因：

29、由于都是波長的函數(shù)a. 滿足波長點(diǎn)將出現(xiàn)反射次峰b. 反射次峰的大小為：次峰的高低取決于 值趨近于 的程度。 顯然，反射次峰的出現(xiàn)，是由于位相耦合和折射率失配同時(shí)存在而造成的。當(dāng)時(shí) 反射次峰的大小為：2、壓縮波紋的方法 選取適當(dāng)?shù)膶?duì)稱膜系，使得在透射帶內(nèi)的等效折射率等于基質(zhì)的折射率即使R1=R2，本質(zhì)是選膜層材料，要求基片表面的反射損耗要小，但對(duì)于不同的基底不一定有合適的膜層材料。 改變基本周期的膜層厚度，使等效折射率更接近于預(yù)期值。同樣要求基片折射率要低，反射損耗小。這種方法可可見光可以，紅外區(qū)損耗大。 在多層膜的每一側(cè)加鍍匹配層（ /4層 ），使它與基質(zhì)以及入射介質(zhì)匹配。插入層相當(dāng)于多層膜

30、界面的減反膜。方法三：n0 E E E” ns基本思想: 由于單層膜只可能一個(gè)零反射點(diǎn)，故常用多層膜或相似的基本周期匹配。減反射膜2.4.3 通帶的展寬和壓縮 方法：在不改變基本周期膜層總厚度的前提下，改變基本周期中膜層的厚度比。 例：1. 的通帶出現(xiàn)在 g=3,6,9,， 而高反帶在 g=1,2,4,5,的相鄰區(qū)間。 通帶被壓縮。 2. 只在 g=1,5,9, 處有高反帶，其余全為通帶。 通帶被展寬。T1 2 3 4 5 6 7 8gTg1 2 3 4 5 6 7 8Tg1 2 3 4 5 6 7 81. 分色鏡（彩色分光膜） 三基色分色； 消紅，消藍(lán)。2. 寬帶通濾光片 “ 短波通 ”+“

31、 長波通 ”3. 太陽能利用 A. 熱鏡：對(duì)陽光（0.353m）高透過， 對(duì)室溫輻射（350m）高反射。 B. 太陽屏：可見光 0.4-0.75m高透，熱輻 射 (大于0.75m)高反。4.CCD攝像系統(tǒng)中的紅外截止濾光片隔離紅外噪聲2.4.4 截止濾光片的應(yīng)用2.5 帶通濾光片帶通濾光片的特性參數(shù) 0（峰值波長）中心波長T max（峰值透射率）中心波長的透射率2（通帶寬度）透射率為峰值透射率一半的波長寬度2/ 0相對(duì)寬度長波通+短波通 這種結(jié)構(gòu)得到的光譜特性是：可以獲得較寬的截止帶和較深的截止度，但不容易獲得很窄的通帶，所以常用于獲得寬帶通濾光片。 帶通濾光片的兩種結(jié)構(gòu)形式：F-P干涉濾光片

32、 光譜特性是：可以獲得很窄的通帶，但截止帶寬度通常也比較窄, 截止度也不深，所以大多數(shù)情況下都需要配合使用截止濾光片來拓寬截止帶和增加截止深度。2.5.1 F-P干涉儀和窄帶濾光片 1. F-P干涉儀由兩個(gè)反射率為R1，R2，間隔為d的反射板組成，透射光強(qiáng)的空間分布為：其中：2. 全薄膜F-P干涉儀包括間隔層在內(nèi)的所有功能元件全部由薄膜組成。例:G(HL)8 2H (LH)8 G.全薄膜F-P干涉儀與空氣間隔的F-P干涉儀的唯一區(qū)別:兩反射板之間的間隔層厚度與波長同量級(jí), 即： Nd 。2.5.2 基本原理和特性參數(shù) 窄帶通干涉濾光片就是F-P干涉儀 1. 最大透射率 窄帶通干涉濾光片的透射特

33、性： 其中： 影響 T0的因素：a. 如果:吸收和散射均為零，而且 R1 = R2 ， 那么 T0 = 1 ;b. 如果：吸收和散射均為零，但是R1R2 ， 那么 T0 1 ;反射膜的不對(duì)稱性對(duì)峰值透射率的影響 如果：吸收和散射均為零，但是，R1R2如果/R1足夠小，則可以只取展開式的前兩項(xiàng)，稍加整理即得：反射膜不對(duì)稱對(duì)法布里珀珞濾光片峰值透射率的影響 C.如果反射膜有吸收、散射損失，假定反射膜仍是完全對(duì)稱的，用R12、T12和A12分別表示兩反射膜的反射率、透射率以及吸收和散射損失。由于R12+T12+A121，峰值透射率可以寫成：影響 T0的因素：這說明 ：反射膜的透射率愈低或吸收、散射愈

34、大，則峰值透射率愈低 A+S 0.5% , R 98.8% , T max 50% ; 這也足以說明FP濾光片對(duì)膜層的吸收、散射損失是極其敏感的。對(duì)于金屬介質(zhì)法布里珀珞濾光片，由于金屬反射膜的固有吸收，這種濾光片的峰值透射率不可能做得太高，一般以3540為宜 A+S 1% , R 98.8% , T max 30% .2.通帶中心波長 0 -透射率極大值的位置注意： a. m 是以 0 2為單位的間隔層厚度； b. m 也是該濾光片可產(chǎn)生的窄通帶的個(gè)數(shù)。3. 通帶寬度2顯然： a. R1 、 R2 越高，通帶越窄； b. 提高 m 數(shù)（增加間隔層的厚度），通帶將變窄。但是，一般情況下m不大于4

35、。2.5.3 不同膜系結(jié)構(gòu)的帶通濾光片1. “金屬-介質(zhì)”型 G / Metal 4L Metal /G G /Metal 4L Metal /A a. 在通帶以外的長波區(qū)無透射次峰; b. 通帶較寬 ; c. 中心透過率較低 ; d. 制造工藝簡單。特點(diǎn):K9/Ag(2.3nm)MgF2(560nm)Ag(2.3nm)/A2. 全“介質(zhì)單半波”型 G/ ( HL )m k ( 2H ) ( LH )m /G G/ ( HL )m H k ( 2L ) H ( LH )m /G反射膜/半波間隔層/反射膜 特點(diǎn): a. A, S 很小, R1 , R2 很高, b. 通帶波形近似為三角形; c.

36、 通帶兩側(cè)截止區(qū)很窄; d. 制造工藝難度較大.全介質(zhì)濾光片的帶寬 如果兩個(gè)反射膜對(duì)稱，而且反射率足夠高，則當(dāng)層數(shù)給定時(shí)，用高折射率層作為最外層將得到最大反射率，所以，實(shí)際上只有兩種情況需要考慮即 1）對(duì)于高折射率間隔層的情況 當(dāng)層數(shù)足夠多時(shí) 高折射率間隔層時(shí)的帶寬： 2)對(duì)于低折射率間隔層的情況 當(dāng)層數(shù)足夠多時(shí) 高折射率間隔層時(shí)的帶寬： 應(yīng)當(dāng)注意：在上述公式中，我們完全略去了多層反射膜反射相移的色散影響，認(rèn)為在通帶內(nèi)它們是常數(shù)，并且其值為0或，實(shí)際上反射相移并不是常數(shù)，考慮到相移色散的影響 對(duì)于高折射率間隔層對(duì)于低折射率間隔層全介質(zhì)帶通濾光片-單半波G/HLHLHLHLH2HLHLHLHLH/AG/(HL)x2H(LH)x/AG/HLHLHLHL2LHLHLHLHLH/AG/H(LH)x2L(HL)xH/A3. 全“介質(zhì)多半波”型 “多半波”是指膜系中有多個(gè)0/2 間隔層。反射膜/半波間隔層/反射膜