薄膜光學(xué)5課件

薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論前一次課的主要內(nèi)容光學(xué)薄膜在傾斜入射時的表現(xiàn)考慮到基片背面反射時的情況對稱膜系的等效折射率矢量法麥克勞德納圖解法簡介用麥克勞德納圖解法解釋單、雙層增透膜薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所典型膜系介紹增透膜分光膜反射膜濾光片特殊膜系薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所一.增透膜（減反射膜）我們都知道當(dāng)光線從折射率為n0的介質(zhì)射入折射率為n1的另一介質(zhì)時在兩介質(zhì)的分界面上就會產(chǎn)生光的反射,如果介質(zhì)沒有吸收，分界面是一光學(xué)表面，光線又是垂直入射，則反射率R為：透過率損失，像的亮度降低，影響作用距離等；雜光影響，像的反襯度降低；薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所矢量法對于層數(shù)較少的減反射膜可以用矢量法作近似計(jì)算和設(shè)計(jì)，這種方法有兩個前提：膜層沒有吸收；在確定多層膜的特性時只考慮入射波在每個界面的單次反射；薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所矢量法為了避免在作矢量圖時方向混亂，我們可以規(guī)定：

1．矢量的模r1,r2,r3,r4…，正值為指向坐標(biāo)原點(diǎn)負(fù)值為離開原點(diǎn)．2．矢量之間的夾角僅決定于膜層的光學(xué)厚度和所考察的波長(即決定于膜層的位相厚度)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。界面上的位相躍變已經(jīng)包含在振幅反射系數(shù)的符號中，不必另作考慮。薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1.1單層增透膜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：從矢量圖上可以看到，合振幅矢量r隨著r1和2之間的夾角2δ而變化合矢量端點(diǎn)的軌跡為一園周。當(dāng)膜層的光學(xué)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。薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1.1單層增透膜運(yùn)用矩陣法分析1/4波長厚度時的情況：薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1.1單層增透膜1.1單層增透膜對于激光工作物質(zhì)材料表面則n12=n0n2不再是單層膜的零反射率和最小反射率的條件了。薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1.2雙層增透膜對于單層氟化鎂膜來說冕牌玻璃的折射率是太低了。為此，我們可以在玻璃基片上先鍍一層1/4波長厚的、折射率為n2的薄膜，這時對于來說薄膜和基片組合的系統(tǒng)可以用一折射率為Y=N23/n3的假想基片來等價。顯然，當(dāng)n2>n3時，有Y＞n3．也就是說，在玻璃基片上先鍍一層高折射率的λ0／4波長厚的膜層后，基片的折射率好象從n3提高到Y(jié)=N23/n3，然后鍍上λ0／4波長厚的氟化鎂膜層就能起到更好的增透效果。構(gòu)成λ0／4-λ0／4型增透膜，若使中心波長的反射率為零，應(yīng)滿足：薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所雙層增透膜的導(dǎo)納軌跡麥克勞得導(dǎo)納圖解技術(shù)簡介H:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)HLH1LH:Y2O3(1.79)L:SiO2(1.46)薄膜光學(xué)——基礎(chǔ)理論中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所非規(guī)整雙層層增透膜麥克勞得導(dǎo)納圖解技術(shù)簡介膜系：Air2L/.38H/SubH:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1.2雙層增透膜只有當(dāng)矢量r1、r2和r3組成封閉三角形才能使合矢量為零。因此只須以矢量r1的始點(diǎn)和終點(diǎn)為圓心，分別以r3和r2為半徑作兩個園，兩個園的交點(diǎn)就是滿足合矢量為零條件的矢量r2和r3頭尾相接的點(diǎn)，然后從矢量圖上即可量得2δ1、2δ2的值。顯然，圖示的兩種方式，都能使三角形封閉。解(b)的膜層總厚度比解(a)的小，它對波長的敏感性也較小，所以通常取此解。用矢量法求出雙層增透膜的各層厚度紅線：1.38H0.61L蘭線：0.31H2.77LNH=1.7NL=1.461.2雙層增透膜薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所上面討論的λ0／4-λ0／4結(jié)構(gòu)的V形膜只能在較窄的光譜范圍內(nèi)有效地減反射，因此僅適宜于工作波段窄的系統(tǒng)中應(yīng)用．厚度為λ0／4-λ0／2型的雙層增透膜，在中心波長λ0兩側(cè)，可望有兩個反射率極小值，反射率曲線呈W型，所以也有把這種雙層增膜稱作為W型膜的．對于中心波長膜層和基片組合的特征矩陣為1.2雙層增透膜薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1.2雙層增透膜薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所1.2三層增透膜雙層增透膜的減反射性能比單層增透膜要優(yōu)越得，但它并沒有全部克服單層增透膜的兩個主要缺點(diǎn)（1）剩余反射高；（2）帶寬小。為了克服以上的缺點(diǎn)人們設(shè)計(jì)出了三層以及多層增透膜。對于λ0／4-λ0／4型的增透膜在中心波長處增透效果好但是帶寬較小，λ0／4-λ0／2型的增透膜在一定程度上展寬了帶寬但是總體的減反射效果不理想，人們想到將它們結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出λ0/4-λ0/2-λ0/4-λ0型增透膜，不僅提高了增透效果，而且展寬了帶寬?？傊?，人們可以通過調(diào)整層數(shù)、厚度、材料來不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于實(shí)際工作中λ0／4的整數(shù)倍厚度容易控制，人們把全部由λ0／4整數(shù)倍厚度組成的膜系稱為規(guī)整膜系，反之為非規(guī)整膜系。薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所高折射率基底材料的的減反射膜在可見區(qū)應(yīng)用的大多數(shù)光學(xué)玻璃，通常在波長大于3微米以后就不再透明．因此，在紅外區(qū)經(jīng)常采用某些特種玻璃和晶體材料特別是半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體有很高的折射率，例如硅約為3.4而鍺大約是4。這些半導(dǎo)體基片若不鍍增透膜，就不可能廣泛地使用．這個問題不同于可見區(qū)，在可見區(qū)，其目的是將大約4%的反射損失減小到千分之幾，而在紅外區(qū)，則是將30%左右的反射損失減小為百分之幾。一般說在紅外區(qū)百分之幾的損失是允許的，因而低折射率基片通常很少鍍減反膜。紅外材料鍍膜從原理上講同可見是一致的，只不過材料的選擇余地較小。減反射膜的一個特殊應(yīng)用——光學(xué)鍍層應(yīng)用于太陽能利用方面太陽能利用有光熱轉(zhuǎn)換、光熱電轉(zhuǎn)換和光電直接轉(zhuǎn)換三種主要形式。前兩種形式都要有一個選擇性的吸收表面，。使之對太陽損射有最高的吸收而熱輻射損失又最小以便有效地利用太陽能．這一點(diǎn)利用光學(xué)鍍層是容易實(shí)現(xiàn)的。如圖表示入射在地球表面上的太陽光的光譜分布以及黑體在不同溫度下輻射光譜。從圖上可以清控地看到達(dá)兩個光譜之問存在著間隔，對于500K以下的黑體溫度兩者的邊界波長大約在2.5微米左右。由于存在著這個間隔，就能做成這樣的表面，既能有效地吸收太陽光而又不會在工作溫度下把吸收的能量再發(fā)射出去。減反射膜的一個特殊應(yīng)用——光學(xué)鍍層應(yīng)用于太陽能利用方面減反射膜的一個特殊應(yīng)用——光學(xué)鍍層應(yīng)用于太陽能利用方面薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所使用增透膜的幾個注意事項(xiàng)使用的波長范圍，單點(diǎn)還是寬光譜或一段光譜帶一點(diǎn)；例如可見區(qū)(420nm-700nm)，或紅外（3700nm-4800nm)，或可見區(qū)加1064nm等；剩余反射率指標(biāo)；（平均或最大剩余反射率）使用角度或角度范圍；使用環(huán)境；（有無三防要求等）有無激光閾值要求；薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所分光膜一般講分光膜可以分為分束膜和分色膜，后者是按顏色（波長）不同進(jìn)行分光，本節(jié)主要講分束膜，它把一束光分按比例成光譜成分相同的兩束光，也即它在一定的波長區(qū)域內(nèi)，如可見區(qū)內(nèi)，對各波長具有相同的透射率、反射率比例，因而反射光和透射光不具有顏色，并呈中性。分光鏡通?？偸莾A斜使用的，它能把入射光分離成反射光和透射光兩部分，對于不同的用途分光鏡往往有不同的透射率和反射率比T／R。分光板的兩種使用方式薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所分束鏡又可以按使用方式分為平板和棱鏡分光兩種正確錯誤棱鏡分光1.NPBSNon-polarisingbeamsplitter2.PBSpolarisingbeamsplitter薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所金屬分光鏡金屬分光鏡是最常用的分光鏡Ag膜：吸收小、中性差、穩(wěn)定性差在一般場合下要求分光膜的吸收小，因而在用金屬作為分光膜時應(yīng)選擇k／n值大一些的材料在可見區(qū)，銀是吸收最小的一種金屬膜，但中性稍差，在光譜的藍(lán)色端反射率下降，而且銀的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性都不好，一般只在膠合棱鏡中使用；Al膜和Cr也經(jīng)常用作分光膜；Al膜也存在中性和牢固度的問題Cr膜的中性較好，一般在可見區(qū)的長波段比短波端透射高。鎳鉻合金（80Ni-20Cr)在較寬的光譜范圍內(nèi)中性較好。薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所金屬分光鏡薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所11nm金屬鉻(Cr)在正反兩個方向入射時的反射率中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所薄膜光學(xué)——典型膜系金屬中性分光G/11nmCr膜/AirG/53nmZnS/11nmCr膜/Air薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所金屬分光鏡金屬分光鏡的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：中性好，光譜范圍寬、偏振效應(yīng)小、制作簡單缺點(diǎn)：吸收大、激光閾值低使用注意事項(xiàng)：光的入射方向薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所介質(zhì)分光膜在某些情況下，不允許分光膜有明顯的吸收，這時就必須使用全介質(zhì)分光膜，其實(shí)一層高折射率材料就可以構(gòu)成簡單的分光膜。在透明基片ng上鍍上一層1/4波長的高折射率的介質(zhì)薄膜(n1)就能增加反射率，減小透射率，在中心波長附近一個相當(dāng)寬的波長范圍內(nèi)這種膜的反射率隨被長改變得非常緩慢．中心波長處的反射率為一極大值，可由下式計(jì)算：薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所λ0／4厚單層薄膜材料在K9基片反射率隨折射率的變化情況薄膜光學(xué)——典型膜系中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所介質(zhì)分光膜一般講可見區(qū)透明材料的折射率都在2.5以下，要實(shí)現(xiàn)50%的反射，即使是單點(diǎn)也很難實(shí)現(xiàn)，而且單層膜的有效寬度不夠，所以經(jīng)常使用的是多層介質(zhì)膜。H(LH)n是反射膜系，當(dāng)層數(shù)不多時反射率不高，同時又有一定的透射率，加以適當(dāng)?shù)男拚沟迷谀骋粎^(qū)域內(nèi)有較好的中性，就可以成為一種分光膜。單層ZnS膜與五層G/2LHLH