薄膜光學課件

薄膜光學

學院：航天學院專業(yè)：光學工程授課教師：王治樂聯(lián)系方式：86414807-732

wangzhile@§1引言§2數(shù)理基礎§3光學薄膜的特性計算§4光學薄膜的普遍定理§5光學薄膜設計方法§6減反射膜（增透膜）§7反射膜的分析與設計§8分光膜分析與設計§9濾光片的分析與設計§10薄膜的應用薄膜光學授課提綱

§8分光膜分析與設計8.1基本概念與分類（1）概念分光膜：根據(jù)能量分布要求，把入射光分離成反射光和透射光兩部分。（2）分類金屬分光膜介質(zhì)分光膜金屬介質(zhì)分光膜按膜料8.1基本概念與分類（2）分類中性分光膜偏振分光膜消偏振分光膜單板型膠合平板型膠片式按功能按結(jié)構(gòu)膠合棱鏡型常見結(jié)構(gòu)（3）理想中性分光膜具有以下特點：1）色散小，即反射率和透射率因波長不同引起的改變很??；2）反射率和透射率因入射角不同引起的改變很??；3）偏振小，S波和P波的反射率與透射率差異??；4）不存在吸收或吸收很小。8.2金屬分光膜一般要求：吸收小，選擇k/n值大的金屬。金屬分光膜特點：常用金屬膜：金、銀、鋁、鉻、鎳鉻合金等。①吸收損失較大，分光效率較低；②光譜范圍寬；（a）正確使用（b）不正確使用③反射率與入射光的方向有關（因膜層吸收）透射率與入射方向無關。③反射率與入射光的方向有關（因膜層吸收）透射率與入射方向無關。④因分光鏡吸收損失與其周圍介質(zhì)有關，鍍膜可降低吸收。玻璃＋鉻膜玻璃＋＋鉻膜8.3介質(zhì)分光膜⑴特點：a)吸收可忽略，分光效率高；b)對波長敏感（干涉），中性分光存在困難，易破壞色平衡；c)偏振效應較大。⑵單層分光膜基片（）上鍍厚高折射率膜（）可提高，降低。在中心波長附近一個相當寬范圍內(nèi)，隨改變波長非常緩慢。處的反射率極大值為對P分量有：－入射角－膜系中折射角－基片中折射角對S分量有：對于，，，與曲線見下圖。對于分光：可見光區(qū)介質(zhì)膜折射率一般小于2.5，因此單層膜實現(xiàn)分光較困難。⑶多層介質(zhì)膜對于平板玻璃常用分光膜系:

（a）（b）⑶多層介質(zhì)膜波長520nm時膜系(b)略優(yōu)于膜系(a)。a)基本原理由于傾斜入射時，有效折射率：8.4消偏振分光膜定義：偏振分離若膜系使，可實現(xiàn)消偏振。消偏振充要條件：對偶數(shù)膜系對奇數(shù)膜系b)消偏振分光膜的實現(xiàn)（1）介質(zhì)膜G|ABCBABCBABCBABCBA|GG|CBABABCBABCBABABC|Gb)消偏振分光膜的實現(xiàn)（2）金屬/介質(zhì)組合消偏振分光膜優(yōu)點：層數(shù)少、易制備、結(jié)構(gòu)簡單

消偏振光譜范圍寬、效果好缺點：存在吸收a)概念與分類概念：將入射光中s分量與p分量進行分離的光學薄膜器件，稱為偏振分光鏡。8.5偏振分光膜分類：棱鏡偏振分光鏡平板偏振分光鏡b)棱鏡偏振分光鏡在兩種折射率不同的介質(zhì)分界面上，入射角滿足布魯斯特角條件（）時，P－偏振光的，S－偏振光部分反射，部分透射。通過鍍膜提高S光的反射率。實現(xiàn)途徑①選擇nH，nL，θ0后，決定玻璃的折射率②選擇n0，θ0后，適當搭配nH，nL③選擇nH，nL，n0后，設計θ0典型的膠合棱鏡偏振分光膜的光譜曲線應用：液晶投影系統(tǒng)。缺點：具有敏感角度特性。c)平板偏振分光鏡原理：在平板上鍍周期性反射膜系，s光與p光反射曲線分離。c)平板偏振分光鏡由反射膜討論：反射帶寬度取決于膜層有效折射率的比值，s偏振光的反射帶寬大于p偏振光，在反射帶過渡區(qū)，p光高透射的同時，s光高反射。特點：工作波段較窄。§1引言§2數(shù)理基礎§3光學薄膜的特性計算§4光學薄膜的普遍定理§5光學薄膜設計方法§6減反射膜（增透膜）§7反射膜的分析與設計§8分光膜分析與設計§9濾光片的分析與設計§10薄膜的應用薄膜光學授課提綱

§9濾光片的分析與設計9.1基本概念定義：根據(jù)波長不同而進行分光的光學元件—濾光片分類：負濾光片(能從一段光譜中除去某一波帶的濾光片)光譜特性截止濾光片帶通濾光片常用特性指標：中心波長，截止帶抑制深度和半寬度。自由光譜區(qū)截止帶分類：根據(jù)工作原理薄膜干涉型吸收型吸收型應用廣泛，由顏色玻璃、晶體、燒結(jié)多空明膠、無機和有機液體，以及吸收薄膜制成。吸收干涉組合型9.2截止濾光片①能使某一波長范圍的光束高透射，而偏離之一波長的光束迅速的變高反射（或抑制）的光學元件。（1）基本概念A）定義②從某一特定波長為界，反射波段的光束，透射波段的光束，或者相反，前者稱為短波通濾光片，后者稱為長波通濾光片。

B）主要參數(shù)①截止區(qū)和透射區(qū)；②截止波長；③截止區(qū)平均透射率；④截止區(qū)中所允許的最大透射率；⑤透射區(qū)中平均透射率；⑥透射區(qū)中所允許的最小透射率；⑦陡度：表征濾光片從抑制區(qū)到透射區(qū)的過渡特性。表示透射率為處的波長值。（2）截止濾光片結(jié)構(gòu)形式介質(zhì)高反膜系

由于λ/4膜系反射曲線在通帶存在明顯波紋，影響透射性能，可在膜系兩側(cè)加（H/2）或（L/2）層，消除或壓縮波紋。兩種基本結(jié)構(gòu)：短波通和長波通。短波通例：長波通例：

根據(jù)對稱周期理論，可用一個等效單層膜表達，具有實數(shù)等效折射率的光譜區(qū)對應透射通帶。由此可把多層膜的通帶波紋壓縮壓縮問題簡化為單層膜的通帶波紋壓縮壓縮問題。（3）通帶波紋壓縮成因：對稱周期結(jié)構(gòu)等效為單層膜，其折射率為等效折射率，位相厚度為各基本周期之和。通常波紋的幅度大小由等效折射率與入射、基片的匹配程度決定；波紋的密度由周期數(shù)決定，因為周期數(shù)越多，位相厚度越大，高級干涉峰間距越小，波紋越密。波紋壓縮的方法：①選擇，的匹配；②改變基本周期內(nèi)的膜層厚度；③采用非均勻?qū)?，或調(diào)整外層周期膜厚；通過改善基本膜系與環(huán)境的匹配，效果明顯。④加入匹配層，使膜系與入射介質(zhì)與基片匹配對次峰進行減反射處理，加匹配膜層（單層膜，雙層膜或多層膜）（4）通帶的展寬與壓縮（4）通帶的展寬與壓縮A）通帶壓縮

當基本周期為（α1H,α2L)，α1+α2越大，反射帶間隔越小，適當選擇α1+α2值，可在任意兩個波長之間產(chǎn)生反射峰，實現(xiàn)通帶的壓縮。（4）通帶的展寬與壓縮A）通帶壓縮

（4）通帶的展寬與壓縮B）通帶展寬

當基本周期為（H,L)，則α1＝1，α2＝1時，反射帶間隔最大。若需要更大的反射間隔，須采用多層膜，以ABCBA為例。C）截止帶的展寬（1）吸收型元件與干涉型元件進行非相干疊加；（2）兩個或多個干涉截止濾光片截止帶銜接起來。（5）截止濾光片的應用（1）彩色分光膜（2）反熱鏡與冷光鏡（3）傾斜使用a）截止帶向短波移動b）存在偏振效應9.3帶通濾光片（1）基本概念

a）定義：光譜特性曲線的透射帶兩側(cè)鄰接截止區(qū)的濾光片叫帶通濾光片。b）分類根據(jù)光譜特性：窄帶濾光片寬帶濾光片根據(jù)構(gòu)成：介質(zhì)干涉濾光片金屬濾光片（金屬＋介質(zhì)層組成）c）主要特性參數(shù)①中心波長；②

；③半寬度④波形系數(shù)⑤截止寬度；⑥截止深度；c）主要特性參數(shù)⑦—抑制率⑧—短波截止范圍⑨—長波截止范圍；⑩內(nèi)平均透過率。（2）窄帶濾光片的分析與設計①主要研究對象法布里－泊珞干涉濾光片（F-P）基本原理：多光束干涉濾光片用介質(zhì)層取代間距的空氣。F－P標準具有兩塊相同反射率，間隔為d的平行反射板組成。，，，為兩反射膜的反射率與透射率；，為反射膜的反射相移；②性能分析間隔層的相位厚度。②性能分析a）中心波長：式中可見：通帶半寬度決定于干涉級次和反射膜的反射率。反射率越高，干涉級次越高，半寬度越小，透射光的單色性越好。b）半寬度：d）吸收、散射對峰值透射率的影響。c）截止深度反射率越高，截止深度越小。（3）窄帶濾光片技術實現(xiàn)a）金屬－介質(zhì)F－P干涉濾光片結(jié)構(gòu)：在基片上鍍一層金屬反射膜，再鍍一層介質(zhì)間隔層，接著再鍍一層金屬反射膜。特點：工藝較簡單，但金屬膜對光的吸收較大，中心透射比較低，半寬度較大，一般。可見區(qū)和近紅外區(qū)紫外區(qū)銀冰晶石鋁氧化鎂或冰晶石b）全介質(zhì)干涉濾光片結(jié)構(gòu)：用多層介質(zhì)反射膜代替金屬反射膜特點：由于全介質(zhì)多層反射膜的反射一帶是一個有限范圍，因此濾光片通帶兩側(cè)，同時還存在著旁通帶，在大多數(shù)應用中，必須將其抑制掉。為厚高、低折射率膜層為反射膜系中的周期數(shù)為基片是干涉級次膜系表示：c）多半波帶通濾光片簡單F－P濾光片的缺點：[1]濾光片的通帶是三角形，透射能低，理想情況是矩形；[2]峰值透射率對于間隔層兩側(cè)反射膜系的吸收、散射損耗非常敏感，在膜層吸收一定時，壓縮通帶寬度是以降低峰值透射率為代價；[3]濾光片的背景抑制不深解決措施：多個濾光片串聯(lián)。因此，難易制備出窄帶寬、高透射、深背景抑制的濾光片。根據(jù)半波層數(shù)，稱半波濾光片。半波濾光片，具有