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薄 膜 光 学基础理论,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,前一次课的主要内容,光学薄膜在倾斜入射时的表现 考虑到基片背面反射时的情况 对称膜系的等效折射率 矢量法 麦克劳德纳图解法简介 用麦克劳德纳图解法解释单、双层增透膜,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,典型膜系介绍,增透膜 分光膜 反射膜 滤光片 特殊膜系,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,一. 增透膜（减反射膜）,我们都知道当光线从折射率为n0的介质射入折射率为n1的另一介质时在两介质的分界面上就会产生光的反射, 如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率R为：,透过率损失，像的亮度降低，影响作用距离等； 杂光影响，像的反衬度降低；,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,目前已有很多不同类型的增透膜可供利用，以满足技术光学领域的极大部分需要。可是复杂的光学系统和激光光学，对减反射性能往往有特殊严格的要求。例如，大功率激光系统要求某些元件有极低的表面反射，以避免敏感元件受到不需要的反射的破坏，并且对于薄膜往往有激光阈值的要求。此外，宽带增透膜可以提高象质量、色平衡和作用距离，而使系统的全部性能增强，因此，生产实际的需要促使了减反射膜的不断发展。 设计减反膜并没有完整的系统的方法，简捷的途径是用矢量法，并通过试行法得到较满意的结构，然后进行数值计算作精确校核，以消除矢量法所固有的近似影响。,一.减反射膜（增透膜）,薄 膜 光 学基础理论,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,矢量法,对于层数较少的减反射膜可以用矢量法作近似计算和设计，这种方法有两个前提： 膜层没有吸收； 在确定多层膜的特性时只考虑入射波在每 个界面的单次反射；,薄 膜 光 学基础理论,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,矢量法,为了避免在作矢量图时方向混乱，我们可以规定： 1 矢量的模r1, r2, r3, r4，正值为指向坐标原点负 值为离开原点 2 矢量之间的夹角仅决定于膜层的光学厚度和所考察 的波长(即决定于膜层的位相厚度)按逆时针方向旋转。界 面上的位相跃变已经包含在振幅反射系数的符号中，不必另作考虑。,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.1 单层增透膜,单层增透膜是减少界面反射的最简单途径，如右图用矢量法分析：,从矢量图上可以看到，合振幅矢量r随着r1和2之间的夹角2而变化合矢量端点的轨迹为一园周。 当膜层的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的方向完全相反。,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.1 单层增透膜,矢量法用来分析单层薄膜情况：,可见当厚度为某一波长1/4，并且r1=r2时剩余反射为零：,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.1 单层增透膜,运用矩阵法分析1/4波长厚度时的情况：,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.1 单层增透膜,1.1 单层增透膜,对于激光工作物质材料表面则n12=n0n2不再是单层膜的零反射率和最小反射率的条件了。,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.1 单层增透膜,单层增透膜的出现，在历史上是一个重大的进展，直至今天仍广泛地用来满足一些简单的用途。但是它存在着两个主要的缺陷，首光对大多数应用来说剩余反射还显得太高，此外，从未镀膜表面反射的光线，在色彩上仍保持中性而从镀膜表面反射的光线就不然，破坏了色的平衔其结果是不可能作出良好的色彩还原，作为变焦距镜头超广角镜头，大相对孔径等新型透镜系统中的镀层，那更是不能符合要求。 有两个途径可以提高增透效果： 采用变折射率的所谓非均匀膜，它的折射率随着厚度的增加呈连续的变化； 采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜；,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.2 双层增透膜,对于单层氟化镁膜来说冕牌玻璃的折射率是太低了。为此，我们可以在玻璃基片上先镀一层1/4波长厚的、折射率为n2的薄膜，这时对于来说薄膜和基片组合的系统可以用一折射率为Y=N23/n3的假想基片来等价。显然，当n2n3时，有Yn3也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率的04波长厚的膜层后，基片的折射率好象从n3提高到Y=N23/n3 ，然后镀上04波长厚的氟化镁膜层就能起到更好的增透效果。 构成04- 04型增透膜，若使中心波长的反射率为零，应满足：,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.2 双层增透膜,当折射率完全满足以上关系的材料不能找到时，可以通过厚度的调整来达到，如图所示，n0、n3分别为入射介质和基片的折射率，n1和n2为折射率己确定的低折射率和高折射率材料的膜层，1、2便是待定的膜层位相厚度，用矢量法进行分析:,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.2 双层增透膜,只有当矢量r1、r2和r3组成封闭三角形才能使合矢量为零。因此只须以矢量r1的始点和终点为圆心，分别以r3和r2为半径作两个园，两个园的交点就是满足合矢量为零条件的矢量r2和r3头尾相接的点，然后从矢量图上即可量得21、22的值。显然，图示的两种方式，都能使三角形封闭。解(b)的膜层总厚度比解(a)的小，它对波长的敏感性也较小，所以通常取此解。,用矢量法求出双层增透膜的各层厚度,红线：1.38H 0.61L 兰线：0.31H 2.77L NH=1.7 NL=1.46,1.2 双层增透膜,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,上面讨论的04- 04 结构的V形膜只能在较窄的光谱范围内有效地减反射，因此仅适宜于工作波段窄的系统中应用厚度为04- 02型的双层增透膜，在中心波长0两侧， 可望有两个反射率极小值，反射率曲线呈W型，所以也有把这种双层增膜称作为W型膜的对于中心波长膜层和基片组合的特征矩阵为,1.2 双层增透膜,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.2 双层增透膜,显然，在中心波长处的反射率与单层膜相同。,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.2 双层增透膜,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,1.2 三层增透膜,双层增透膜的减反射性能比单层增透膜要优越得，但它并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点（1）剩余反射高；（2）带宽小。为了克服以上的缺点人们设计出了三层以及多层增透膜。对于04- 04 型的增透膜在中心波长处增透效果好但是带宽较小， 04- 02型的增透膜在一定程度上展宽了带宽但是总体的减反射效果不理想，人们想到将它们结合起来，设计出0/4-0/2-0/4-0型增透膜，不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。 总之，人们可以通过调整层数、厚度、材料来不断的优化设计，由于实际工作中04的整数倍厚度容易控制，人们把全部由04整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,G.25453I .06773H .0459I .10938L .05389H .08113L .21788F Air I:1.7 H:2.3 L:1.46 F:1.38,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,高折射率基底材料的的减反射膜,在可见区应用的大多数光学玻璃，通常在波长大于3微米以后就不再透明因此，在红外区经常采用某些特种玻璃和晶体材料特别是半导体材料。半导体有很高的折射率，例如硅约为3.4而锗大约是4。 这些半导体基片若不镀增透膜，就不可能广泛地使用这个问题不同于可见区，在可见区，其目的是将大约4%的反射损失减小到千分之几，而在红外区，则是将30%左右的反射损失减小为百分之几。一般说在红外区百分之几的损失是允许的，因而低折射率基片通常很少镀减反膜。红外材料镀膜从原理上讲同可见是一致的，只不过材料的选择余地较小。,减反射膜的一个特殊应用 光学镀层应用于太阳能利用方面,太阳能利用有光热转换、光热电转换和光电直接转换三种主要形式。前两种形式都要有一个选择性的吸收表面，。使之对太阳损射有最高的吸收而热辐射损失又最久以便有效地利用太阳能这一点利用光学镀层是容易实现的。如图表示入射在地球表面上的太阳光的光谱分布以及黑体在不同温度下辐射光谱。从图上可以清控地看到达两个光谱之问存在着间隔， 对于500K以下的黑体温度两者的边界波长大约在2.5微米左右。由于存在着这个间隔，就能做成这样的表面，既能有效地吸收太阳光而又不会在工作温度下把吸收的能量再发射出去。,减反射膜的一个特殊应用 光学镀层应用于太阳能利用方面,需要这样的选择性吸收体：在2.5微米以下波长区域有最高的吸收率，但是对于长波长有低的发射率。 于是放置在太阳光中的选择性吸收体将达到比一般的黑体表面更高的温度。 由于热能在高温比低温更宝贵(这一点是很重要的)，在红外区有高反射的金属上沉积一薄的半导体层和一简单的减反射膜组成的系统能满足这个要求，半导体层增加了太阳辐射的吸收 率，但它对于红外区是透明抵所以保持了红外区有高的反射率也即低的红外发射率，但由于半导体折射率较高，表面有可观的反射损率，因此可以用减反膜来消除反射。,减反射膜的一个特殊应用 光学镀层应用于太阳能利用方面,减反射膜的一个特殊应用 光学镀层应用于太阳能利用方面,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,使用增透膜的几个注意事项,使用的波长范围，单点还是宽光谱或一段光谱带一点；例如可见区(420nm-700nm)，或红外（3700nm-4800nm)，或可见区加1064nm等； 剩余反射率指标；（平均或最大剩余反射率） 使用角度或角度范围； 使用环境；（有无三防要求等） 有无激光阈值要求；,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,分光膜,一般讲分光膜可以分为分束膜和分色膜，后者是按颜色（波长）不同进行分光，本节主要讲分束膜，它把一束光分按比例成光谱成分相同的两束光， 也即它在一定的波长区域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率、反射率比例，因而反射光和透射光不具有颜色，并呈中 性。分光镜通常总是倾斜使用的，它能把入射光分离成反射光和透射光两部分，对于不同的用途分光镜往往有不同的透射率和反射率比TR。,分光板的两种 使用方式,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,分束镜又可以按使用方式分为平板和棱镜分光两种,正确,错误,棱镜分光,1.NPBS Non-polarising beam splitter,2.PBS polarising beam splitter,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,金属分光镜,金属分光镜是最常用的分光镜 Ag膜：吸收小、中性差、稳定性差 在一般场合下要求分光膜的吸收小，因而在用金属作为分光膜时应选择kn值大一些的材料在可见区，银是吸收最小的一种金属膜，但中性稍差，在光谱的蓝色端反射率下降，而且银的机械强度和化学稳定性都不好，一般只在胶合棱镜中使用； Al膜和Cr也经常用作分光膜； Al膜也存在中性和牢固度的问题 Cr膜的中性较好，一般在可见区的长波段比短波端透射高。 镍铬合金（80Ni-20Cr)在较宽的光谱范围内中性较好。,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,金属分光镜,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,11nm金属铬(Cr) 在正反两个方向入射时的反射率,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,薄 膜 光 学典型膜系,金属中性分光,G/11nm Cr膜/Air,G/53nmZnS/11nm Cr膜/Air,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,金属分光镜,金属分光镜的优缺点 优点：中性好，光谱范围宽、偏振效应小、制作简单 缺点：吸收大、激光阈值低 使用注意事项：光的入射方向,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,介质分光膜,在某些情况下，不允许分光膜有明显的吸收，这时就必须使用全介质分光膜，其实一层高折射率材料就可以构成简单的分光膜。在透明基片ng上镀上一层1/4波长的高折射率的介质薄膜(n1)就能增加反射率，减小透射率，在中心波长附近一个相当宽的波长范围内这种膜的反射率随被长改变得非常缓慢中心波长处的反射率为一极大值，可由下式计算：,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,04厚单层薄膜材料在K9基片反射率随折射率的变化情况,薄 膜 光 学典型膜系,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,介质分光膜,一般讲可见区透明材料的折射率都在2.5以下，要实现50%的反射，即使是单点也很难实现，而且单层膜的有效宽度不够，所以经常使用的是多层介质膜。H(LH)n是反射膜系，当层数不多时反射率不高，同时又有一定的透射率，加