《薄膜光学基础》PPT课件.ppt

3.4.4 薄膜光学基础,所谓光学薄膜，是指在透明平整的基片或金属光滑表面上，用物理或化学的方法涂敷的单层或多层透明介质薄膜。,利用在薄膜上、下表面反射光干涉相长或相消的原理，使反射光得到增强或减弱，可制成光学元件增透膜或增反膜,满足不同光学系统对反射率和透射率的不同要求。,1 单层光学薄膜的反射,n1,设光波从第i层媒质射向第j层媒质时的反射系数和透射系数为：,当振幅为E0的单色平面波正入射时，各反射光的复振幅为：,其中：,是光波在薄膜内来回一次引入的相位延迟（不考虑半波损失）。,叠加之后总的复振幅：,总的反射系数：,上式在推导过程中使用了斯托克斯倒逆关系式：,因此总反射率：,下面我们分析一下反射率R。,令n11，n31.5作图。,此时没有半波损失，反射率总小于4，这种薄膜有增透或减反作用。,相当于没有镀膜。,此时反射率最小，透过率最大：,当满足下面条件时，R0，消反射：,单层增透膜的缺点：,1.增透带宽窄。,2.材料限制。,此时有半波损失，反射率总大于4，这种薄膜有增反作用。,相当于没有镀膜。,此时反射率最大，透过率最大：,此时膜层厚度：,对于单层增反膜，镀膜材料折射率越大越好。,2 双层膜,设计光学薄膜计算量很大，现在都是借助计算机软件设计。在实践设计中多采用光程先决法。,即先把膜层的光学厚度定为。/4，然后再确定材料。,介绍一种等效界面法。,先考虑由基底g和膜层3组成的单层膜系统。,由式(3-225)可得，此单层膜系统的反射系数：,由于是。/4膜系，所以：,再考虑由膜层2和反射系数为 的等效膜层(3,g)组成的“单层膜”系统。,这样，此“单层膜”系统的反射系数：,最后得到双层膜系统的反射系数：,考虑到正入射的菲涅耳系数：,令r0，可得双层减反膜的材料折射率条件：,或,等效折射率,单层增反膜的反射率：,分界面的反射率：,等效折射率：,3 多层增反膜,常用的多层高反膜是由光学厚度nd都是0/4的高折射率膜层和低折射率膜层交替镀制的膜系，可表示为：,GHLHLHLHAG(HL)pHA,p=1,2,3,其中，G和A分别代表玻璃基片和空气；H和L分别代表高折射率膜层和低折射率膜层；p表示一共有p组高低折射率交替层，总膜层数为(2p+1)。半波长的光学厚度应写成HH或LL。,0/4膜系的多层高反射膜示意图,GHLHLHLHAG(HL)pHA,这种膜系之所以能获得高反射率，从多光束干涉原理看是容易理解的：根据平板多光束干涉的讨论，当膜层两侧介质的折射率大于(或小于)膜层的折射率时，若膜层的诸反射光束中相继两光束的相位差等于(0/4 膜系），则该波长的反射光获得最强烈的反射。而上图所示的膜系恰恰能使它包含的每一层膜都满足上述条件，所以入射光在每一膜层上都获得强烈的反射，经过若干层的反射之后，入射光就几乎全部被反射回去。这种膜系的优点是计算和制备工艺简单，镀制时容易采用极值法进行监控；缺点是层数多，R不能连续改变。目前发展了一种非0/4膜系，即每层膜的光学厚度不是0/4，具体厚度要由计算确定。其优点是只要较少的膜层就能达到所需要的反射率，缺点是计算和制备工艺较复杂。,由图，若在基片G上镀一层0/4的高折射率光学膜，其反射率为,式中,是镀第一层膜后的等效折射率。若在高折射率膜层上再镀一层低折射率膜层，其反射率为,式中,是镀双层膜后的等效折射率。依此类推，当膜层为偶数(2p)层时，(HL)p膜系的等效折射率为,相应的反射率为,当膜层为奇数(2p+1)层时，(HL)pH膜系的等效折射率为：,相应的反射率为：,下表列出了多层膜的等效折射率、反射率和透射率(不计吸收)的计算值。计算数据为：nA=1,nG=1.52,nH=2.3(ZnS),nL=1.38(MgF2)。,多层膜的反射率和透射率,由上述计算结果可见：要获得高反射率，膜系的两侧最外层均应为高折射率层(H层)，因此，高反射率膜一定是奇数层。0/4膜系为奇数层时，层数愈多，反射率R愈大。上述膜系的全部结果只对一种波长0成立，这个波长称为该膜系的中心波长。当入射光偏离中心波长时，其反射率要相应地下降。因此，每一种0/4膜系只对一定波长范围的光才有高反射率，如下图所示。图中给出了几种不同层数的ZnS-MgF20/4(0=0.46m)膜系的反射特性曲线。可以看出，随着膜系层数的增加，高反射率的波长区趋于一个极限，所对应的波段称为该反射膜系的反射带宽。对于图示情况，带宽约为200nm。,几种不同层数的0/4膜系的反射率曲线,