光学薄膜的设计理论.ppt

薄膜光学技术,主讲人：孔伟金,青岛大学物理科学学院,单一界面光斜入射,S偏振光(TE波)：电场强度E垂直于入射面,P偏振光(TM波)：电场强度E垂直于入射面,2.1.单一界面反射率与透射率,单层膜的特征矩阵,由公式：,单层膜的反射,单层膜的反射率为：,这样就把单层膜的问题等效成了单一界面的问题，而不是用多次干涉的方法。,/2和/4的光学厚度,当膜层的光学厚度为/2时,当膜层的光学厚度为/4时,多层膜的反射,将这一结果推广到多层膜：,薄膜的特征矩阵的行列式等于1,第三章、光学薄膜器件设计,光学薄膜设计理论 矢量作图法，有效界面法，对称膜系等效层,典型光学薄膜系统的设计 减反射膜、高反射膜、中性分束膜 截止滤光片、带通滤光片、偏振分束膜、消偏振膜,引言：光学薄膜设计的个基本问题,正问题：已知多层介质膜的结构参数计算其光学性质，利用特征矩阵方法可进行精密计算；即使上百层薄膜在宽光谱范围内反射和透射特性都可以瞬间完成；反问题设计具有一定光学性质的多层介质膜结构；基本膜系的选择优化设计考虑工艺；本章重点介绍几种常用的光学薄膜设计理论,3.1 矢量作图法,条件：(1)膜层数比较少；(2)膜层没有吸收；(3)只考虑入射波在每个界面上的单次反射，忽略 界面上的多次反射,优点：(1)虽然是近似计算，但是对大多数减反射膜误差足够小；(2)矢量法计算简便、直观,基本原理和模型,如果忽略膜层内的多次反射，则合成的振幅反射系数由每一层界面的反射系数的矢量和确定。每个界面的反射系数都连带着一个特点的相位滞后，它对应于光波从入射表面透射到该表面又回到入射表面的过程：,界面振幅反射系数,如果忽略膜层的吸收，则各个界面的振幅反射系数均为实数,各层薄膜的位相厚度,矢量作图法的基本步骤,首先计算各个界面的振幅反射系数和各层的位相厚度；把各个矢量按比例画在同一张极坐标图上；按三角形法则求合成矢量；求得的合矢量的模即为膜系的振幅反射系数，辐角就是反射光位相变化，而能量反射率就是振幅反射系数的平方；,矢量作图法的约定,矢量作图法举例,矢量作图法举例计算振幅反射系数,矢量作图法举例计算矢量之间夹角,矢量作图法举例矢量合成（400nm),矢量作图法举例矢量合成（520nm),矢量作图法光倾斜入射,3.2 有效界面法(菲涅耳系数法）,有效界面法物理模型,有效界面法分析方法,有效界面法分析方法,有效界面法基本思想,有效界面法基本思想,有效界面法分析方法,有效界面法分析方法,有效界面法分析方法,有效界面法带通滤光片,T=1:sin2=0,R1=R2,T极小值：则sin2=,提高陡峭度：F越大越好，即提高R1和R2,3.3 对称膜系的等效层,前面,单层膜特性矩阵的特点,单层膜特性矩阵的特点,多层膜特性矩阵的特点,对称膜系(PQP)的特征,对称膜系(PQP)的特征,对称膜系(PQP)的特征,对称膜系(PQP)的特征,对称膜系(PQP)的特征,对称膜系(PQP)的讨论,对称膜系(PQP)的讨论,周期性对称膜系,周期性对称膜系,周期性对称膜系,.4 导纳图解技术,任意一个光学薄膜系统都可以用一等效界面来表示，其反射、透射和位相特性由介质的导纳和等效界面的组合导纳确定；基本上任一层薄膜的作用都可看作是改变等效界面的导纳，从而改变了薄膜系统的光学特性；因此，如能形象的表示出等效导纳变化轨迹，将有助于直观的分析薄膜系统的特性及其变化，这就是所谓的导纳轨迹图解技术；,