光學(xué)薄膜范正修PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1光學(xué)薄膜范正修光學(xué)薄膜范正修2第1頁(yè)/共199頁(yè)3第2頁(yè)/共199頁(yè)4第3頁(yè)/共199頁(yè)5第4頁(yè)/共199頁(yè)6第5頁(yè)/共199頁(yè)7第6頁(yè)/共199頁(yè)8第7頁(yè)/共199頁(yè)9第8頁(yè)/共199頁(yè)10第9頁(yè)/共199頁(yè)11355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜薄膜波導(dǎo)第10頁(yè)/共199頁(yè)12等效界面法第11頁(yè)/共199頁(yè)1300EE10100nnnnr10002nnnt111000rrt11EE111122iiE eE eEE界面的透射及反射系數(shù)：第一個(gè)界面處的電場(chǎng)關(guān)系：薄膜內(nèi)部的電場(chǎng)關(guān)系：1111112222iin E en E en En E薄膜內(nèi)部電場(chǎng)方向符號(hào)表示第12頁(yè)/共199頁(yè)1

2、4依次類推： 00EE= 1100100iiiiiimimmmiiiiiiabereEEcdreetaEEtm101設(shè)： ,21iccc21iaaa則 222112212211aacacaicacar22111221cacacacatgr可以得到： 221 1221 22 1222212a ca ca ca cRraa22211aaT第13頁(yè)/共199頁(yè)15第14頁(yè)/共199頁(yè)16n膜層厚度引起的位相差.njjjiCOICOR cosiknn第15頁(yè)/共199頁(yè)17ri01010101()()()()nni kknni kk0001012()()()niknni kkti第16頁(yè)/共199頁(yè)1

3、8 1TRATT00BCRBC*00CBCB01*00Re()()()mTBCBC*0*00Re()()()mBCABCBC第17頁(yè)/共199頁(yè)19第18頁(yè)/共199頁(yè)20204Rs)(00kkFgdpdp第19頁(yè)/共199頁(yè)2111!411mmggmmgLTett1!41mmggmmgLTerr第20頁(yè)/共199頁(yè)22420233003164sin2nnadIISVSV )(20 xzdiISVn總界面起伏引起的厚度變化體散射等效的吸收第21頁(yè)/共199頁(yè)230111111001001111miijijiiiiimjjEeerereeerererrtEEjjjj 12120112120 0m

4、aiabibEEcicdidE上述參數(shù)利用散射薄膜的相應(yīng)值替換第22頁(yè)/共199頁(yè)24第23頁(yè)/共199頁(yè)254005006007008004.2324.2364.2404.2444.2484.2524.2564.260 nm nm nm nm nm Rs(%)波長(zhǎng)/nm4005006007008000.01.0 x10-32.0 x10-33.0 x10-34.0 x10-35.0 x10-36.0 x10-3 TIS波長(zhǎng)/nm nm nm nm nm nm不同RMS粗糙度條件下玻璃基片的Rs和TIS變化曲線第24頁(yè)/共199頁(yè)26第25頁(yè)/共199頁(yè)27222lnln0EEEEc222ln

5、ln0HHHHc由解微分方程可得到電磁波在非均勻介質(zhì)中的傳輸狀況，但是解微分方程的方法主要決定于折射率漸變的函數(shù)，只有在某些情況下才能精確解。 第26頁(yè)/共199頁(yè)28第27頁(yè)/共199頁(yè)29 利用GLAD技術(shù)制備的寬帶增透薄膜第28頁(yè)/共199頁(yè)30024681012141.41.61.82.02.2Refractive IndexOptical Thickness4005006007000.00.20.40.60.81.0TransmittanceWavelength(nm)Rugate小波函數(shù)折射率曲線及光譜特性第29頁(yè)/共199頁(yè)310102030401.01.21.41.61.82.

6、02.2Refractive IndexOptical Thickness4004505005506006507000.00.20.40.60.81.0TransmittanceWavelength(nm)紅色濾光片折射率隨厚度變化圖和0入射時(shí)膜層透過(guò)率曲線圖第30頁(yè)/共199頁(yè)32第31頁(yè)/共199頁(yè)331995年，Robbie小組最早利用GLAD技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的MgF2 “雕塑”薄膜，并用掃描電鏡觀察到薄膜的螺旋結(jié)構(gòu)K. Robbie, M. J. Brett, A. Lakhtakia.First thin film realization of a helicoidal biani

7、sotropic medium , J. Vac. Sci. Technol A, Vol.13:2991 (1995)雕塑薄膜的制備示意圖第32頁(yè)/共199頁(yè)34第33頁(yè)/共199頁(yè)35s 表示不同的入射方向，傾斜柱 表示薄膜的柱狀方向S偏振光的有效介電常數(shù)入射角無(wú)關(guān)的物理量，取決于柱狀結(jié)構(gòu)的方向等參量。但是P偏振光與入射方向及柱狀結(jié)構(gòu)的方向有關(guān)， 經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到P偏振光折射率的解析形式 。),(p WANG Jian-Guo, SHAO Jian-Da, FAN Zheng-Xiu, Chinese Physics Letters, 2005, 22(1): 221223第34頁(yè)/

8、共199頁(yè)36傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的三維示意圖，其中，d 為薄膜厚度(或光柵凹槽深度)； x,y為x軸和y軸方向的光柵周期；Lx,y是x方向和y方向光柵脊的寬度傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的截面示意圖，其中 為柱狀角的方向 WANG Jian-Guo, SHAO Jian-Da, and FAN Zheng-Xiu, Chinese Physics Letters, 2005, 22(1): 221223第35頁(yè)/共199頁(yè)37第36頁(yè)/共199頁(yè)38非常波在各向同性介質(zhì)與各向異性介質(zhì)界面處的入射波、反射波和折射波的示意圖 非常光波在雙折射薄膜內(nèi)部正向及反向傳播的波矢及光線方向示意圖 第37頁(yè)/共199頁(yè)39

9、0246810121416180102030405060708090 (deg)Incident angle (deg)n0=1.8, ne=1.5在雙折射薄膜與入射介質(zhì)界面產(chǎn)生同側(cè)折射現(xiàn)象時(shí)對(duì)應(yīng)的范圍隨入射角度的變化關(guān)系光線在兩個(gè)沿光軸成45度角切割的具有正折射率的單軸晶體界面出現(xiàn)的同側(cè)折射現(xiàn)象 Y. Zhang, B. Fluegel, A. Mascarenhas, Phys. Rev. Lett. 91, 157404 (2003) H.J. Qi, J.G. Wang, J.D. Shao, Z.X. Fan, Science in China, Ser. G, 2005, 48(5

10、): 513520 第38頁(yè)/共199頁(yè)40垂直入射條件下雙折射薄膜界面及內(nèi)部正向及反向傳播的電場(chǎng)示意圖 各向同性薄膜特征矩陣jjjjjjiicossinsincosjjjjdNcos2其中，對(duì)于p偏振光， 對(duì)于s偏振光， jjjNcos/jjjNcos第39頁(yè)/共199頁(yè)41利用電磁場(chǎng)切向連續(xù)條件，可以得到：)()(1)()(1biibiiaaabiibiiaaaEeeHeeHHHEeeHeeEEE其矩陣形式為：bbiiiiiiiiaaHEeeeeeeeeHE)(1特征矩陣同樣，上述結(jié)果可以推廣到多層薄膜H.J. Qi, D.P. Zhang, J.D. Shao and Z.X. Fan.

11、 “Matrix analysis of anisotropic optical thin film”, Europhysics Letters, 2005, 70(2): 257263 第40頁(yè)/共199頁(yè)42粒子在一維晶格上沉積及吸附示意圖，可能的吸附位置用(ad)表示 擴(kuò)散粒子最近鄰位置示意圖及編號(hào)第41頁(yè)/共199頁(yè)43 (a) 160K (b) 240K (c) 280K (d) 320K 不同沉積溫度下束流入射角為60時(shí)薄膜模擬結(jié)果 H.J. Qi, J.D. Shao, D. P. Zhang, K. Yi, Z.X. Fan, Applied Surface Science (

12、Accepted) 1201 10ZrH 040.5EEeV130.3EEeV20.4EeV第42頁(yè)/共199頁(yè)44夾具運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制示意圖 王建國(guó), 邵建達(dá), 范正修.夾具三維運(yùn)動(dòng)控制裝置, 發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)? 200410018497.6 王建國(guó),邵建達(dá), 范正修.鍍膜夾具的計(jì)算機(jī)控制裝置，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)柕?3頁(yè)/共199頁(yè)45 (a) =60 （b） =80 不同角度制備ZrO2薄膜的SEM結(jié)構(gòu)=60 時(shí), =33； =80 時(shí), =45第44頁(yè)/共199頁(yè)46(a)(d)(b)(c)柱體直徑在3050nm之間第45頁(yè)/共199頁(yè)47(a)(b)(c)(d)TiO2 薄膜斷面SEM結(jié)構(gòu)(

13、a) =60 (b) =70 (c) =75 (d) =80TiO2薄膜結(jié)構(gòu)與光性分析薄膜結(jié)構(gòu)與光性分析第46頁(yè)/共199頁(yè)48 (a) (b) (c) (d)GLAD TiO2 薄膜的表面SEM結(jié)構(gòu), (a) =60; (b) =70; (c) =75; (d) =80; 內(nèi)插圖為表面結(jié)構(gòu)的FFT變換。兩個(gè)耳朵的形貌表明GLAD表面具有各向異性的結(jié)構(gòu)。第47頁(yè)/共199頁(yè)49 TiO2薄膜：沉積角度為75，基片的旋轉(zhuǎn)速度分別為: (a)(a)(b)(c)第48頁(yè)/共199頁(yè)50第49頁(yè)/共199頁(yè)51 反射式相位延遲器能對(duì)入射偏振光的p, s分量的相位發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一定的相移，但是并不影

14、響其高的反射率。 相位延遲器（QWR）對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)在主角范圍內(nèi)，均能獲得相移，即對(duì)入射線偏振光產(chǎn)生相位變化，把線偏振光變成圓偏振光，反之亦然。 在具有波片功能的同時(shí)，還可用作光束相移轉(zhuǎn)向器件及光束相移平移器件。第50頁(yè)/共199頁(yè)52第51頁(yè)/共199頁(yè)53 入射角為54, 270相位延遲膜的透射率和相移特性第52頁(yè)/共199頁(yè)54入射角為45,全介質(zhì)層相位延遲膜的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)量與擬合曲線（該樣品的在1315nm處相移為，與設(shè)計(jì)要求的僅相差）129013001310132013301340264266268270272274 experiment designphase shift (degre

15、e)wavelength (nm)第53頁(yè)/共199頁(yè)55 雙波段相位延遲膜設(shè)計(jì)的光譜特性和相移特性曲線在需要達(dá)到85左右的反射率，相對(duì)于相移在設(shè)計(jì)光譜范圍內(nèi)的振蕩增大。第54頁(yè)/共199頁(yè)56500.0600700800900100011001200130014001500.0-0.15101520253035404550556065707581.9N M%T 130013051310131513201325133013351340255260265270275phase shift (deg)wavelength (nm) 雙波段相位延遲膜的測(cè)試的光譜特性和相移特性曲線 樣品在1315nm

16、處的相移值為，僅與設(shè)計(jì)值相差第55頁(yè)/共199頁(yè)57 單層膜的相位延遲第56頁(yè)/共199頁(yè)58第57頁(yè)/共199頁(yè)59對(duì)稱膜系pqp的矩陣推導(dǎo)11122122cossin/cossin/cossin/sincossincossincospppqqqppqpppqqqpqpiiiMMiiiMM11221coscos()sin2sin2qppqpqpqMM1211sin2cos()cos2sin()sin22qppqpqpqqppqqpiM2111sin2cos()cos2sin()sin22pqpqppqpqqqpqpMisincossincosiEiE單層膜的特征矩陣：第58頁(yè)/共199頁(yè)60

17、qpqppqqpsin2sin)(21cos2coscos1211sin2cos()cos2sin()sin2211sin2cos()cos2sin()sin22pqpqppqpqqqpqppqpqpqpqqqpqp 211221)(MME第59頁(yè)/共199頁(yè)61對(duì)于一個(gè)對(duì)稱周期膜系(PQP) SsinsincoscossincossincossiissEEiEiEsscoscos2cossin2sincos 21pqpqpqqp若qp若1cos是有條件的，該條件正好對(duì)應(yīng)截止區(qū)與透射區(qū)的分界線第60頁(yè)/共199頁(yè)62112sin,2sin,pqpqpqsqpqpqpg2qp1sin21cos2

18、2ppqqpp1212220ggp第61頁(yè)/共199頁(yè)630.00.51.01.52.02.53.00246810Equivalent Indexg 0.25L0.5H0.25L 0.5LH0.5L 0.75L1.5H0.75L L2HL禁帶區(qū)透射區(qū)第62頁(yè)/共199頁(yè)6412pqpqE120qpqE 1,pqqpqqEE 12pqpqE第63頁(yè)/共199頁(yè)6520202)/1/1(11nEnERTeffeff200)11(11nnRT(0.5LH0.5L)4 膜系產(chǎn)生的波紋膜系產(chǎn)生的波紋第64頁(yè)/共199頁(yè)66第65頁(yè)/共199頁(yè)67目標(biāo)：壓縮目標(biāo)：壓縮500nm附近的波紋附近的波紋第66頁(yè)

19、/共199頁(yè)68第67頁(yè)/共199頁(yè)69Glass/0.9(0.5HL0.5H)2 (0.5HL0.5H)9 0.99(0.5HL0.5H)3/Air第68頁(yè)/共199頁(yè)70400450500550600650700020406080100Transmittance(%)Wavelength(nm)400450500550600650700020406080100Transmittance(%)Wavelength(nm)綠色濾光片設(shè)計(jì)曲線圖（H(HLH2L)5 H7L，H: 2.3, L:1.45 ） 紅色濾光片設(shè)計(jì)曲線（，H:2.3 L:1.46 M:1.79 N:1.6 ） 第69頁(yè)/共

20、199頁(yè)71第70頁(yè)/共199頁(yè)72z)(k-tiexp)tkz(kcosE2z)(k-tiexpEz)(k-tiexpE) t (E) t (Ez)(kt i exp) t , z(A) t , z(E0022011021體現(xiàn)了光波能量的信息，表征了多個(gè)頻率成分的整體（群）行為 載波表征整個(gè)光波的相位信息，其傳遞速度被定義為相速度 gv第71頁(yè)/共199頁(yè)73受介質(zhì)折射率色散的影響，含有介質(zhì)折射率的波矢 )()(c)(n)(k其展開(kāi)式的一階系數(shù) 定義為群速度延遲gv1ddk)(k二階系數(shù) 定義為群速度色散通常情況下，利用下式表示對(duì)位相的整體關(guān)注：)(kz)(3033202200)(dd61)

21、(dd21)(dd)()(000GDGDDTOD第72頁(yè)/共199頁(yè)74高斯極限脈沖通過(guò)色散介質(zhì)的脈沖當(dāng)高斯極限脈沖通過(guò)色散介質(zhì)，會(huì)發(fā)生頻率啁啾，脈沖展寬。而鈦寶石是正色散介質(zhì)，加上自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)，在振蕩器里產(chǎn)生的光脈沖會(huì)發(fā)生上啁啾，也就是高頻成分滯后,脈沖同時(shí)被展寬。第73頁(yè)/共199頁(yè)75ibaibaerrerrr221cos2nd對(duì)于高反射膜，Rb=100%，令cndt/cos20則第74頁(yè)/共199頁(yè)76第75頁(yè)/共199頁(yè)77薄膜反射系數(shù)為：iYXtRRtRitRRr000cos21sin)1 (cos)1 (2薄膜反射率為：20022T-G)t(cosR2R1)t(cosR

22、2R1YXR反射光的相位變化 ：0011cos)1 (2sin)1 (tanXYtan)(tRRtR第76頁(yè)/共199頁(yè)780123456-2-1012/2 phase shift0123456-40-2002040/2GDD/fs20123456-12-10-8-6-4-2/2 GD/fs0123456-1000100200/2TOD/fs3時(shí)反射光的相位變化、群延遲時(shí)間、群延遲色散及三階色散 第77頁(yè)/共199頁(yè)7960070080090010001100150300450600GDD/fs2wavelength/nm60070080090010001100150300450600TOD/

23、fs2wavelength/nmCr:LiSAF晶體的GDD和TOD第78頁(yè)/共199頁(yè)8010203040500123456 optical thicknes/qwotlayer number SiO2 Ta2O5設(shè)計(jì)的G-T鏡的膜層結(jié)構(gòu)（左圖）及對(duì)3-mmCr:LiSAF晶體的正群延遲色散進(jìn)行補(bǔ)償后剩余群延遲色散（右圖）750800850900-2000200400600GDD/fs2wavelength/nm designed 3-mm Cr:LiSAF designed(times 4) average第79頁(yè)/共199頁(yè)81第80頁(yè)/共199頁(yè)82 群色散延遲和補(bǔ)償薄膜具有啁啾特性，

24、所以稱為啁啾鏡或啁啾薄膜。第81頁(yè)/共199頁(yè)83第82頁(yè)/共199頁(yè)84第83頁(yè)/共199頁(yè)85第84頁(yè)/共199頁(yè)86d ( )1 dln ( )d ( )d2 ( )2dn xn xr xxn xx對(duì)于折射率按一定規(guī)律分布的薄膜，在薄膜厚度處微分反射系數(shù)： 薄膜的反射系數(shù)：( )1dln ( )d2dikikxffn xrR eexx傅立葉變換形式反傅立葉變換：12()()0( )( )lndikkxn xiR keknk為了實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)的高反射，薄膜必須有rugate結(jié)構(gòu)，即：201 02( )exp lnexp() sin ()2HHLLnxn xn nx kc kn第85頁(yè)/共

25、199頁(yè)87由于光學(xué)薄膜的位相特性取決于光波在薄膜中行進(jìn)的路程，所以可以利用附加共振腔的方法獲得必要的群延遲色散率。共振腔層的存在可以誘導(dǎo)光波進(jìn)入膜層內(nèi)部，通過(guò)共振腔的數(shù)目及其在膜系中的位置可以改變共振波長(zhǎng)，因此可以調(diào)節(jié)不同級(jí)次延遲色散的大小和正負(fù)。第86頁(yè)/共199頁(yè)88第87頁(yè)/共199頁(yè)89-50-2502550751000.00.20.40.60.81.01.260080010000.00.20.40.60.81.0intensity/arb.units intensity/arb.unitstime delay/fswavelength/nm(b) 88nmn飛秒脈沖鎖模實(shí)驗(yàn)得到的1

26、5fs脈沖第88頁(yè)/共199頁(yè)90第89頁(yè)/共199頁(yè)91第90頁(yè)/共199頁(yè)92(a)基片基片處于拉伸狀態(tài)下的薄膜處于拉伸狀態(tài)下的薄膜(tf)fftF自由狀態(tài)下的薄膜自由狀態(tài)下的薄膜(b)M=Fts/2第91頁(yè)/共199頁(yè)93第92頁(yè)/共199頁(yè)94)2(tEbtFft厚度為t的膜層沉積在基底上時(shí)，由于力及瞬時(shí)力矩的平衡作用，所產(chǎn)生的沉積應(yīng)力可表示為： 其中，b為圓形基片的直徑， Ef為膜層的雙軸模量， 為薄膜基底復(fù)合體的中性軸位置，F(xiàn)為膜層沉積所引起的基底與膜層之間的大小相等方向相反的力熱應(yīng)力為A、B兩種材料與基底之間熱應(yīng)力的和，表示為：)()(1()(1()(01TTvEvEsBBBsA

27、AAthBthAth其中EA、EB，A、B，A、B分別為材料A和材料B的彈性模量、泊松比及熱膨脹系數(shù) 第93頁(yè)/共199頁(yè)95第94頁(yè)/共199頁(yè)96零應(yīng)力點(diǎn)零應(yīng)力點(diǎn)沉積溫度對(duì)ZrO2薄膜應(yīng)力影響沉積溫度對(duì)SiO2薄膜應(yīng)力影響第95頁(yè)/共199頁(yè)97第96頁(yè)/共199頁(yè)98n光學(xué)薄膜概況n光學(xué)薄膜一般性質(zhì)u光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用n激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞第97頁(yè)/共199頁(yè)99第98頁(yè)/共199頁(yè)100第99頁(yè)/共199頁(yè)101第100頁(yè)/共199頁(yè)102GHHLm/GHLm/2212111sHmLHsHmLHnnnnnnnnR211smLHsmLHnnnnnnRLHLHEEEnnnng1

28、0sin2第101頁(yè)/共199頁(yè)103222211knknR金屬反射膜的反射率：利用低折射率材料，先把金屬光學(xué)常數(shù)中的虛部轉(zhuǎn)化為0，然后再鍍介質(zhì)反射膜后的反射率為：222222knnnnknnnRmHmLmHmHmH臨近金屬層的低折射率層的厚度為：LLLdn042222LLoLnknkntg第102頁(yè)/共199頁(yè)104第103頁(yè)/共199頁(yè)105脈沖寬帶對(duì)反射膜性能的影響第104頁(yè)/共199頁(yè)106第105頁(yè)/共199頁(yè)107此方法設(shè)計(jì)減反薄膜時(shí)比較直觀，其前提條件為：膜層中無(wú)吸收層薄膜特性可以近似的由界面處單次反射來(lái)決定。界面處振幅反射系數(shù)為：薄膜單層的位相厚度為：考慮到膜層的位相延遲，則反

29、射系數(shù)為：第106頁(yè)/共199頁(yè)108符號(hào)定義及旋轉(zhuǎn)方向第107頁(yè)/共199頁(yè)109n 雙層增透膜l 膜系結(jié)構(gòu)：A/LH/G l 折射率之間的關(guān)系22020nnnnnnRss02122nnnns第108頁(yè)/共199頁(yè)110第109頁(yè)/共199頁(yè)111第110頁(yè)/共199頁(yè)11240060080010001200024681012Reflectance (%)Wavelength (nm)300400500600700800900100011001200024681012Reflectance (%)Wavelength (nm)2004006008001000120002468101214Re

30、flectance (%)Wavelength (nm)第111頁(yè)/共199頁(yè)113濾光片n長(zhǎng)通和短通截止濾光片第112頁(yè)/共199頁(yè)114膜系結(jié)構(gòu)： GLRRGGHRRG/2/2/2112212111iiiieReTerett212121sin4)1 (RRTT01， cos20nd第113頁(yè)/共199頁(yè)115當(dāng) , 時(shí)， k21m02121max)1 (RTT當(dāng) 1RT時(shí)， 1maxT當(dāng) ART1時(shí)， 211max)1 (1TAT第114頁(yè)/共199頁(yè)116第115頁(yè)/共199頁(yè)117 80090010001100120001020304050607080901001064Transimi

31、ttance (%)wavelength (nm)第116頁(yè)/共199頁(yè)118雙腔濾光片, 膜系結(jié)構(gòu)：G/(HL)8H 2H H(LH)8 L(HL)8H 2H H(LH)8第117頁(yè)/共199頁(yè)119第118頁(yè)/共199頁(yè)120第119頁(yè)/共199頁(yè)121兩種偏振態(tài)光波分離原因： 等效導(dǎo)納發(fā)生變化等效導(dǎo)納發(fā)生變化正入射傾斜入射ncosncos/n)cos(2ndnd2p-偏振s-偏振第120頁(yè)/共199頁(yè)122圖1，圖2分別表示入射介質(zhì)分別為空氣、玻璃（）時(shí) 不同材料的p, s光修正導(dǎo)納隨入射角度變化的情況圖 1 圖 2 第121頁(yè)/共199頁(yè)123為了對(duì)兩種不同材料滿足布儒斯特角條件，P光

32、等效折射率必須相等： HHLLnncoscos同時(shí)由折射定律： 00HHLLn sinn sinn sinL可以得到： 22L2HLnn第122頁(yè)/共199頁(yè)124空氣中入射角度為0時(shí)的光譜曲線空氣中入射角度為13度時(shí)的光譜曲線棱鏡型偏振分光設(shè)計(jì)棱鏡型偏振分光設(shè)計(jì)第123頁(yè)/共199頁(yè)125空氣中入射角度為13時(shí)的光譜曲線實(shí)物圖片及光路傳輸棱鏡型偏振分光設(shè)計(jì)棱鏡型偏振分光設(shè)計(jì)第124頁(yè)/共199頁(yè)126LLHHLLHHsnnnngcoscoscoscossin21LLHHLLHHpnnnngcos/cos/cos/cos/sin21工作波區(qū)為： psgg第125頁(yè)/共199頁(yè)127 1000.

33、01010102010301040105010601070108010901100.00.05101520253035404550556065707580859095100.0NM%T 1064.0,99.1391064.0,0.14073 第126頁(yè)/共199頁(yè)1280.91.01.11.21.3020406080100 p-polarization s-polarization Transmittance (%) (m)p偏振分量膜系結(jié)構(gòu)為92. 1pHonn3 . 2sHenn46. 1pLonn56. 1sLenn第127頁(yè)/共199頁(yè)129第128頁(yè)/共199頁(yè)130222002/c

34、os11sincoscos(1)psnnnnn 定義偏振分離量 為：對(duì)于(H/2LH/2)組合，在20若低折射率的值是高折射率值的三次方時(shí)，該膜層組合在該波長(zhǎng)處無(wú)偏振分離處/pHHLsEEnnnE 第129頁(yè)/共199頁(yè)131光波在介質(zhì)中的傳播是橫波，但光波在金屬中就不再是純橫波，它還有一部分是縱波，因此偏振效應(yīng)比較小，并且金屬膜的中性好，所以采用介質(zhì)-金屬-介質(zhì)消偏振膜系比全介質(zhì)消偏振薄膜具有更優(yōu)良的特性。金屬膜P偏振反射率最小值可近似表示為：純AG反射率和波長(zhǎng)關(guān)系曲線 第130頁(yè)/共199頁(yè)132其次是設(shè)計(jì)Ag膜兩側(cè)得匹配膜系，銀膜兩側(cè)介質(zhì)材料相同，入射角相同，對(duì)于同一厚度的銀膜來(lái)說(shuō)，介質(zhì)

35、折射率越高，偏振效應(yīng)越小。 AG+匹配介質(zhì) 反射率和波長(zhǎng)關(guān)系曲線 第131頁(yè)/共199頁(yè)133一般為了進(jìn)一步減少偏振效應(yīng)，需要插入中間折射率材料，比如選用MgO, MgF2材料，然后采用Needle方法進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，一個(gè)12層膜系設(shè)計(jì)結(jié)果如下（45入射）：第132頁(yè)/共199頁(yè)134棱鏡中單層膜的反射 122 12 122 122 12 122)(4)()(4)(shdcchshdcRshdcchshdcRpppppsssss發(fā)生FTIR時(shí)， 12 122 12 1224)(4)(chshdcRchshdcRpppsss第133頁(yè)/共199頁(yè)13540050060070005101520253

36、035404550556065707580859095100d1=40nmd1=60nmRsRpRpRsReflectance/%wavelength/nmRpRsd1=90nm d1取不同厚度值時(shí)的p, s兩種偏振光的反射率曲線(n0、n1，入射角度為45)40050060070005101520253035404550556065707580859095100d1=40nmd1=70nmRSRSRpRpReflectance/%wavelength/nmRpRSd1=120nmd1取不同厚度值時(shí)的p, s兩種偏振光的反射率曲線(n0、n1，入射角度為45)第134頁(yè)/共199頁(yè)136400

37、450500550600650700020406080100Reflectance/%wavelength/nmRpRs入射角度為45時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)果，其中nA=n0=2.4 nB400450500550600650700020406080100Reflectance/%wavelength/nmRpRs入射角度為62時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)果，其中nA=n0=1.81 nB第135頁(yè)/共199頁(yè)137第136頁(yè)/共199頁(yè)138正晶體光軸eonn n0ngkikoke0oe在這種特殊情況下，兩種偏振態(tài)光波分離，且在界面均遵守 Snell定律界面 1界面 2)/sinarcsin(00oonn)/sinarcsin

38、(00eenn折射率折射角度onenp :s :第137頁(yè)/共199頁(yè)139如同各向同性薄膜，在消偏振分截止濾光片及帶通濾光片中經(jīng)常利用高低折射率交替膜堆 HLH 基底H-折射率層H-折射率層L-折射率層),(pHsHnn),(pLsLnn第138頁(yè)/共199頁(yè)140)cos(2pLLpLpLdn正入射斜入射H-層sHnpHnsHsHncossLsLncospHpHncos/pLpLncos/sLnpLn)cos(2sHHsHsHdn)cos(2pHHpHpHdnHsHsHdn2HpHpHdn2LsLsLdn2LpLpLdn2L-層)cos(2sLLsLsLdn第139頁(yè)/共199頁(yè)141對(duì)于

39、兩種偏振態(tài)，高低折射率比值分別為：sLsLsHsHnncoscospHpLplpHnncoscoss-偏振光p-偏振光為了實(shí)現(xiàn)消偏振薄膜設(shè)計(jì)，必須滿足下列方程：pHpLplpHnncoscossLsLsHsHnncoscospHcospLcossHpHsHnncossLpLsLnncos因此，折射率調(diào)整須滿足：pHsHnnpLsLnn第140頁(yè)/共199頁(yè)1420.91.01.11.21.3405060708090100 p-polarization s-polarization Transmittance (%)Wavelength (m)對(duì)于p偏振光，膜系的結(jié)構(gòu)為 1.52/(HL)15

40、H/1.0 585. 1pHn553. 1sHn479. 1pLn510. 1sLnH.J. Qi, R.J. Hong, K. Yi, J.D. Shao, Z.X. Fan, “Non-polarizing beam splitter design”, Europhysics Letters, 2004, 67 (5): 859-865 第141頁(yè)/共199頁(yè)1430.750.800.850.900.951.00020406080100 p-polarization s-polarization Transmittance (%)Wavelength (m)對(duì)于s偏振光波，薄膜結(jié)構(gòu)為：1.

41、52/0.8620H 0.3698L 1.3012H 0.7343L 1.3777H 0.6182L(HL)11 09. 2pHn97. 1sHn39. 1pLn42. 1sLn第142頁(yè)/共199頁(yè)1440.880.890.900.910.920.020.040.060.080.0100.0 p-polarization s-polarization Transmittance (%) Wavelength () (um) 對(duì)于p-偏振光，膜系為： 1.52/(HL)10 H 2L (HL)10 H L (HL)10 H 2L (HL)10 92. 1pHn46. 1pLn809. 1sHn

42、525. 1sLn4545 消偏振寬帶通濾光片消偏振寬帶通濾光片第143頁(yè)/共199頁(yè)1450.800.850.900.951.001.050.020.040.060.080.0100.0 p-polarization s-polarization Transmittance (%) Wavelength (um)對(duì)于p-偏振光，膜系為：/1.5037H 2.5875L 2.1166H 1.0280L 0.9722H 1.0141L H (HLHLHLH)492. 1pHn46. 1pLn84. 1sHn54. 1sLnH.J. Qi, R.J. Hong, K. Yi, J.D. Shao,

43、 Z.X. Fan, “Non-polarizing and polarizing filter design”, Appl. Opt., 2005, 44(12): 2343-2348 第144頁(yè)/共199頁(yè)146第145頁(yè)/共199頁(yè)147400.0500600700800900100011001200130014001500.00.05101520253035404550556065707580859096.2NM%T 消半波孔的短波通薄膜的制備第146頁(yè)/共199頁(yè)148 70080090010001100120013000204060801000.00946T(%)wavelengt

44、h nmT=93.65%R=99.954%第147頁(yè)/共199頁(yè)149 90095010001050110011501200020406080100Transmittance(%)wavelength(nm)T1030=0.01T940=97.73T980=93.63第148頁(yè)/共199頁(yè)150第149頁(yè)/共199頁(yè)151鍍膜室內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖及薄膜中心1800直徑的電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)第150頁(yè)/共199頁(yè)152第151頁(yè)/共199頁(yè)153第152頁(yè)/共199頁(yè)154第153頁(yè)/共199頁(yè)155第154頁(yè)/共199頁(yè)156第155頁(yè)/共199頁(yè)157第156頁(yè)/共199頁(yè)158第157頁(yè)/共199頁(yè)

45、159第158頁(yè)/共199頁(yè)1601、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、二向色鏡，4、反射鏡，5、X棱鏡，6、液晶光閥，7、投影透鏡第159頁(yè)/共199頁(yè)1611、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、場(chǎng)透，4、色輪，5、光導(dǎo)管，6、反射鏡，7、TIR光門，8、DMD芯片，9、投影鏡頭第160頁(yè)/共199頁(yè)1621、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、場(chǎng)透鏡，4、二向色鏡，5、折疊反射鏡，6、偏振分束鏡，7、LCOS面板，8、X棱鏡，9、投影鏡頭第161頁(yè)/共199頁(yè)163第162頁(yè)/共199頁(yè)164第163頁(yè)/共199頁(yè)165第164頁(yè)/共199頁(yè)166 激光對(duì)光學(xué)薄膜的損傷過(guò)程包含了激光作用的光學(xué)力學(xué)

46、過(guò)程、場(chǎng)擊穿過(guò)程等，但最基本的還是熱過(guò)程，光通過(guò)本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線性吸收轉(zhuǎn)化為熱，由熱熔融或熱力耦合導(dǎo)致薄膜的最終損傷。第165頁(yè)/共199頁(yè)167)/exp(220arII)44exp()4(),(222220aDrDxaDDcaJtzrTtttt設(shè)激光強(qiáng)度是高斯分布，則a為高斯半徑，時(shí)間為瞬間作用時(shí)，薄膜溫升： I0和J0分別是x=0, r=0時(shí)的功率密度和能量密度，Dt為熱擴(kuò)散長(zhǎng)度，為吸收系數(shù)。對(duì)于一般材料,=2/. 第166頁(yè)/共199頁(yè)168第167頁(yè)/共199頁(yè)169第168頁(yè)/共199頁(yè)170第169頁(yè)/共199頁(yè)171第170頁(yè)/共199頁(yè)172雙腔窄帶干涉濾光片的駐波場(chǎng)

47、模擬第171頁(yè)/共199頁(yè)1730501001502002503000500100015002000Temperature rise above ambient (K)Vertical distance from surface (nm) k=0.02 k=0.015 k=0,01 d=4nm表面吸附層厚度對(duì)TiO2單層膜溫度場(chǎng)分布的影響 05010015020025030005001000150020002500Temperature rise above ambient (K)Vertical distance from surface (nm) d=2nm d=4nm d=0nm k=0

48、.015表面吸附層消光系數(shù)對(duì)TiO2單層膜溫度場(chǎng)分布的影響第172頁(yè)/共199頁(yè)174 05001000150020002500050100150200250300350400Temperature rise above ambient(K)Verticl distance from surface(nm) without adheision& interface absorption layer 0500100015002000020040060080010001200 with adheision& interface absorption layerTemperature

49、 rise above ambient(K) Verticl distance from surface(nm)不考慮表面及界面吸收的溫度場(chǎng)考慮界表面吸附、界面吸收的溫度場(chǎng)第173頁(yè)/共199頁(yè)175 1064nm 1050nm 1015nm 978nm 第174頁(yè)/共199頁(yè)176 缺陷是薄膜結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的成分，從幾何形態(tài)上看，缺陷可以是空洞和結(jié)瘤空洞和結(jié)瘤，從其功能上看，應(yīng)包括：結(jié)結(jié)構(gòu)缺陷、雜質(zhì)缺陷、化學(xué)缺陷、力學(xué)缺陷、電致缺陷構(gòu)缺陷、雜質(zhì)缺陷、化學(xué)缺陷、力學(xué)缺陷、電致缺陷等。 鑒于缺陷的組分形狀千變?nèi)f化，所以處理起來(lái)相當(dāng)困難，對(duì)于雜質(zhì)缺陷一般理解為吸收缺陷吸收缺陷，為了便于處理把吸收缺陷

50、當(dāng)作小球處理把吸收缺陷當(dāng)作小球處理。 第175頁(yè)/共199頁(yè)177雜質(zhì)熱傳導(dǎo)方程的精確解 yybyyycydyaryyyyerabarKKaKITrtyhiip22222022sin)cossin()/sin()cos(sin216131432iar2其中ihKKc12/1)/)(/(hiihKKb 從以上方程可以看出，由雜質(zhì)吸收引起的薄膜溫升與薄膜溫升與激光的強(qiáng)度分布、雜質(zhì)吸收截面和激光脈沖寬度激光的強(qiáng)度分布、雜質(zhì)吸收截面和激光脈沖寬度密切相關(guān)，從薄膜破壞角度出發(fā)更關(guān)心r=a附近的溫升，當(dāng)該處溫升達(dá)到臨界溫度Tc時(shí)，對(duì)應(yīng)的激光能量Itl為薄膜的破壞閾值。 第176頁(yè)/共199頁(yè)178 雜質(zhì)缺陷的急劇加熱可能發(fā)展成熱爆炸過(guò)程，這個(gè)過(guò)程從缺陷內(nèi)部發(fā)生，在缺陷迅速升溫到數(shù)千度的高溫時(shí)，雜質(zhì)材料急劇氣化并形成很大的內(nèi)壓強(qiáng)，這種爆炸雜質(zhì)材料急劇氣化并形成很大的內(nèi)壓強(qiáng)，這種爆炸力向薄膜的外層發(fā)展，首先使