薄膜光學(xué)基礎(chǔ)

薄膜光學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四n3n2n1d當(dāng)振幅為E0的單色平面波正入射時(shí)，各反射光的復(fù)振幅為：第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四其中：是光波在薄膜內(nèi)來回一次引入的相位延遲（不考慮半波損失）。疊加之后總的復(fù)振幅：總的反射系數(shù)：第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四上式在推導(dǎo)過程中使用了斯托克斯倒逆關(guān)系式：因此總反射率：下面我們分析一下反射率R。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四令n1＝1，n3＝1.5作圖。0.04第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四或的情形(1)此時(shí)沒有半波損失，反射率總小于4％，這種薄膜有增透或減反作用。當(dāng)或時(shí)，反射率最高，相當(dāng)于沒有鍍膜。當(dāng)時(shí)，此時(shí)反射率最小，透過率最大：第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)滿足下面條件時(shí)，R＝0，消反射：單層增透膜的缺點(diǎn)：1.增透帶寬窄。2.材料限制。第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四或的情形(2)此時(shí)有半波損失，反射率總大于4％，這種薄膜有增反作用。當(dāng)或時(shí)，反射率最低，相當(dāng)于沒有鍍膜。當(dāng)時(shí)，此時(shí)反射率最大，透過率最大：第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四此時(shí)膜層厚度：對于單層增反膜，鍍膜材料折射率越大越好。2雙層膜設(shè)計(jì)光學(xué)薄膜計(jì)算量很大，現(xiàn)在都是借助計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)。在實(shí)踐設(shè)計(jì)中多采用光程先決法。即先把膜層的光學(xué)厚度定為λ。/4，然后再確定材料。第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四g123介紹一種等效界面法。先考慮由基底g和膜層3組成的單層膜系統(tǒng)。由式(3-225)可得，此單層膜系統(tǒng)的反射系數(shù)：由于是λ。/4膜系，所以：第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四g123再考慮由膜層2和反射系數(shù)為的等效膜層(3,g)組成的“單層膜”系統(tǒng)。這樣，此“單層膜”系統(tǒng)的反射系數(shù)：最后得到雙層膜系統(tǒng)的反射系數(shù)：第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四考慮到正入射的菲涅耳系數(shù)：令r＝0，可得雙層減反膜的材料折射率條件：或第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四等效折射率單層增反膜的反射率：12312分界面的反射率：等效折射率：第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四3多層增反膜常用的多層高反膜是由光學(xué)厚度nd都是λ0/4的高折射率膜層和低折射率膜層交替鍍制的膜系，可表示為：GHLHL…HLHA＝G(HL)pHAp=1,2,3…其中，G和A分別代表玻璃基片和空氣；H和L分別代表高折射率膜層和低折射率膜層；p表示一共有p組高低折射率交替層，總膜層數(shù)為(2p+1)。半波長的光學(xué)厚度應(yīng)寫成HH或LL。第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四λ0/4膜系的多層高反射膜示意圖GHLHL…HLHA＝G(HL)pHA第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四這種膜系之所以能獲得高反射率，從多光束干涉原理看是容易理解的：根據(jù)平板多光束干涉的討論，當(dāng)膜層兩側(cè)介質(zhì)的折射率大于(或小于)膜層的折射率時(shí)，若膜層的諸反射光束中相繼兩光束的相位差等于π(λ0/4膜系），則該波長的反射光獲得最強(qiáng)烈的反射。而上圖所示的膜系恰恰能使它包含的每一層膜都滿足上述條件，所以入射光在每一膜層上都獲得強(qiáng)烈的反射，經(jīng)過若干層的反射之后，入射光就幾乎全部被反射回去。

這種膜系的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算和制備工藝簡單，鍍制時(shí)容易采用極值法進(jìn)行監(jiān)控；缺點(diǎn)是層數(shù)多，R不能連續(xù)改變。目前發(fā)展了一種非λ0/4膜系，即每層膜的光學(xué)厚度不是λ0/4，具體厚度要由計(jì)算確定。其優(yōu)點(diǎn)是只要較少的膜層就能達(dá)到所需要的反射率，缺點(diǎn)是計(jì)算和制備工藝較復(fù)雜。第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四由圖，若在基片G上鍍一層λ0/4的高折射率光學(xué)膜，其反射率為式中是鍍第一層膜后的等效折射率。若在高折射率膜層上再鍍一層低折射率膜層，其反射率為第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四式中是鍍雙層膜后的等效折射率。依此類推，當(dāng)膜層為偶數(shù)(2p)層時(shí)，(HL)p膜系的等效折射率為相應(yīng)的反射率為第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)膜層為奇數(shù)(2p+1)層時(shí)，(HL)pH膜系的等效折射率為：相應(yīng)的反射率為：第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四下表列出了多層膜的等效折射率、反射率和透射率(不計(jì)吸收)的計(jì)算值。計(jì)算數(shù)據(jù)為：nA=1,nG=1.52,nH=2.3(ZnS),nL=1.38(MgF2)。多層膜的反射率和透射率第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期四

由上述計(jì)算結(jié)果可見：

①要獲得高反射率，膜系的兩側(cè)最外層均應(yīng)為高折射率層(H層)，因此，高反射率膜一定是奇數(shù)層。

②λ0/4膜系為奇數(shù)層時(shí)，層數(shù)愈多，反射率R愈大。③上述膜系的全部結(jié)果只對一種波長λ0成立，這個(gè)波長稱為該膜系的中心波長。當(dāng)入射光偏離中心波長時(shí)，其反射率要相應(yīng)地下降。因此，每一種λ0/4膜系只對一定波長范圍的光才有高反射率，如下圖所示。圖中給出了幾種不同層數(shù)的ZnS-MgF2λ0/4(λ0=0.46μm)膜系的反射特性曲線?？梢钥闯觯S著膜系層數(shù)