物理光學與應用光學——第2章-4.ppt

1、,光學薄膜 在透明的平整玻璃基片或金屬光滑表面上，用物理或化學方法涂敷的透明介質薄膜。,作用：滿足不同光學系統(tǒng)對反射率和透射率的不同要求。,2.3 光學薄膜,光學薄膜這門學科已成為現(xiàn)代光學不可缺少的一個重要組成部分，沒有光學薄膜，許多現(xiàn)代光學裝置便無法發(fā)揮效能，失去作用，無論在提高或降低反射率、吸收率與透射率方面，在使光束分開或合并方面，或者在分色方面，在使光束偏振或檢偏方面，以及在使某光譜帶通過或阻滯方面，在調整位相方面等等，光學薄膜均起著至關重要的作用。 總之，薄膜在許多場合都扮演關鍵腳色。薄膜器件的輕巧靈便、穩(wěn)定給它帶來更廣闊的應用 ：窄帶濾光片光柵單色儀,三十年代中期德國的鮑爾和美國的

2、斯特朗先后用真空蒸發(fā)方法制備了單層減反射膜，這種簡單的減反射膜至今在一般的光學裝置上還被大量地應用。 折射率為152的玻璃敷有折射率為138的氟化鎂薄膜后，單面的反射損失可從4.2%減少到15%左右，例如7塊平板系統(tǒng)鍍膜后，在參考波長上總的透射率可近似地估計為： T(097)7807% 未鍍膜： T=(0.92)7=55.7% 這比沒有經過鍍膜處理的系統(tǒng)提高了約25的透射能量,與鍍膜技術密切相關的產業(yè),鍍膜眼鏡 幕墻玻璃 濾光片 ITO膜 車燈、冷光鏡、舞臺燈光濾光片 光通信領域：DWDM、光纖薄膜器件 紅外膜 投影顯示,2.3 光學薄膜,2.3.1 光學薄膜的反射特性,2.3.2 干涉濾光片

3、,在玻璃基片的光滑表面上鍍上一層折射率和厚度都均勻的透明介質薄膜。,一、單層膜,2.3.1 光學薄膜的反射特性,r1 薄膜上表面的反射系數(shù) r2 薄膜下表面的反射系數(shù),類似于平行平板的多光束干涉，單層膜的反射系數(shù)：, 相鄰兩個出射光束間的相位差, r 單層膜反射系數(shù)的相位因子,2.3.1 光學薄膜的反射特性,一、單層膜,則單層膜的反射率 R,2.3.1 光學薄膜的反射特性,一、單層膜,反射率,當光束正入射到薄膜上時，薄膜兩表面的反射系數(shù)：,2.3.1 光學薄膜的反射特性,一、單層膜,介質膜反射率 R 隨光學厚度 n1h 的變化,2.3.1 光學薄膜的反射特性,一、單層膜, n1 n2時，R R

4、0，單層膜的反射率較未鍍膜時減小，透過率增大，具有增透的作用，稱為增透膜。, n1=n0 或 n1=n2時，R = R0 4.3%,當n1 n2且 n1h =0/4 時，R = Rm，有最好的增透效果。最小反射率為,特別 時，Rm = 0 完全增透。,2.3.1 光學薄膜的反射特性,一、單層膜,2.3.1 光學薄膜的反射特性,一、單層膜,單層氟化鎂膜的反射率隨波長和入射角的變化,？,光束斜入射到薄膜上時，薄膜上表面的反射系數(shù)：,則形式上與正入射時的表達式相同，,稱為有效折射率。,s 分量以 代替,p分量以 代替,2.3.1 光學薄膜的反射特性,一、單層膜, n1 n2時，R R0，反射率比未鍍

5、膜時增大，即該單層膜具有增反的作用，稱為增反膜。,當n1 n2 且 n1h = 0/4 時，R = RM，有最好的增反效果，其最大反射率,盡管RM與Rm形式上相同，但因 n1 取值不同，對應的反射率 R ，一個是最大，一個是最小。,2.3.1 光學薄膜的反射特性,一、單層膜,這說明，對于波長0的光，膜層厚度增加 (或減小) 0/2，對反射率沒有影響。, 對于n1h = 0/2的半波長膜，不管膜層折射率比基片折射率大還是小，單層膜對0 的反射率都和未鍍膜時的基片反射率相同，R = 4.3%，即,2.3.1 光學薄膜的反射特性,一、單層膜,1.結構,0/4 膜系示意圖,采用光學厚度均為 0/4的高

6、折射率膜層和低折射率膜層稱為0/4 膜系，通常采用符號表示為,p = 1, 2, 3,二、多層膜,2.3.1 光學薄膜的反射特性, 0/4 膜系 每層膜的光學厚度是0/4，其優(yōu)點是計算和制備工藝簡單，鍍制時容易采用極值法進行監(jiān)控；缺點是層數(shù)多，R不能連續(xù)改變。,非0/4 膜系 每層膜的光學厚度不是0/4，具體厚度要由計算確定。其優(yōu)點是只要較少膜層就能達到所需要的反射率，缺點是計算和制備工藝較復雜。,只討論 0/4 膜系。,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,高反射膜反射率的一般計算十分復雜，對于0/4 膜系，由于膜層光學厚度已經選定，可以簡單地采用等效折射率法，把一個多層膜的問題變成單

7、層膜的問題。,2. 反射率R（膜系的反射率）,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,把單層膜系看成是具有折射率為 nI 的一個“新基片”， nI 為等效折射率?！靶禄迸c n0 的新界面稱為等效面。,（1）單層的0/4 膜等效折射率 (空氣到玻璃),2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,正入射時，對于給定的波長 0，其反射率為,則,引入等效折射率,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,（1）單層的0/4 膜等效折射率 (空氣到玻璃),（2）多層 0/4膜系的等效折射率和反射率,第一層：,第二層：,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,依此類推，當膜層為偶數(shù)(2p)層時

8、，(HL)p膜系的等效折射率為,相應的反射率為,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,（2）多層 0/4膜系的等效折射率和反射率,當膜層為奇數(shù)(2p+1)層時，(HL)p膜系的等效折射率為,相應的反射率為,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,（2）多層 0/4膜系的等效折射率和反射率,表2-1 多層膜的反射率和透射率,與真實折射率不同，等效折射率可以小于1，其取值范圍可以很大。,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜, 要獲得高反射率，膜系的兩側最外層均應為高折射率層(H層)，因此，高反射率膜一定是奇數(shù)層。,結論 ：, 0/4膜系為奇數(shù)層時，層數(shù)愈多，反射率 R 愈大。, 上

9、述膜系的全部結果只對一種波長 0 成立，這個波長稱為該膜系的中心波長。當入射光偏離中心波長時，其反射率相應地下降。,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,幾種不同層數(shù)的0/4膜系的反射率曲線,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,R 下降到1/2處時的寬度為反射帶寬。,式中g = 0/ 。由此可見，反射帶寬g只與nH/nL有關， nH/nL愈大，帶寬就愈大。,2.3.1 光學薄膜的反射特性,二、多層膜,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,濾光片的作用只讓某一波段范圍的光通過。,性能指標 中心波長0 透光率最大(TM)時的波長； 透射帶的波長半寬度透過率為最大值一半處的波 長范圍

10、1/2 ； 峰值透過率TM,1、法布里-珀羅型干涉濾光片,全介質干涉濾光片,金屬反射膜干涉濾光片,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,正入射時，透射光產生極大的條件為, 濾光片的中心波長,2nh = m m = 1, 2, 3, ,濾光片的中心波長,相鄰干涉級 (m = 1) 的中心波長差, = 2m m = 1, 2, 3, ,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,1、法布里-珀羅型干涉濾光片,m、R 愈大，1/2愈小，干涉濾光片的輸出單色性愈好。, 透射帶的波長半寬度,或,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,1、法布里-珀羅型干涉濾光片,對應于透射率最大的中心 波長的透射光強與入射光強

11、之比,考慮膜層的吸收損耗，透射光干涉圖樣強度, 峰值透射率 TM,(2.4-3),得,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,1、法布里-珀羅型干涉濾光片,一種典型的多層介質膜干涉濾光片透射率曲線,1、法布里-珀羅型干涉濾光片,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,幾種干涉濾光片的特性,1、法布里-珀羅型干涉濾光片,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,膜厚變化對截止帶的影響,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,2、紅外濾光片,依據(jù)多層高反射膜的反射率光譜特性，膜厚的變化將改變截止帶的位置。,如果 nh = 0.22m，則反射紅外線而透過可見光。,如果 nh = 0.13m，膜系反射可見光而透

12、過紅外光。,在玻璃上鍍高折射率薄膜，可以增大反射率，當光束斜入射時，其反射率的大小因 p 分量和 s 分量而異，并且在某個入射角上，反射光中的p分量可以變?yōu)榱?。所以，與只有玻璃板的情況相似，這種高反膜也可以起到偏振元件的作用，,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,3、偏振濾光片,利用物質對光波的選擇性吸收進行濾光。例如：紅、綠玻璃以及各種有色液體等。,如果光的 吸收較大，且吸收系數(shù)隨波長有顯著變化，稱為選擇性吸收。,如對紅光和橙光吸收少，而對綠光、藍光和紫光幾乎全部吸收。,2.3.2 干涉濾波器（干涉濾光片）,4、吸收濾光片,2.4 典型干涉儀,2.4.1 邁克爾遜干涉儀 2.4.2 馬赫-

13、澤德干涉儀 2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,2.4.1 邁克爾遜干涉儀,相對于半反射面A，作出平面反射鏡M2的虛像M2。于是可以認為觀察系統(tǒng) L 所觀察到的干涉圖樣，是由實反射面M1和虛反射面M2構成的虛平板產生的，虛平板的厚度和楔角可通過調節(jié)M1和M2反射鏡控制。,因此，邁克爾遜干涉儀可以產生厚的或者薄的平行平板(M1和M2 平行)和楔形平板(M1和M2 有一小的夾角)的干涉現(xiàn)象。擴展光源可以是單色性很好的激光，也可以是單色性很差的(白光)光源。,2.4.1 邁克爾遜干涉儀,調節(jié)M2，使M2與M1平行，觀察到的干涉圖樣是一組在無窮遠處(或在L的焦平面上)的等傾干涉圓環(huán)。 當M1向M2移動時(

14、虛平板厚度減小)，圓環(huán)條紋向中心收縮，并在中心一一消失。 M1每移動 的距離，在中心就消失一個條紋。,2.4.1 邁克爾遜干涉儀,根據(jù)條紋消失的數(shù)目，可確定M1移動的距離。根據(jù)(2-26)式，此時條紋變粗(因為h變小，eN變大)，同一視場中的條紋數(shù)變少。,M1與M2完全重合時，各個方向入射光的光程差均相等，所以視場均勻。M1逐漸離開M2時，條紋不斷從中心冒出，且隨虛平板厚度的增大，條紋越來越細越密。,2.4.1 邁克爾遜干涉儀,如果調節(jié)M2，使M2與M1相互傾斜一個很小的角度，且當M2與M1比較接近，觀察面積很小時，所觀察到的干涉圖樣近似是定域在楔表面上或楔表面附近的一組平行于楔邊的等厚條紋。

15、在擴展光源照明下，如果M1與M2的距離增加，則條紋將發(fā)生彎曲，彎曲的方向是凸向楔棱一邊，同時條紋可見度下降。,干涉條紋彎曲的原因如下： 如前所述，干涉條紋應當是等光程差線,當入射光不是平行光時，對于傾角較大的光束，若要與傾角較小的入射光束等光程差，其平板厚度應增大(這可由 看出)。,2.4.1 邁克爾遜干涉儀,由圖2-33可見，靠近楔板邊緣的點對應的入射角較大，因此，干涉條紋越靠近邊緣，越偏離到厚度更大的地方，即彎曲方向是凸向楔棱一邊。在楔板很薄的情況下，光束入射角引起的光程差變化不明顯，干涉條紋仍可視作一些直線條紋。對于楔形板的條紋，與平行平板條紋一樣，M1每移動一個 /2 距離，條紋就相應

16、地移動一個。,補償板G2的作用：消除兩束光和的不對稱性。,對于單色光照明，這種補償并非必要； 觀察白光條紋時，補償板不可缺少。,2.4.1 邁克爾遜干涉儀,激光比長儀示意簡圖,1. 激光比長儀,應用舉例,2.4.1 邁克爾遜干涉儀,2. 光纖邁克爾遜干涉儀,應用舉例,2.4.1 邁克爾遜干涉儀,馬赫-澤德干涉儀,2.4.2 馬赫-澤德干涉儀,例如，為了研究尺寸較大的風洞中任一平面附近的空氣渦流，將風洞置于M2和G2之間，并在M1和G1之間的另一支光路上放置補償，調節(jié)M2和G2 ，使定域面在風洞中選定的平面上，由透鏡L2和照相機拍攝下這個平面上的干涉圖樣。只要比較有氣流和無氣流時的條紋圖樣，就可

17、確定出氣流所引起空氣密度的變化情況。,2.4.2 馬赫-澤德干涉儀,應用舉例,2.4.2 馬赫澤德干涉儀,1. 法布里珀羅干涉儀的結構,為了得到尖銳的條紋，兩鍍膜面應精確保持平行，平行度一般要達到(1/201/100)。每塊玻璃板兩表面通常制成一個小楔角(110)，以避免無鍍膜表面的反射光干擾。,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,兩板之間的距離可以調節(jié)法布里-珀羅干涉儀,兩板間的距離固定不變（兩板間放殷鋼制成的空心圓柱形間隔器）法布里-珀羅標準具,1. 法布里珀羅干涉儀的結構,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,(a) 邁克爾遜干涉儀 (b) F-P干涉儀 兩種干涉儀中干涉條紋的比較,2. 法布里珀

18、羅干涉儀的光強,兩種條紋的角半徑和角間距計算公式相同。,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,條紋干涉級決定于空氣平板的厚度h，通常法布里-珀羅干涉儀的使用范圍是1200 mm，在一些特殊裝置中，h可大到 1m 。 以h=5mm計算，中央條紋的干涉級約為20000，因而這種儀器只適用于單色性很好的光源。,2. 法布里珀羅干涉儀的光強,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,當干涉儀兩板內表面鍍金屬膜時，由于金屬膜對光產生強烈吸收，使得整個干涉圖樣的強度降低。假設金屬膜的吸收率為A，則根據(jù)能量守恒關系有： R + T + A = 1,2. 法布里珀羅干涉儀的光強,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,當干涉儀兩板的

19、膜層相同時，由愛里公式可以得到膜層存在吸收時的透射光干涉強度：,光在金屬內表面反射時的相位變化，R金屬膜內表面反射率?？梢?，由于金屬膜的吸收，干涉圖樣強度降低了1A/(1R)2 倍，嚴重時，峰值強度只有入射光強的幾十分之一。,2. 法布里珀羅干涉儀的光強,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,法布里-珀羅標準具能夠產生十分細而亮的等傾干涉條紋，其重要應用之一是研究光譜線的精細結構，即將一束光中不同波長的光譜線分開。,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,1. 研究光譜線的超精細結構,分光元件的三個技術指標： 自由光譜范圍 分辨本領 角色散,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,(1) 自由光

20、譜范圍標準具常數(shù),當波長為1和2 (2 1)的光入射至標準具，由于兩種波長的同級條紋角半徑不同，因而將得到兩組干涉圓環(huán)。,允許的最大分光波長差，稱為自由光譜范圍()f 。,1. 研究光譜線的超精細結構,對于靠近條紋中心的某一點( 0 )處, 2的第m級條紋與1的第m+1級條紋發(fā)生重疊時，其光程差相等。,因此,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,(1) 自由光譜范圍標準具常數(shù),例如：對于h = 5mm的標準具，入射光波長 = 0.5461m， n = 1 時， ()f = 0.310-4m,1. 研究光譜線的超精細結構,分光儀器所能分辨開的最小波長差()m稱為分辨極限。,分辨本領,2.4.

21、3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,(2) 分辨本領,1. 研究光譜線的超精細結構,瑞利判據(jù)兩個等強度波長的亮條紋只有當它們的合強度曲線中央極小值低于兩邊極大值的81%時，才算被分開 。,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,(2) 分辨本領,兩個波長的亮條紋剛好被分辨開時的強度分布,1. 研究光譜線的超精細結構,如果不考慮標準具的吸收損耗，1和2的透射光合強度為:,1和2是在干涉場上同一點的兩波長條紋所對應的相位差。,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,(2) 分辨本領,1. 研究光譜線的超精細結構,因此極小值強度:,在合強度極大值處，1 = 2m， 2 = 2m ，,2.4.3 法

22、布里-珀羅干涉儀,應用舉例,設I1i=I2i=Ii，12= ，則在合強度極小值處 1 = 2m /2, 2 = 2m /2,(2) 分辨本領,因此極大值強度:,1. 研究光譜線的超精細結構,按照瑞利判據(jù)，兩個波長條紋恰能分辨的條件是:,因此有:,(2) 分辨本領,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,由于 很小，sin/2 /2，則,N 條紋的精細度。,1. 研究光譜線的超精細結構,由于此時兩波長剛被分辨開， = ，所以標準具的分辨本領為：,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,(2) 分辨本領,由 ，略去 的影響，有:,1. 研究光譜線的超精細結構,分辨本領與條紋干涉級數(shù)和精細度成正

23、比。由于法布里-珀羅標準具的 m很大，所以分辨本領極高。 例如：h=5mm, N30(R0.9)，=0.5 m，則在接近正入射時，標準具的分辨本領 ：,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,(2) 分辨本領,這相當于在 = 0.5m上，標準具能分辨的最小波長差為0.008 310-4m，這樣高的分辨本領是一般光譜儀所達不到的。,1. 研究光譜線的超精細結構,應當指出，上面的討論是把 1 和 2 的譜線視為單色譜線，由于任何實際譜線的本身都有一定的寬度，所以標準具的實際分辨本領達不到這樣高。 有時把 0.97N 稱為標準具的有效光束數(shù)N。于是：,2.4.3 法布里-珀羅干涉儀,應用舉例,(2) 分辨本領,1. 研究光譜線的超精細結構,角色散定義為單位波長間隔的光，經分光儀所分開的角度，用d /d表示。 d /d 愈大，不同波長的光經分光儀分得愈開。,2.4.3 法布里-