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1、第三章 光学薄膜系统设计 根据技术指标要求找出合 适的光学薄膜结构 l没有系统的方法 l具有非常丰富的膜系设计结果 l光学薄膜设计结果受制备工艺的制约 材料种类 物理特性 化学特性 工艺特性 1 试探法 2 矢量作图法 3 解析合成法 4 级数展开法 5 电器滤波设计法 6 导纳圆图法 7 计算机自动设计法 光学薄膜设计 一 试探法 初始结构 计算机数值计算 修改设计参数 计算机数值计算 二 光学自动设计方法 初始结构的光谱特性 改进结构的光谱特性 理想的光谱特性 理想的光谱特性 评价函数 评价函数 通过某种数学方法 修改膜层结构 变小 l半自动设计 l全自动设计 无需初始结构 评价函数 评价
2、函数 权重 膜系的光谱特性 理想光谱特性 求导法 瞎子下山法 数学方法 直接算法 试验法 光学薄膜优化设计的特殊性 F x 多维 F x F n0 ng Ni di F x 是一个多峰函数 容易使F x 陷入局部极值 全搜描法 工作量太大 试验法 统计试验法 例 单层膜 1 确定极值范围 2 随机投点 只得留下 x 最小的 个点及对应的结构 3 找出最佳 点的对应的区间A B 4 继续投点试验直到最佳10点评价函数统计结果 均方根达到某一精度 终止 试验 此时评价最小 F x 对应的膜系结构即为最优结构 5 此种方法有一定局限性 最佳结果遗漏 膜系特别复杂或投点数太多时 优化效应不高 F x
3、单层增透膜 单层增透膜是减少界面反射的最 简单途径 如右图用矢量法分析 从矢量图上可以看到 合振幅矢量r随着r1和2之间的 夹角2 而变化合矢量端点的轨迹为一园周 当膜层 的光学厚度为某一波长的四分之一时 则两个矢量的 方向完全相反 3 1 增 透 膜 矢量法用来分析单层薄膜情况 可见当厚度为某一波长1 4 并且r1 r2时剩余反射为零 运用矩阵法分析1 4波长厚度时的情况 欲使中心波长处反射率等于零 理想的单层增透膜条件是 膜层的光学厚度为四分之一波长 其折射率为入射介质和基片折射率乘积的平方根 当选定基片ng时 单层增透膜Rmin随n1降低而降低 当选定膜层的折射率时 单层增透膜Rmin随
4、ng提高而降低 单层增透膜的缺点 1 对大多数应用来说 剩余反射率还太高 2 从未镀膜表面反射的光线 在色彩上仍保持中性 而从镀膜表面反射的光线破坏了色的平衡 采用变折射率的所谓非均匀膜 它的折射率随着厚度的增 加呈连续的变化 采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜 双层增透膜的导纳轨迹 麦克劳得导纳图解技术简介 H ZrO2 2 07 L SiO2 1 46 HL H1L H Y2O3 1 79 L SiO2 1 46 非规整双层层增透膜 麦克劳得导纳图解技术简介 膜系 Air 2L 38H Sub H ZrO2 2 07 L SiO2 1 46 二 双层增透膜 1 V型膜 在中心波长的
5、反射率为零 在限定两层膜的光学厚度都是四分 之一的波长下 欲使中心波长的反 射率减至零 折射率应满足 或 图2 双层V型膜的反射率曲线 只有当矢量r1 r2和r3组成封闭三角形才能使合矢量为零 因此只 须以矢量r1的始点和终点为圆心 分别以r3和r2为半径作两个园 两个园的交点就是满足合矢量为零条件的矢量r2和r3头尾相接的点 然后从矢量图上即可量得2 1 2 2的值 显然 图示的两种方 式 都能使三角形封闭 解 b 的膜层总厚度比解 a 的小 它对波 长的敏感性也较小 所以通常取此解 用矢量法求出双层增透膜的各层厚度 2 W型膜 在中心波长的两侧可望 有两个反 射率极小值 光谱反射率曲线呈W
6、型 图2 4 双层W型膜的反射率曲线 三 多层增透膜 宽带增透膜 又四分之一波长层或半 波长层构成 可以看作是V型膜和W型膜的改进形式 V型膜的改进 在 型膜中间插入半波长光滑层可以 得到典型的三层减反射膜结构 例如 结构为 插入半波长层后成为 反射率曲线变化为 光谱反射曲线 光谱反射曲线 将W型膜 中间半波长层分成折射率稍稍不同的两 个四分之一波长层 可以降低W型膜低反射区中央的反射率 凸峰 又保持半波长层的光滑光谱特性作用 三层增透膜改进 前后的光谱反射率曲线 曲线a 曲线b 曲线c 层层 数 厚度导纳导纳 特 性 单 层 0 4y1零反射条件 双 层 0 4 0 4 0 4 0 2 y1
7、 y2 y1 y2 零反射条件 V型膜 2虚设 在 0反射率等于 0 4单层 可有二个零反射 波长 W型膜 三 层 0 4 0 2 0 4 0 4 0 4 0 4 y1 y2 y3 y1 y2 y3 零反射条件 宽带低反射 用于ysub 1 65 减 反 射 膜 l 只用高低两种材料 l 更多的膜层数 5 7 9 11 4 超宽带减反射膜的设计 减反射膜应用于光学系统时的考虑 1 玻璃表面镀膜后会出现光谱选择性 所以镀膜的玻璃 表面会显现鲜艳的颜色 众多的玻璃表面串在一起应用 统 一的颜色取向会使系统的色彩还原出现问题 所以应该对复 杂系统的减反射膜进行色彩平衡设计 2 光线在系统中对减反射膜
8、面的入射角相差很大 多层 膜在较大入射角情况下 会使减反射性能劣化 3 有些高折射率玻璃在短波有吸收 所以高效增透部分应 放于短波 如果整个系统彩色平衡达不到要求 还应在减反 射膜设计中有意消减某些波段的光谱 4 对于大入射角界面和高折射玻璃在系统中可考虑 用单层膜 减反射膜的工艺要点 1 尽量采用机械 物理 化学等性能好的少数几种材料设 计非 0 4膜厚的减反射膜 2 最常用的低折射率材料 MgF2 SiO2 最常用的高 折射率材料 TiO2 可见 红外 Ta2O5 近紫外 可见 红外 ZrO2 紫外 可见 红外 3 MgF2膜制备基片温度至少需在250 以上 或离子 辅助 才能获得足够牢固
9、的薄膜 4 建议采用晶控与宽光谱监控相结合的监控方法 这 样既可克服设计中极薄层 nd 10nm 监控困难 又可 以克服由于折射率控制不稳所带来的误差 5 对于低温镀膜的塑料基片 需要离子辅助对其表面 进行改性且增加膜层的牢固性 高折射率基底材料的的减反射膜 在可见区应用的大多数光学玻璃 通常在波长大于3微米 以后就不再透明 因此 在红外区经常采用某些特种玻璃和 晶体材料特别是半导体材料 半导体有很高的折射率 例如 硅约为3 4而锗大约是4 这些半导体基片若不镀增透膜 就 不可能广泛地使用 这个问题不同于可见区 在可见区 其 目的是将大约4 的反射损失减小到千分之几 而在红外区 则是将30 左
10、右的反射损失减小为百分之几 一般说在红外 区百分之几的损失是允许的 因而低折射率基片通常很少镀 减反膜 红外材料镀膜从原理上讲同可见是一致的 只不过 材料的选择余地较小 在光学薄膜中 反射膜和增透膜几乎同样重 要 对于光学仪器中的反射统来说 由于单纯金 属膜的特性大都已经满足常用要求 因而我们首 先讨论金属反射 膜 在某些应用中 若要求的反 射率高于金属膜所能达到的数值则可在金属膜上 加额外的介质膜以提高它们的反射率 最后介绍 全介质多层反射膜 由于这种反射膜具有最大的 反射率和最小的吸收率因而在激光应用中得到了 广泛的使用 2 2 高 反 射 膜 一 金属反射膜 新镀的金属反射膜的反射率曲线
11、 下图为1 2 4 8 16 32 64 128nm铝膜反射率的理论曲 线 金属反射膜的反射率 垂直入射 n越小越好 k越大越好 麻烦 cos 1是虚数 倾斜入射 特 性 Al Ag Au 紫外区 反射率 可见区 红外区 B P P M B P 接近于Ag B 接近于Ag 硬度 附着力 稳定性 B P P B P P M P B 三种金属膜的特性和工艺 制备工艺 高的真空度 高的真空度 一般要求 低基板温度 低基板温度 快蒸 快蒸 银膜用作玻璃的前表面镀层 当银膜作为玻璃后表面的内反射镀层时 通常是在银膜 的外面镀一层铜 再镀一层铬 然后刷上保护漆 以防 止反射镜的 银变 其反射率为 金属的复
12、折射率可写为 光在空气中垂直入射时 其 反射率为 如果在金属上镀以折射率为n1 n2的两层 厚度的介质膜 并且n2紧贴金属 那么在垂直入射时 波长 的导纳为 在 下给出的反射率大于纯金属膜的反射 率 比值 愈高 则反射率的增加愈多 增强金属反射镜 若继续蒸镀第二对这样的介质膜 甚至可使反射率增加到 接近99 不足之处是反射率得到增加的区域是有限的 蒸发Al膜的反射率曲线 虚线 和Al膜上加镀两 对CeO2 MgF2膜层后的反射率曲线 实线 增强反射镜 G Al LH LH Air L SiO2 H TiO2 nH 2 2 nL 1 45 nH nL 2 2 3 Set AAl 9 ALH 9
13、2 3 4 ALHLH 4 2 3 1 5 二 多层介质高反射膜 在折射率为ng的基片上镀以厚度为 的高折射率的膜层 由于空气 膜层和膜层 基片界面的反射光同位相 使反射率大 大增加 对于中心波长 单层膜和基片组合导纳为 垂 直入射的反射率为 用高 低折射率交替的 每层 厚的介质多层膜能够得 到更高的反射率 理论上可以达到100 因而 在空气中垂直入射时 中心波长的反射率 也即极 大值反射率为 按双层周期结构理论中可知 采用高低折射率交替的每层 膜厚为 0 4的介质膜堆可以获得高的反射率 随着周期数 S 则反射率R 100 这种周期结构膜堆稍加改造 就可得到我们常用的多层介质高反射膜系 效导纳
14、 A H LH S G 上述膜系在 0处的等效导纳为 的值愈大 或层数愈多 则反射率愈高 这说明 当膜系的反射率很高时 额外增加一个介质膜对 可使 透射率缩小 倍 透射率减少了 反射率增加了 理论上只 要增加膜对 膜系反射率就会接近100 垂直入射的 高反射膜系的光谱反射率曲线 高反射带的宽度计算 多层膜由S个重复的基本周期构成 其特征矩阵 M是基本周期的矩阵 可写为 由 的值确定膜系的反射带和透射带 满足条件 的波长 位于膜系的反射带内 反射率随周期数目的增加 而稳定地增大 满足条件 的波长 位于膜系的透射带内 其反射率随膜层数的增加 而起伏 显然反射带的边界由 确定 介质高反射典型膜系是
15、多层介质膜A H LH S G 即 由许多个两层膜周期加一层高折射率的外层膜构成 每个 周期的特征矩阵 由于两层膜的厚度相等 所以位相厚度不加任何角标 稍加整理 即得 等式右边不能大于1 所以为求出高反射带的边界值 必须令 这表明高反射带的宽度 仅仅同构成多层膜的两种膜料 的折射率有关 折射率的比值越大 高反射带越宽 因为 可写成 令高反射带的边界值为 因此 多层膜的高反射带宽度同膜料折射率比值的关系 相应的用波长表示带宽范围 高反射带的波长范围 以上仅考虑了主反射带 即各层膜的厚度为反射带的中心波 长四分之一 若各层膜的厚度为1 4波长的奇数倍 则在这一 波长也存在高反射带 如果主反射带中心
16、波长是 0 那么以 0 3 0 5 0 7 0 9 等为中心波长 同样存在高反射 带 这些高级次的反射带波长宽度约为主反射带宽度的1 n2 用相对波数g表示高反射区域带宽为 同样道理 在1 3 1 5 1 7 1 9处的反射带边界为 波长带宽 高反射膜的典型膜系 G HL sH A 反射带压窄 1 减少nH nL的比值 2 利用膜堆的高级次 3 提高高低折射率交替周期两基层厚的调谐比 4 上述的几种方法联合使用 反射带展宽 1 提高nH nL的比值 2 把反射膜系的多个反射带衔接起来 3 使用非规整膜系 简单的 叠加不 行 G HLHLHLHLHLHLHLH 1 2 HLHLHLHLHLHLH Air G HLHLHLHLHLHLHLH 1 1L 1 2 HLHLHLHLHLHLH Air 光学厚度是 入 4的1 2倍 应应用两个 4膜系合成一个宽带宽带 反射镜镜 0 1 6 A A 0 8 HLHLHLHLH G B A 1 2 HLHLHLHLH G C A 0 8 HLHLLH 1 2 HLHLHLHLH G D A 0 8 HLHLHLHLH L1 2 HLHLHLHLH G
