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1、光学薄膜的基本原理 1 参考文献 1 H A Macleod ThinFilmOpticalFilters 2nd 3rded AdamHilger Bristol 1986 20022 唐晋发 郑权 应用薄膜光学 上海科技出版社 19843 唐晋发 顾培夫 薄膜光学与技术 机械工业出版社 19894 林永昌 卢维强 光学薄膜原理 国防工业出版社 19905 李正中 薄膜光学与镀膜技术 台湾艺轩图书出版社 20016 顾培夫 薄膜技术 浙江大学出版社 19907 杨邦朝等 薄膜物理与技术 电子科技大学出版社8 H K Pulker CoatingsonGlass Rlsevier1984 2
2、第一章 光学薄膜设计的理论基础第一节 电磁波及其传播第二节 单界面的反射和折射第三节 单层薄膜的传输矩阵第四节 多层薄膜的分析方法第二章 典型薄膜系统的设计第一节 增透膜 减反射膜 第二节 分光膜第三节 高反射膜第四节 干涉截止滤光片第五节 带通滤光片 光学薄膜的基本原理 3 光学薄膜的发展历史 17世纪 牛顿环 1817年Fraunhofer第一个化学AR膜 1930年扩散泵 1939年Geffeken第一个金属 介质干涉滤光片 1960年激光器诞生 1970年薄膜微结构的揭示 近年光通讯波分复用技术 国内长春光机所和浙江大学几乎同时于1957年开始光学薄膜研究 现在国内不仅有许多研究院所
3、而且有许多薄膜公司 技术力量不断增强 设备条件不断改善 4 光学薄膜的基础知识1 电磁场理论2 光的干涉 5 6 7 薄膜在WDM技术中的应用DWDMFilter Mux Demux OADM OXC等M WDMFilter CWDM Channelseparation等W WDMFilter 光网控制 光插分 光放大等Interleaver 与DWDMFilter串接 提高复用度GFF EDFA增益平滑截止滤光片 分离1310nm与1550nm C band和L band 泵浦光和信号光等ARCoatings 各种透光元件反射镜 各种反射元件中性分束膜 泵浦光引入 信号监控等偏振 消偏振膜
4、分束 隔离等等 8 Applicationsofthinfilms 2 inTFT LCDProjector 9 薄膜在投影显示中的应用冷反光镜 灯泡 液晶板 薄膜偏振片 位相片隔热等偏振片 PCS 预偏和偏振器 特别是宽角宽波段PBS截止滤光片 白光分成R G B或合成彩色图像 修饰颜色 色轮等ARCoatings 各种透光元件 在TIR棱镜中的宽角AR膜反射镜 各种反射元件 在光管中的大角度反射镜消偏振膜 在Philips棱镜中的消偏振分色合色截止滤光片位相膜 补偿液晶板不同波长的相位差 提高对比度 10 光学薄膜的发展趋势 1 光学薄膜的理论巳趋成熟 重点是设备和制备技术及检测技术的提高
5、2 新的应用开拓 象激光 光通讯等之类的重要应用3 各种功能的光电子薄膜及器件 如光源 调制 放大 接收 显示 传感器等4 从目前的一维薄膜向多维发展 光子晶体5 薄膜的微小化 集成化 功能化 MEMS MOEMS 11 第一章光学薄膜设计的理论基础 12 第一节电磁波及其传播 13 光学薄膜基础理论 几个条件 工作波段 光学薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级薄膜的面积与波长相比可认为无限大薄膜材料各向均匀 同性薄膜材料为非铁磁性材料光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播 14 电磁波谱 15 薄膜的干涉 两束光产生干涉的条件 频率相同 振动方向一致 位相相同或位相差恒定 16 薄膜的双光束干涉 1
6、7 18 19 单层膜的多光束干涉 多光束干涉强度的计算原则上和双光束完全相同 也是先把振动迭加 再计算强度 差别仅在于参与干涉的光束由两束增加到多束 至于计算方法则以采用复振幅最为方便 20 Maxwell sequations 波动方程 折射率 refractiveindex 21 1 波动方程 在原点0 E E0cos t在p点 真空中E E0cos t 2 x 介质中E E0cos t 2 Nx Nx 光程差用欧拉公式 另一种表示方法 E E0ei t 2 Nx E0e i2 Nx ei t 1 2 复折射率N 磁场幅值与电场幅值之比H N k E 或若自由空间导纳取1 则光学导纳Y
7、N 0 xp 2 22 折射率与导纳 23 Refractiveindex 24 3 坡印廷矢量 能流密度 S 单位时间通过单位面积的能量S E H积分平均值 4 边界条件 切向分量连续E0tan E1tan E0itan E0rtan E1ttanH0tan H1tan H0itan H0rtan H1ttan 3 4 25 第二节单界面的反射和折射 a 垂直入射由切向分量连续 1 2 1 N1 2 得振幅反射系数 1 N0 2 得振幅透射系数 N0 N1 26 垂直入射时能量反射率和透射率 反射能量面积 R 入射能量面积 透射能量面积 T 入射能量面积 N0 N1 27 史托克定律 设r
8、t分别为光由N0到N1的振幅反射系数和透射系数 r t 分别为光从N1到N0时的振幅反射系数和透射系数 a b c d e b 是 a 的逆过程 c 表示r入射 d 表示t入射 e 表示 c d 的总效果因 b 与 e 等同 故r2 tt 1 1 rt tr 0 即r r 2 1 2 叫史托克定律 28 b 倾斜入射 p S N Admittanceorindex Amendedadmi oreffect index 29 倾斜入射时反射系数和透射系数 由切向连续 切向反射系数 1 1 2 切向透射系数 1 0 2 1 2 30 上述切向分量比还不是真正的反射系数或透射系数 倾斜入射时面积变化
9、 反射系数 p s 透射系数 p s 31 倾斜入射时能量反射率和透射率 32 小结 33 第三节单层薄膜的传输矩阵 34 35 ei 1 cos 1 isin 1 e i 1 cos 1 isin 1 36 H0 YE0 H2 2E2 称薄膜的特征矩阵 称膜层和基板的组合特征矩阵 37 38 39 第四节多层膜的分析方法 1 导纳矩阵法 40 41 2 ndcos 42 43 M m11 m22 real m21 m12pureimaginaryM11m22 m12m21 1 m21 m12 1 2 M s M s 44 2 E 45 46 HLH HLHLHLH 0 5HL0 5H M M
10、11 M22且 M 1 等效折射率等效位相 47 设基本周期为 ABA 如果是q个周期 则等效折射率仍为E 位相为qg 48 长波通截止滤光片 0 5HL0 5H p短波通截止滤光片 0 5LH0 5L p等效导纳 H 2 35 L 1 45 49 G 0 5HL0 5H 10AG 0 5HL0 5H 10A 50 3 矢量分析法 条件 1 无吸收薄膜 2 忽略多次反射 什么情况下可忽略多次反射 双光束干涉与多光束干涉 51 其中 上述公式可以用矢量合成技术来计算 定义 矢量的模 r1 r2 r3 正值指向原点 负值离开原点 矢量的夹角由膜层位相角的两倍决定 按逆时针方向旋转 薄膜的总反射系数
11、为 52 r1 0 16r2 0 16r3 0 07r4 0 04 n1 1 38 n2 1 9 n3 1 65 n4 1 52 n1d1 l 4 n2d2 l 2 n3d3 l 4 l 520nm 例 53 4 导纳圆图分析法 Re Im n2 n n nd l 4 nd l 4 nd l 4 nd l 4 实部 虚部 圆方程 园心和半径 54 等相厚 等反射率 等反射相移 等相厚 等反射率 等反射相移 n 膜层折射率 n0 入射媒质折射率 反射相移 55 实例1 低折射率膜 Im Re 56 实例2 高折射率膜 57 导纳圆图及电场强度分布 E2 const Re Y Y越大 E2越小1
12、A H Sub Re Y 2 A L Sub Im 58 4 薄膜的彩色分析 人眼对可见光各颜色的光感受能力不一样 550nm最为灵敏 780nm完全丧失感受能力 59 三基色 R G B 及其应用 60 二色光混合也能变成白光 如紫光和黄绿光等 混合后可成白光的两种有色光称互补色 紫光和红光比绿光反射高 所以绿增透膜 反紫红 61 色品图 CIE 国际照明委员会 规定用R 700nm G 546 1nm B 435 8nm 三种光谱色作为三原色匹配等能白光E 任何颜色都可用色品图 x y 表示 M越接近光谱色品曲线 颜色饱和度越高 越接近E 饱和度越低 MN两色的混合色在MN连线上 PQ两色
13、连线通过E点 叫互补色 380和770nm色品点的连线不是光谱色 而是其混合色的色品轨迹 62 眼镜绿减反射膜 彩虹膜Al MgF2 Cr 63 小结 64 65 66 67 第二章典型薄膜系统的设计 68 69 70 71 单层AR n1d l 4 第一节 增透膜 减反射膜 要求反射极小 r0 r1 即2 1 即n1d 4 r0有 相移 r1有 相移 膜厚 72 入射媒质y0 新基板Ys y12 ys R y0 Ys 2 y0 Ys 2 73 1 0 1 0 2 2 74 75 1 0 1 0 2 2 76 非规整厚度双层膜 固定折射率 变膜厚 r1 r2 r3 固定规则膜厚 变折射率 n0
14、n1n2ns n0 n1 n2 ns 77 有二种方法得到零反射 但选薄解 78 79 80 81 减反射膜 82 83 84 第二节 分光膜 1 中性分光膜2 偏振分光膜3 消偏振分光膜 中性分光膜例子 H ZnS L Na3AlF6 85 金属中性分光膜 86 立方棱镜 87 立方棱镜偏振分光镜光谱特性 88 平板型偏振分光镜光谱特性 原理 对s p有效折射率比不同应用 强激光系统 89 平板偏振片原理 p s分量有效折射率不同 G HL 10H AG 0 5HL0 5H 10 AnG 1 52nH 2 35nL 1 45 56 5 90 消偏振分光膜 介质 91 消偏振分光膜 金属介质
15、G 1 18HAg 19 2nm 0 82L0 02M AH ZnS L MgF2 M Al2O3G K9 92 第三节 高反射膜 93 基本结构A H LH p sub A L HL p sub 等四种 组合导纳 从吸收损耗小的角度 应取高折射率为外层的膜系 94 A H LH p sub A L HL p sub 反射率和透射率 当a 1时 95 反射带宽 2 3 1 38 96 带宽公式推导 对称周期 M11 M22 cos 1截止带M11 M22 cos 1透射带M11 M22 1截止边缘 非对称周期 M11 M22 M11 M22 2 1截止带 M11 M22 2 1透射带 M11
16、M22 2 1截止边缘 1 g11 gg 0 97 不同材料组合的反射带宽 98 99 全介质高反射膜 100 101 问题一 反射带的展宽 方法1 StackA G HL pH AStackB G H L pH AStackC A B G HL p H L pH A a b 2 3 1 2 2 102 反射带的展宽 方法2 2 1高级次膜堆 1 4波堆 ex G 2LH p A G LH p A 在nH nL 2 0时可以无次峰 103 反问题 反射带压缩 1 采用高级次膜系 G 3H3L p3H A 2 减少nH nL比问题 1 层数增加 2 膜料匹配困难 3 信号变化小膜厚控制困难 4 中心波长要正确 104 问题二 周期反射膜反射带位置 任何周期膜系都存在反射带和透射带 出现反射带的条件1 基本周期的膜厚之和为 0 2整数倍 即 nidi g 0 2 g 1 2 3 条件2 t 1 即T 1 当周期增加 T0 为反射带 t 1 即T 1 当周期增加 T 1 为透射带 例1 G HL P A条件1 nidi 0 4 0 4 0 2g 1 2 3 4 5 可能出现反射带条件2 除去
