西安电子科技大学 物理光学与应用光学 ppt.ppt

《西安电子科技大学 物理光学与应用光学 ppt.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西安电子科技大学 物理光学与应用光学 ppt.ppt（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 光学薄膜 在透明的平整玻璃基片或金属光滑表面上 用物理或化学方法涂敷的透明介质薄膜 作用 满足不同光学系统对反射率和透射率的不同要求 2 3光学薄膜 2 3光学薄膜 2 3 1光学薄膜的反射特性 2 3 2干涉滤光片 在玻璃基片的光滑表面上镀上一层折射率和厚度都均匀的透明介质薄膜 一 单层膜 2 3 1光学薄膜的反射特性 r1 薄膜上表面的反射系数r2 薄膜下表面的反射系数 类似于平行平板的多光束干涉 单层膜的反射系数 相邻两个出射光束间的相位差 r 单层膜反射系数的相位因子 2 3 1光学薄膜的反射特性 一 单层膜 则单层膜的反射率R 2 3 1光学薄膜的反射特性 一 单层膜 反射率 当光

2、束正入射到薄膜上时 薄膜两表面的反射系数 2 3 1光学薄膜的反射特性 一 单层膜 介质膜反射率R随光学厚度n1h的变化 2 3 1光学薄膜的反射特性 一 单层膜 n1 n2时 R R0 单层膜的反射率较未镀膜时减小 透过率增大 具有增透的作用 称为增透膜 n1 n0或n1 n2时 R R0 4 3 当n1 n2且n1h 0 4时 R Rm 有最好的增透效果 最小反射率为 特别时 Rm 0 完全增透 2 3 1光学薄膜的反射特性 一 单层膜 2 3 1光学薄膜的反射特性 一 单层膜 单层氟化镁膜的反射率随波长和入射角的变化 光束斜入射到薄膜上时 薄膜上表面的反射系数 则形式上与正入射时的表达式

3、相同 称为有效折射率 s分量以代替 p分量以代替 2 3 1光学薄膜的反射特性 一 单层膜 n1 n2时 R R0 反射率比未镀膜时增大 即该单层膜具有增反的作用 称为增反膜 当n1 n2且n1h 0 4时 R RM 有最好的增反效果 其最大反射率 尽管RM与Rm形式上相同 但因n1取值不同 对应的反射率R 一个是最大 一个是最小 2 3 1光学薄膜的反射特性 一 单层膜 这说明 对于波长 0的光 膜层厚度增加 或减小 0 2 对反射率没有影响 对于n1h 0 2的半波长膜 不管膜层折射率比基片折射率大还是小 单层膜对 0的反射率都和未镀膜时的基片反射率相同 R 4 3 即 2 3 1光学薄膜

4、的反射特性 一 单层膜 1 结构 0 4膜系示意图 采用光学厚度均为 0 4的高折射率膜层和低折射率膜层 称为 0 4膜系 通常采用符号表示为 p 1 2 3 二 多层膜 2 3 1光学薄膜的反射特性 0 4膜系 每层膜的光学厚度是 0 4 其优点是计算和制备工艺简单 镀制时容易采用极值法进行监控 缺点是层数多 R不能连续改变 非 0 4膜系 每层膜的光学厚度不是 0 4 具体厚度要由计算确定 其优点是只要较少膜层就能达到所需要的反射率 缺点是计算和制备工艺较复杂 只讨论 0 4膜系 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 高反射膜反射率的一般计算十分复杂 对于 0 4膜系 由于膜层光学厚度

5、已经选定 可以简单地采用等效折射率法 把一个多层膜的问题变成单层膜的问题 2 反射率R 膜系的反射率 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 把单层膜系看成是具有折射率为nI的一个 新基片 nI为等效折射率 新基片 与n0的新界面称为等效面 1 单层的 0 4膜等效折射率 空气到玻璃 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 正入射时 对于给定的波长 0 其反射率为 则 引入等效折射率 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 1 单层的 0 4膜等效折射率 空气到玻璃 2 多层 0 4膜系的等效折射率和反射率 第一层 第二层 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 依此类推 当膜层为偶数

6、 2p 层时 HL p膜系的等效折射率为 相应的反射率为 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 2 多层 0 4膜系的等效折射率和反射率 当膜层为奇数 2p 1 层时 HL p膜系的等效折射率为 相应的反射率为 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 2 多层 0 4膜系的等效折射率和反射率 表2 1多层膜的反射率和透射率 与真实折射率不同 等效折射率可以小于1 其取值范围可以很大 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 要获得高反射率 膜系的两侧最外层均应为高折射率层 H层 因此 高反射率膜一定是奇数层 结论 0 4膜系为奇数层时 层数愈多 反射率R愈大 上述膜系的全部结果只对一种波

7、长 0成立 这个波长称为该膜系的中心波长 当入射光偏离中心波长时 其反射率相应地下降 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 几种不同层数的 0 4膜系的反射率曲线 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 R下降到1 2处时的宽度为反射带宽 式中g 0 由此可见 反射带宽 g只与nH nL有关 nH nL愈大 带宽就愈大 2 3 1光学薄膜的反射特性 二 多层膜 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 滤光片的作用 只让某一波段范围的光通过 性能指标 中心波长 0 透光率最大 TM 时的波长 透射带的波长半宽度 透过率为最大值一半处的波长范围 1 2 峰值透过率TM 1 法布里 珀罗型干涉滤光片

8、 全介质干涉滤光片 金属反射膜干涉滤光片 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 正入射时 透射光产生极大的条件为 滤光片的中心波长 2nh m m 1 2 3 滤光片的中心波长 相邻干涉级 m 1 的中心波长差 2m m 1 2 3 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 1 法布里 珀罗型干涉滤光片 m R愈大 1 2愈小 干涉滤光片的输出单色性愈好 透射带的波长半宽度 或 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 1 法布里 珀罗型干涉滤光片 对应于透射率最大的中心波长的透射光强与入射光强之比 考虑膜层的吸收损耗 透射光干涉图样强度 峰值透射率TM 2 4 3 得 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 1 法布

9、里 珀罗型干涉滤光片 一种典型的多层介质膜干涉滤光片透射率曲线 1 法布里 珀罗型干涉滤光片 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 几种干涉滤光片的特性 1 法布里 珀罗型干涉滤光片 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 膜厚变化对截止带的影响 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 2 红外滤光片 依据多层高反射膜的反射率光谱特性 膜厚的变化将改变截止带的位置 如果nh 0 22 m 则反射红外线而透过可见光 如果nh 0 13 m 膜系反射可见光而透过红外光 在玻璃上镀高折射率薄膜 可以增大反射率 当光束斜入射时 其反射率的大小因p分量和s分量而异 并且在某个入射角上 反射光中的p分量可以变为零 所以

10、与只有玻璃板的情况相似 这种高反膜也可以起到偏振元件的作用 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 3 偏振滤光片 利用物质对光波的选择性吸收进行滤光 例如 红 绿玻璃以及各种有色液体等 如果光的吸收较大 且吸收系数随波长有显著变化 称为选择性吸收 如对红光和橙光吸收少 而对绿光 蓝光和紫光几乎全部吸收 2 3 2干涉滤波器 干涉滤光片 4 吸收滤光片 2 4典型干涉仪 2 4 1迈克尔逊干涉仪2 4 2马赫 泽德干涉仪2 4 3法布里 珀罗干涉仪 2 4 1迈克尔逊干涉仪 相对于半反射面A 作出平面反射镜M2的虚像M2 于是可以认为观察系统L所观察到的干涉图样 是由实反射面M1和虚反射面M2 构成

11、的虚平板产生的 虚平板的厚度和楔角可通过调节M1和M2反射镜控制 因此 迈克尔逊干涉仪可以产生厚的或者薄的平行平板 M1和M2 平行 和楔形平板 M1和M2 有一小的夹角 的干涉现象 扩展光源可以是单色性很好的激光 也可以是单色性很差的 白光 光源 2 4 1迈克尔逊干涉仪 调节M2 使M2 与M1平行 观察到的干涉图样是一组在无穷远处 或在L的焦平面上 的等倾干涉圆环 当M1向M2 移动时 虚平板厚度减小 圆环条纹向中心收缩 并在中心一一消失 M1每移动的距离 在中心就消失一个条纹 2 4 1迈克尔逊干涉仪 根据条纹消失的数目 可确定M1移动的距离 根据 2 26 式 此时条纹变粗 因为h变

12、小 eN变大 同一视场中的条纹数变少 M1与M2 完全重合时 各个方向入射光的光程差均相等 所以视场均匀 M1逐渐离开M2 时 条纹不断从中心冒出 且随虚平板厚度的增大 条纹越来越细越密 2 4 1迈克尔逊干涉仪 如果调节M2 使M2 与M1相互倾斜一个很小的角度 且当M2 与M1比较接近 观察面积很小时 所观察到的干涉图样近似是定域在楔表面上或楔表面附近的一组平行于楔边的等厚条纹 在扩展光源照明下 如果M1与M2 的距离增加 则条纹将发生弯曲 弯曲的方向是凸向楔棱一边 同时条纹可见度下降 干涉条纹弯曲的原因如下 如前所述 干涉条纹应当是等光程差线 当入射光不是平行光时 对于倾角较大的光束 若

13、要与倾角较小的入射光束等光程差 其平板厚度应增大 这可由看出 2 4 1迈克尔逊干涉仪 由图2 33可见 靠近楔板边缘的点对应的入射角较大 因此 干涉条纹越靠近边缘 越偏离到厚度更大的地方 即弯曲方向是凸向楔棱一边 在楔板很薄的情况下 光束入射角引起的光程差变化不明显 干涉条纹仍可视作一些直线条纹 对于楔形板的条纹 与平行平板条纹一样 M1每移动一个 2距离 条纹就相应地移动一个 补偿板G2的作用 消除两束光 和 的不对称性 对于单色光照明 这种补偿并非必要 观察白光条纹时 补偿板不可缺少 2 4 1迈克尔逊干涉仪 激光比长仪示意简图 1 激光比长仪 应用举例 2 4 1迈克尔逊干涉仪 2 光

14、纤迈克尔逊干涉仪 应用举例 2 4 1迈克尔逊干涉仪 马赫 泽德干涉仪 2 4 2马赫 泽德干涉仪 例如 为了研究尺寸较大的风洞中任一平面附近的空气涡流 将风洞置于M2和G2之间 并在M1和G1之间的另一支光路上放置补偿 调节M2和G2 使定域面在风洞中选定的平面上 由透镜L2和照相机拍摄下这个平面上的干涉图样 只要比较有气流和无气流时的条纹图样 就可确定出气流所引起空气密度的变化情况 2 4 2马赫 泽德干涉仪 应用举例 2 4 2马赫 泽德干涉仪 1 法布里 珀罗干涉仪的结构 为了得到尖锐的条纹 两镀膜面应精确保持平行 平行度一般要达到 1 20 1 100 每块玻璃板两表面通常制成一个小

15、楔角 1 10 以避免无镀膜表面的反射光干扰 2 4 3法布里 珀罗干涉仪 两板之间的距离可以调节 法布里 珀罗干涉仪 两板间的距离固定不变 两板间放殷钢制成的空心圆柱形间隔器 法布里 珀罗标准具 1 法布里 珀罗干涉仪的结构 2 4 3法布里 珀罗干涉仪 a 迈克尔逊干涉仪 b F P干涉仪两种干涉仪中干涉条纹的比较 2 法布里 珀罗干涉仪的光强 两种条纹的角半径和角间距计算公式相同 2 4 3法布里 珀罗干涉仪 条纹干涉级决定于空气平板的厚度h 通常法布里 珀罗干涉仪的使用范围是1 200mm 在一些特殊装置中 h可大到1m 以h 5mm计算 中央条纹的干涉级约为20000 因而这种仪器只

16、适用于单色性很好的光源 2 法布里 珀罗干涉仪的光强 2 4 3法布里 珀罗干涉仪 当干涉仪两板内表面镀金属膜时 由于金属膜对光产生强烈吸收 使得整个干涉图样的强度降低 假设金属膜的吸收率为A 则根据能量守恒关系有 R T A 1 2 法布里 珀罗干涉仪的光强 2 4 3法布里 珀罗干涉仪 当干涉仪两板的膜层相同时 由爱里公式可以得到膜层存在吸收时的透射光干涉强度 光在金属内表面反射时的相位变化 R 金属膜内表面反射率 可见 由于金属膜的吸收 干涉图样强度降低了 1 A 1 R 2倍 严重时 峰值强度只有入射光强的几十分之一 2 法布里 珀罗干涉仪的光强 2 4 3法布里 珀罗干涉仪 法布里 珀罗标准具能够产生十分细而亮的等倾干涉条纹 其重要应用之一是研究光谱线的精细结构 即将一束光中不同波长的光谱线分开 2 4 3法布里 珀罗干涉仪 应用举例 1 研究光谱线的超精细结构 分光元件的三个技术指标 自由光谱范围分辨本领角色散 2 4 3法布里 珀罗干涉仪 应用举例 1 自由光谱范围 标准具常数 当波长为 1和 2 2 1 的光入射至标准具 由于两种波长的同级条纹角半径不同 因而将得到两组