光学薄膜技术第二章课件

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1、典型膜系介绍 根据其作用可以将光学薄膜的类型简单的分为： 1、减反射膜或者叫增透膜 2、分束膜 3、反射膜 4、滤光片 5、其他特殊应用的薄膜一. 减反射膜（增透膜）在众多的光学系统中，一个相当重要的组成部分是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中，增透膜是不可缺少的，否则，无法达到应用的要求。 就拿一个由18块透镜组成的35mm的自动变焦的照相机来说，假定每个玻璃和空气的界面有4%的反射，没有增透的镜头光透过率为23%，镀有一层膜（剩余的反射为1.3%）的镜头光透过率为62.4%，镀多层膜（剩余的反射为0.5%）的为83.5%。 大功率激光系统要求某些元件有极低的表面反射，以避免敏感元件受

2、到不需要的反射光的破坏。此外，宽带增透膜可以提高象质量、色平衡和作用距离，而使系统的全部性能增强。 当光线从折射率为n0的介质射入折射率为n1的另一介质时，在两介质的分界面上就会产生光的反射， 如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率R为：例，折射率为1.52的冕牌玻璃，每个表面的反射约为4.2%，折射率较高的火石玻璃表面的反射更为显著。这种表面反射造成了两个严重的后果： 光能量损失，使像的亮度降低； 表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也达到像平面，使像的衬度降低，分辨率下降，从而影响光学系统的成像质量。 减反射膜，又称增透膜，它的主要功能是减少或消

3、除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。 最简单的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低的介于空气折射率和光学元件折射率之间的薄膜。以使某些颜色的单色光在表面上的反射干涉相消，增加透射。使用最普遍的介质膜材料为氟化镁，它的折射率为1.38。减反射膜可由简单的单层膜至二十层以上的多层膜系构成，单层膜能使某一波长的反射率实际为零，多层膜则在某一波段具有实际为零的反射率。减反射膜的工作原理是基于薄膜干涉原理 入射光在介质膜两表面反射后得两束相干光，选择折射率适当的介质膜材料，可使两束相干光的振幅接近相等，再控制薄膜厚度，使两相干光

4、的光程差满足干涉极小条件，此时反射光能量将完全消除或大大减弱。适当条件下可完全没有反射光或只有很弱的反射光。 1.1 单层减反射膜为了减少表面反射率，就在玻璃表面上镀上一层低折射率的薄膜。理想的单层增透膜的条件是，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。 在可见区，使用得最普遍的是折射率为1.62左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率为1.28，但是至今能利用的薄膜的最低折射率是1.38(氟化镁)。这虽然不很理想，但也得到了相当的改进。单层减反射膜只能对某个波长和它附近的较窄波段内的光波起增透作用。为了在较宽的光谱范围达到更有效的增透效果，常采用双层、三层甚至更

5、多层数的减反射膜。1.2 双层减反射膜从上面晶体镀MgF2增透膜的例中可以看到，为了达到全增透的效果，2，则要求将基底的折射率1.65提高到1.9（n1=1.38，n2=1.9）。怎么办？先沉积一层折射率为1.77光学厚度为0/的薄膜，而后再镀MgF2单层膜，就能达到全增透的要求。 常见的多层膜系统是玻璃高折射率材料低折射率材料空气 ，简称GHLA系统 。H层通常用二氧化锆（ n2.1）、二氧化钛（n2.40）和硫化锌（n2.32） 等 ；L层一般用氟化镁（n1.38）等。 1、双层0/4膜堆 对于单层氟化镁膜来说，冕牌玻璃的折射率是太低了。为此，我们可以在玻璃基片上先镀一层0/4厚的、折射率

6、为n2的薄膜，这时对于波长0来说，薄膜和基片组合的系统可以用一折射率为Y= n22 /n3的假想基片来等价。显然，当n2n3时，有Yn3，也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率的0/4厚的膜层后，基片的折射率从n3提高到n22/n3，然后再镀上0/4厚的氟化镁膜就能起到更好的增透效果。构成0404型增透膜。但对于偏离0的波长，表面反射增加，反射率曲线呈V字形，所以也有把这种0/40/4双层增透膜称为V形膜的。在限定两层膜的厚度都是0/4的前提下，欲使波长0的反射光减至零，它们的折射率应满足如下关系： p22公式如果外层膜确定用折射率n1为1.38的氟化镁，则内层膜的折射率n2取决于基片材料n3

7、。见公式（2）。上面讨论的0404 结构的V形膜只能在较窄的光谱范围内有效地减反射，因此仅适宜于工作波段窄的系统中应用。2、0/20/4膜堆 G2HLA 厚度为0204型的双层增透膜，在中心波长0两侧，可望有两个反射率极小值，反射率曲线呈W型，所以也把这种双层增膜称作为W型膜。同一个G2HLA膜系的减反射效果随着基底折射率的不同而大不相同。欲获得好的减反射效果，膜层折射率应当随着基底折射率的不同而进行调整。同样，同一个折射率的基底，膜层折射率变化时，减反射效果也大不相同。1.3 多层减反射膜双层增透膜的减反射性能比单层增透膜要优越得多，但它并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点：（1）剩余反射

8、高；（2）带宽小。 为了克服以上的缺点人们设计出了三层以及多层增透膜。对于04-04 型的增透膜（V型膜）在中心波长处增透效果好但是带宽较小，02-04 型的增透膜（W型膜）在一定程度上展宽了带宽但是总体的减反射效果不理想，人们想到将它们结合起 来，设计出0/4-0/4-0/4等型增透膜，不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。04-02 W型膜在低反射区的中央有一个的凸峰，为了降低这个反射率的凸峰，又要保持半波长层的光滑光谱特性的作用，可以将半波长层分成折射率稍稍不同的两个1/4波长层。 也可以在双层V型膜的基础上构造多层减反射膜，例如在04-04 V型膜的中间插入半波长的光滑层，得到典型的04

9、0204 三层减反射膜结构。总之，人们可以通过调整层数、厚度、材料来不断的优化设计，由于实际工作中04的整数倍厚度容易控制，人们把全部由04整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。对于不同折射率的基片，要用不同折射率的薄膜材料，通常是通过改变内层膜的折射率来实现匹配的。书本p24图2-6列出了各种不同折射率基片上的三层增透膜的反射率曲线。 对于折射率低于1.63的基片，04-02-04 型三层减反射膜是合适的；而对于折射率大于1.66的基片，04-02-02 型三层减反射膜更为合适。1.4 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

10、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，碲化铅是5.5。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。前面关于单层增透膜的考虑，也同样完全适用于高折射率基片。锗、硅、砷化镓、砷化铟、及锑化铟基片，都可用单层硫化锌、二氧化铈或一氧化硅有效地增透。同样地，V型双层增透膜的设计理论，也可用于高折射率基片。二、高反射膜 在光学薄膜中，反射膜和增透膜几乎同

11、样重要，高反射膜是构成激光谐振腔的重要部件之一，同时在激光的发射和转折中也用高反射膜作反射器，所以反射膜是激光技术中很重要的组成部分。对于光学仪器中的反射系统来说，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。 2.1 金属反射膜 p25 在光学工程中，人们先将比金属更容易获得高光洁度的玻璃抛光，再将金属镀制在抛光玻璃表面形成金属高反射镜。镀制金属反射膜常用的材料有铝

12、（Al）、银（Ag）、金（Au）等，它们的分光反射率曲线如书p27图2-9。银膜在可见区和红外区都有很高的反射率，而且在倾斜使用时引入的偏振效应也最小。但是蒸发的银膜用作前表面镜镀层时却因下列两个原因受到严重限制：它与基片的粘附性很差；同时易于受到硫化物的影响而失去光泽。金膜在红外区的反射率很高，它的强度和稳定性比银膜好，所以常用它作为红外反射镜。金膜与玻璃基片的附着性较差，为此常用鉻膜作为衬底层。银膜在可见区和红外区都有很高的反射率，而且在倾斜使用时引入的偏振效应也最小。但是蒸发的银膜用作前表面镜镀层时却因下列两个原因受到严重限制：它与基片的粘附性很差；同时易于受到硫化物的影响而失去光泽。曾

13、试图使用蒸发的一氧化硅或氟化镁作为保护膜，但由于它们与银的粘附性很差，没有获得成功。所以通常仅用于短期使用的场合或作为后表面镜的镀层。 由于多数金属膜都比较软，容易损坏所以常常在金属膜外面加一层保护膜，这样既能改进强度，又能保护金属膜不受大气侵蚀。最常用的铝保护膜是一氧化硅，此外，氧化铝也常作为铝保护膜。作为紫外反射镜的铝膜不能用一氧化硅或氧化铝作保护膜，因为它们在紫外区有显著的吸收。镀制紫外高反射镜比镀 制可见区和红外区的高反射镜要困难得多。用氟化镁（镀层很牢固）和氟化锂（镀层强度较差）作为防止铝氧化的保护膜，在紫外区得到了成功的应用。总结金属反射膜四点特性1、高反射波段非常宽阔，可以覆盖几

14、乎全部光谱范围，当然，就每一种具体的金属而言，它都有自己最佳的反射波段。2、各种金属膜层与基底的附着能力有较大差距。如Al、Cr、Ni（镍）与玻璃附着牢固；而Au、Ag与玻璃附着能力很差。3、金属膜层的化学稳定性较差，易被环境气体腐蚀。4、膜层软，易划伤。 金属膜材料的选择 铝：最常用，紫外、可见、红外 银：反射率最高，稳定性差 金：红外常用、稳定 铂、铑：稳定、牢固2.2 多层介质高反射膜 p30 上一节所述的金属反射膜包含较大的吸收损失，对于高性能的多光束干涉仪中的反射膜以及激光器谐振腔的反射镜，要求更高的反射率和尽可能小的吸收损失。在折射率为ng的基片上镀以光学厚度为0/4的高折射率（n1）的膜层后，光线垂直入射的反射率为： 用高、低折射率交替的，每层0/4厚的介质多层膜能够得到更高的反射率。这是因为从膜系所有界面上反射的光束，当它们回到前表面时具有相同位相，从而产生相长干涉。对这样一组介质膜系，在理论上可望得到十分接近于100%的反射率。 如果nH和nL是高、低折射率层的折射率，并使介质膜系两边的最外层为高折射率层，其每层的厚度均为0/4，当光束由空气中垂直入射时，中心波长0的反射率，也即极大值反射率为式中，ng基片的折射率，2S+1是多层膜的层数。nH和nL比值愈大，则反射率愈高。当