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1、 光学薄膜的基本原理光学薄膜的基本原理 1参考文献参考文献n1、H.A.Macleod,Thin Film Optical Filters(2nd,3rd ed.),Adam Hilger,Bristol,1986,2002n2.唐晋发、郑权,应用薄膜光学,上海科技出版社，1984n3.唐晋发、顾培夫,薄膜光学与技术,机械工业出版社,1989 n4.林永昌、卢维强，光学薄膜原理，国防工业出版社，1990n5.李正中，薄膜光学与镀膜技术，台湾艺轩图书出版社，2001n6.顾培夫,薄膜技术，浙江大学出版社,1990n7.杨邦朝等，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社n8.H.K.Pulker,Coa
2、tings on Glass,Rlsevier 19842n第一章：光学薄膜设计的理论基础第一章：光学薄膜设计的理论基础n 第一节第一节:电磁波及其传播电磁波及其传播n 第二节第二节:单界面的反射和折射单界面的反射和折射n 第三节第三节:单层薄膜的传输矩阵单层薄膜的传输矩阵n 第四节第四节:多层薄膜的分析方法多层薄膜的分析方法n第二章：典型薄膜系统的设计第二章：典型薄膜系统的设计n 第一节第一节:增透膜增透膜(减反射膜减反射膜)n 第二节第二节:分光膜分光膜n 第三节第三节:高反射膜高反射膜n 第四节第四节:干涉截止滤光片干涉截止滤光片n 第五节第五节:带通滤光片带通滤光片光学薄膜的基本原理光
3、学薄膜的基本原理3光学薄膜的发展历史光学薄膜的发展历史n -17-17世纪世纪“牛顿环牛顿环”-1817-1817年年FraunhoferFraunhofer第一个化学第一个化学ARAR膜膜 -1930-1930年扩散泵年扩散泵 -1939-1939年年GeffekenGeffeken第一个金属第一个金属-介质干涉滤光片介质干涉滤光片 -1960-1960年激光器诞生年激光器诞生 -1970-1970年薄膜微结构的揭示年薄膜微结构的揭示 -近年光通讯波分复用技术近年光通讯波分复用技术n-国内长春光机所和浙江大学几乎同时于国内长春光机所和浙江大学几乎同时于19571957年开年开始光学薄膜研究始
4、光学薄膜研究 -现在国内不仅有许多研究院所，而且有许多薄膜现在国内不仅有许多研究院所，而且有许多薄膜公司公司,技术力量不断增强、设备条件不断改善。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光学薄膜的基础知识1.电磁场理论2.光的干涉5612nn0.98 or 1.48DetectorGFF:EDFdB Applications of thin films(1)-in WDM 1.DemuxMux7薄膜在薄膜在WDMWDM技术中的应用技术中的应用lDWDM Filter:Mux,Demux,OADM,OXCDWDM Filter:Mux,Demux,OADM,OXC等等lM-WDM
5、 Filter:CWDM,Channel separation M-WDM Filter:CWDM,Channel separation 等等lW-WDM Filter:W-WDM Filter:光网控制，光插分，光放大等光网控制，光插分，光放大等lInterleaver:Interleaver:与与DWDM FilterDWDM Filter串接，提高复用度串接，提高复用度lGFF:EDFAGFF:EDFA增益平滑增益平滑l截止滤光片截止滤光片:分离分离1310nm1310nm与与1550nm,C-band1550nm,C-band和和L-band,L-band,泵浦光泵浦光 和信号光等和信
6、号光等lAR Coatings:AR Coatings:各种透光元件各种透光元件l反射镜反射镜:各种反射元件各种反射元件l中性分束膜中性分束膜:泵浦光引入，信号监控等泵浦光引入，信号监控等 l偏振、消偏振膜偏振、消偏振膜:分束，隔离分束，隔离 等等等等8Applications of thin films(2)-in TFT-LCD Projector9 薄膜在投影显示中的应用薄膜在投影显示中的应用 n冷反光镜冷反光镜:灯泡、液晶板、薄膜偏振片、位相片隔热灯泡、液晶板、薄膜偏振片、位相片隔热 等等n偏振片偏振片:PCS:PCS、预偏和偏振器、预偏和偏振器,特别是宽角宽波段特别是宽角宽波段PBS
7、PBSn截止滤光片截止滤光片:白光分成白光分成R,G,BR,G,B或合成彩色图像；修饰颜色；色轮或合成彩色图像；修饰颜色；色轮 等等nAR CoatingsAR Coatings:各种透光元件各种透光元件,在在TIRTIR棱镜中的宽角棱镜中的宽角ARAR膜膜n反射镜反射镜:各种反射元件各种反射元件,在光管中的大角度反射镜在光管中的大角度反射镜n消偏振膜消偏振膜:在在PhilipsPhilips棱镜中的消偏振分色合色截止滤光片棱镜中的消偏振分色合色截止滤光片n位相膜位相膜:补偿液晶板不同波长的相位差，提高补偿液晶板不同波长的相位差，提高对比度对比度 10光学薄膜的发展趋势光学薄膜的发展趋势1.光
8、学薄膜的理论巳趋成熟，重点是设备和制备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技术及检测技术的提高2.2.新的应用开拓新的应用开拓-象激光、光通讯等之类的重象激光、光通讯等之类的重要应用要应用3.3.各种功能的光电子薄膜及器件，如光源、调各种功能的光电子薄膜及器件，如光源、调制、放大、接收、显示、传感器等制、放大、接收、显示、传感器等4.4.从目前的一维薄膜向多维发展从目前的一维薄膜向多维发展-光子晶体光子晶体5.5.薄膜的微小化，集成化，功能化薄膜的微小化，集成化，功能化-MEMS,MOEMSMEMS,MOEMS11第一章第一章光学薄膜设计的理论基础光学薄膜设计的理论基础
9、12第一节第一节 电磁波及其传播电磁波及其传播用高速电子流轰击原子中的内层电子而产生的电磁辐射远红外线9600mm0.150.01ev由炽热物体、气体中红外线1.0nm8mm1.20.15ev放电或其它光源激近红外线0.71.0mm1.81.2ev发分子或原子等微可见光区0.40.7mm3.11.8ev观客体所产生的电近紫外0.20.4mm6.23.1ev磁辐射远紫外0.030.2mm41.46.2evx射线0.1nm0.03mm1200042ev射线1.0pm0.1nm1.2E612000ev放射性原子衰变发出的电磁辐射或高能粒子碰撞产生的电磁辐射13光学薄膜基础理论光学薄膜基础理论几个条件
10、：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电磁波谱电磁波谱15薄膜的干涉薄膜的干涉两束光产生干涉的条件：两束光产生干涉的条件：频率相同频率相同振动方向一致振动方向一致位相相同或位相差恒定位相相同或位相差恒定16薄膜的双光束干涉薄膜的双光束干涉 171819单层膜的多光束干涉单层膜的多光束干涉 多光束干涉强度多光束干涉强度的计算原则上和双光的计算原则上和双光束完全相同，也是先束完全相同，也是先把振动迭加，再计算把振动迭加，再计算强度，差别仅在于参强度，差别仅在于参与干涉的光束由
11、两束与干涉的光束由两束增加到多束，至于计增加到多束，至于计算方法则以采用复振算方法则以采用复振幅最为方便。幅最为方便。20Maxwells equations波动方程波动方程折射率：refractive index211.波动方程：在原点0:E=E0 cost 在p点:真空中 E=E0 cos(t-2x/)介质中 E=E0 cos(t-2Nx/)Nx-光程差用欧拉公式，另一种表示方法：E=E0 e i(t-2Nx/)=E0 e-i2Nx/e it (1)2.复折射率 N:-磁场幅值与电场幅值之比 H=N(kE)或 若自由空间导纳取1，则光学导纳 Y=N0 x p(2)22折射率与导纳折射率与导
12、纳23Refractive index243.坡印廷矢量(能流密度)S:单位时间通过单位面积的能量 S=EH 积分平均值：4.边界条件-切向分量连续 E0 tan=E1 tan ,E0itan+E0rtan=E1t tan H0 tan=H1 tan ,H0itan+H0rtan=H1t tan(3)(4)25第二节第二节 单界面的反射和折射单界面的反射和折射a.垂直入射垂直入射 由切向分量连续：(1)(2)(1)N1-(2)得振幅反射系数得振幅反射系数:(1)N0+(2)得振幅透射系数得振幅透射系数:E0iE0rE1t介质 0介质 1kN0N126垂直入射时能量反射率和透射率垂直入射时能量反
13、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 N0N127史托克定律史托克定律设r,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N0N1rt11rtrr2rtttttrrttr2trttr(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.倾斜入射倾斜入射qrqrp-S-N:Admittance or
14、 index:Amended admi.or effect.index29倾斜入射时反射系数和透射系数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)反射系数:p-:s-:0E0iE0itan透射系数:p-:s-:31倾斜入射时能量反射率和透射率倾斜入射时能量反射率和透射率:01N0N1ab32小结小结 垂直入射垂直入射 倾斜入射倾斜入射N0N1RT33第三节第三节 单层薄膜的传输矩阵单层薄膜的传输矩阵3435(e i1=cos1+i sin1,e-i1=c
15、os 1-i sin 1 )36H0=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故等效导纳：故等效导纳：3839第四节第四节 多层膜的分析方法多层膜的分析方法1.导纳矩阵法导纳矩阵法4041=(2/)nd cos4243M=1.m11=m22,real;m21,m12 pure imaginary2.M11m22-m12m21=13.=(m21/m12)1/24.M(,)s=M(,s)442.E4546 HLH,HLHLHLH,0.5HL0.5HM=M11=M22且:|M|=1等效折射率等效位相47n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
16、48n长波通截止滤光片长波通截止滤光片 (0.5H L 0.5H)pn 短波通截止滤光片短波通截止滤光片 (0.5L H 0.5L)p 等效导纳等效导纳 (H:2.35,L:1.45)(H:2.35,L:1.45)0.5H L 0.5H 0.5L H 0.5Lg(0/)E E0.01.841.840.21.821.870.41.731.960.61.532.220.80.853.981.0虚数虚数-截止区截止区虚数虚数-截止区截止区1.26.460.521.43.600.941.63.171.071.83.031.122.0虚设虚设虚设虚设49G(0.5HL0.5H)10 A G (0.5HL0.5H)10 A503.3.矢量分析法矢量分析法 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？什么情况下可忽略多次反射？双光束干涉与多光束干涉双光束干涉与多光束干涉 R=0.04 T=0.96 R=0.80 T=0.20反射光强 透射光强 反射光强 透射光强1 0.04 1 0.92 2 0.037 2 0.0015 3 0.0000006 3 0.0000031 0.80
