第1章光学薄膜基础知识

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1、第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院第1章 薄膜光学基础知识什么是光学薄膜？光学薄膜的主要应用光学的本性及其描述光的偏振及其表征（S光和P光）光的干涉原理光学薄膜的基本原理1第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院光学薄膜器件2第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院1、光学薄膜的发展历史、光学薄膜的发展历史 人类最早发现的五光十色的肥皂泡； 水面上彩色斑烂的油膜； 两玻璃片间的空气层中常呈现出色彩鲜艳的光环； 所有这些现象早在十七世纪就引起了许多自然科学家的注意，他们各自部提出了一些初步解释，但均不令人满

2、意 ； 1801年托马斯 杨干涉实验结果以及菲涅耳对此进一步发扬光大以后，上述现象才彻底为人们弄清，物理光学的基础才从此建立起来今天我们可以说，整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉干涉。 3第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院夫琅和费早在1827年制成了可以说是第一批减反射膜，他将经过精细地抛光的平面玻璃一半放在浓硫酸或浓硝酸中腐蚀。将玻璃上的酸液清洗干净之后发现，经酸腐蚀的表面所反射的光强远低于另一半表面的反射光强，即酸经过的那部分玻璃表面失掉了某种成分，形成薄薄一层折射率比玻璃基底折射率低的失泽层，不过玻璃还未遭刻蚀；“因为其适时光仍和另一半表面一样(实际上更

3、高)，以致在透射光中仔细检查也不能找出它们的分界线来，”经过硫酸或硝酸的这种处理之后，有些牌号的玻璃表面呈现美丽鲜艳的色彩；使光沿各种不同的角度入射，则色彩婉如肥皂泡一样变幻无穷。4第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院1886年瑞利在英国皇家协会报告说：“失泽”的冕玻璃平板，其反射比刚抛光更低原因是玻璃形成了薄薄的一层膜。1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章中写到，在使用几年后的普通物镜的火石玻璃透镜上“失泽”现象是十分明显的。我们很高兴的是，能够使这种火石玻璃的拥有者放心，通常用怀疑眼光看待的这层使玻璃“失泽”的薄膜，却正是观测者的“

4、挚友”，因为它增加了物镜的透射率。5第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院事实上，泰勒发展了一种用化学侵蚀产生“失泽”而制作化学减反膜的方法。 目前制备光学应用的薄膜的主要方法是真空蒸发法和溅射法，后者在十九世纪中叶就发现了，而前者可追朔到二十世纪初。但在1930年以前，它们不能作为实用的镀膜方法，因为没有获得高真空的真正适用的抽气机，直到1930年出现了油扩散泵机械泵抽气系统以后，制造实用的真空镀膜机才成为可能。 6第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院三十年代中期德国的鲍尔和美国的斯特朗先后用真空蒸发方法制备了单层减反射膜，这种简

5、单的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地应用。 折射率为1.52的玻璃敷有折射率为1.38的氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从4.2%减少到1.5%左右，例如7块平板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为： T(0.97)780.7% 未镀膜： T=(0.92)7=55.7%这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25的透射能量7第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院20世纪中期：主要是在薄膜设备的改进与镀膜产品种类以及质量的提高得到了发展，形成了典型的减反射、高反射、滤光片等光学薄膜器件；20世纪末21世纪初光电子技术得到了飞速发展，光学薄膜器件向性能要求

6、和技术难度更高、应用范围和知识领域更广、器件种类和需求数量更多的方向迅速发展；随着数码相机、数码摄像机、背投电视以及光纤通信的发展，光学薄膜产品需求数量巨大，特对是对偏振分束膜、消偏振分束膜、超窄带滤光片、超宽带截止滤光片等复杂膜系的要求越来越高；8第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院干涉现象是薄膜光学的起源1801年托马斯. 杨干涉实验是其理论基础夫琅和费在1827年制成了第一批减反射膜1873年，麦克斯韦的巨著论光和磁，进一步奠定了薄膜光学的理论基础1930年油扩散泵的出现促进了光学薄膜的发展各种制备技术是光学薄膜发展的保障几乎所有的光学系统、光电系统和光电

7、仪器都离不开光学薄膜的应用，而且到目前为止，也没有发现有别的技术可以取代光学薄膜；9第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院薄膜光学发展的三大推动力20世纪60年代的发明的激光器20世纪末光通信波分复用技术(DWDM滤光片）今天，新型微结构功能薄膜的出现给光学与光电子薄膜技术注入新的生命力新概念、新材料、新设计、新方法、新应用10第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院2、什么是薄膜光学？薄膜可分成两大部分，第一部分是光学薄膜，第二部分是光学波导及其相应器件；前者的特点是光横穿过薄膜而进行传播；后者的特征是光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传

8、播，对于光学薄膜，在一块基片上淀积五、六十层膜并非罕见，涂镀工艺是比较成熟的；而对光学波导，则膜层层数一般不多，通常仅用一层膜，其镀制工艺仍处在发展初期。本课程讲的是第一种情况。11第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院Optical coatings:一般来讲薄膜敷于光学玻璃、塑料、晶体等基底上；Optical layers:光学薄膜的一个特点是分层结构；Optical thin films：通常意义的光学薄膜；Optical layers:光学薄膜的一个特点是分层结构；12第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 光在通过分层媒质时

9、，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向产生光的干涉现象。rtn厚度为波长量级n能够产生干涉作用n,drt13第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院薄膜光学的研究对象薄膜光学是物理光学的一个重要分支它研究的对象是膜层对光的反射、透射、 吸收以及位相特性、偏振效应等；简而言之，它主要研究光在分层媒质中的 传播规律性。14第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院薄膜光学的实质n光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向产生光的干涉现象;n人们正是利用这种干涉现象，通过改变材料及其厚度等特性来人为的控制光的

10、干涉，根据需要来实现光能的重新分配。15第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院光学薄膜在光学系统中的作用：光学薄膜在光学系统中的作用：提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。 实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等 16第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院3、与光学薄膜有关的产业？镀膜眼镜幕墙玻璃滤光片ITO膜车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片光通信领

11、域：DWDM、光纤薄膜器件红外膜投影显示17第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院4、光学 是关于电磁辐射的产生、传播、接收和显示以及与物质相互作用的应用型科学。18第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院电磁波谱电磁波谱可用统一的电磁理论处理各种波长的电磁现象可用统一的电磁理论处理各种波长的电磁现象1 10-10m可见光：可见光：400700nm19第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院O O法线法线:NN :NN 法线垂直水法线垂直水面面折射角折射角: :折射角折射角 入射角入射角四线共面四线共面, ,

12、二角相等二角相等. .20第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院全反射光纤光纤(光导纤维光导纤维)的基本原理的基本原理21第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 人在水上看到人在水上看到物体的像，比实际物体的像，比实际物体位置偏上，感物体位置偏上，感觉水比较浅。觉水比较浅。22第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院23第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院有大气，看到太阳更早有大气，看到太阳更早没有大气，将迟一些看到太阳没有大气，将迟一些看到太阳24第第1 1章章 薄膜光学基

13、础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院海海市市蜃蜃楼楼光经过不均匀的大气时发生折射，光经过不均匀的大气时发生折射，形成的虚像。形成的虚像。25第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院海市蜃楼海市蜃楼 26第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院看到的水中部看到的水中部分应向上弯折分应向上弯折违背了光的折违背了光的折射规律射规律27第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院不经风雨，怎能见到彩虹！不经风雨，怎能见到彩虹！只闻其声，不见其人只闻其声，不见其人衍射是波特有的性质！衍射是波特有的性质！28第第1 1章

14、章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院远古对光学的初步研究远古对光学的初步研究中国：墨经中国：墨经光学光学 知识的最早记录知识的最早记录 光的直线传播小孔成像、平面镜、凹 面镜、凸球面镜中物像关系公元前公元前468376年年 29第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院国外：国外：光学光学欧几里德欧几里德 比比墨经墨经 迟迟100年年 平面镜成像平面镜成像 反射角反射角= =入射角入射角毕达哥拉斯、德漠克利特、柏拉图、毕达哥拉斯、德漠克利特、柏拉图、亚里士多德亚里士多德十七世纪以前十七世纪以前罗马帝国的灭亡罗马帝国的灭亡黑暗时代黑暗时代培根培根暗示

15、过望远镜的可能性。暗示过望远镜的可能性。Euclid，公元，公元前前330275年年 30第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院十七世纪上半叶十七世纪上半叶1608年，荷兰人李普塞发明了第一架望远镜，年，荷兰人李普塞发明了第一架望远镜，显微镜显微镜天文学、航海、生物学、医学天文学、航海、生物学、医学1611年，法国人开普勒年，法国人开普勒 折光学，折光学，1621年，荷兰人斯年，荷兰人斯涅耳涅耳， 1630年，笛卡儿年，笛卡儿折光学折光学折射定律折射定律1657年年，费马，费马反射和折射定律反射和折射定律 几何光学体系基本形成几何光学体系基本形成 几何光学的建立几

16、何光学的建立31第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院1672年，牛顿三棱镜色散试验，牛顿环（胡克）年，牛顿三棱镜色散试验，牛顿环（胡克）开创了光谱学的研究开创了光谱学的研究光学和物质结构研究的主要手段光学和物质结构研究的主要手段16681668年，反射式望远镜（牛顿），克服了折射式年，反射式望远镜（牛顿），克服了折射式 望远镜的缺点（色差）望远镜的缺点（色差）几何光学的建立几何光学的建立32第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院微粒说和波动说的争论 微粒说牛顿光是由微粒组成的。光微粒遇到介质会受到吸引 成功揭示了折射定律； 光在介质

17、中的速度比真空中快。 不能解释肥皂泡（薄膜）的色条纹波动光学的建立波动光学的建立牛顿牛顿 33第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院牛顿环的发现牛顿环的发现亮亮暗暗“透射性发作透射性发作”与与“反射性发作反射性发作”波动光学的建立波动光学的建立为波动光学提供了为波动光学提供了重要手段重要手段34第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院波动说波动说胡克、惠更斯胡克、惠更斯 1690年，惠更斯出版论光年，惠更斯出版论光光是介质（以太）中传播的波。光是介质（以太）中传播的波。 （惠更斯原理）（惠更斯原理）解释了反射定律，解释了折射解释了反射定

18、律，解释了折射定律（假定光在介质中的传播定律（假定光在介质中的传播速度比空气中更慢）速度比空气中更慢）双折射现象双折射现象惠更斯惠更斯 直到十八世纪，微粒说占统治地位直到十八世纪，微粒说占统治地位35第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院1801年，托马斯年，托马斯杨杨双缝干涉双缝干涉波的干涉解释了双缝实验和薄膜颜色。波的干涉解释了双缝实验和薄膜颜色。提出了光是横波提出了光是横波偏振现象偏振现象1818年，法国人菲涅尔年，法国人菲涅尔小孔衍小孔衍射射-波动光学的缔造者波动光学的缔造者从波动说算出了条纹分布从波动说算出了条纹分布充实了惠更斯原理充实了惠更斯原理光是光

19、是“绝对以太绝对以太”中的机械波中的机械波托马斯托马斯杨杨36第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院1845年，法拉第年，法拉第光的振动面在强磁光的振动面在强磁场中的旋转场中的旋转1856年，韦伯年，韦伯电荷的电磁单位和静电荷的电磁单位和静电单位的比值电单位的比值=光在真空中的速度光在真空中的速度 将光与电磁现象联系起来将光与电磁现象联系起来波动光学的建立波动光学的建立37第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院1865年，麦克斯韦年，麦克斯韦光的电磁理论光的电磁理论麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦麦克斯韦1887年，赫兹发现了电磁

20、波年，赫兹发现了电磁波 电磁光学建立电磁光学建立真空中：真空中： 1832年年,法拉第猜想法拉第猜想:电磁作用可能以波的电磁作用可能以波的形式传播，而且光可形式传播，而且光可能就是一种电磁波动能就是一种电磁波动 38第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院量子论和相对论的建立量子论和相对论的建立黑体辐射曲线黑体辐射曲线黑体辐射黑体辐射能量随波长分布能量随波长分布1900年，普朗克的量子假说：年，普朗克的量子假说： 某种频率光的能量是以某一最某种频率光的能量是以某一最小单位产生小单位产生成功解释了黑体辐射问成功解释了黑体辐射问题，开始了量子光学时题，开始了量子光学时期

21、期普朗克普朗克39第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院1905年，爱因斯坦年，爱因斯坦光在辐射与吸收中均光在辐射与吸收中均以基本单位能量发生以基本单位能量发生光的波粒二象性光的波粒二象性光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应光电效应光电效应爱因斯坦爱因斯坦光同时具有波动和微粒两种特性光同时具有波动和微粒两种特性40第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院光的电磁场描述41第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院42第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院43第第1 1章章 薄膜

22、光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院44第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院45第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院46第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院47第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院48第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院49第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院光的波动方程50第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院51第第1 1章章 薄膜光学基础知识

23、薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院52第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院53第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院54第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院55第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院56第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院57第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院振幅频率初相位光的电磁波描述表达式振幅、相位、频率和偏振是描述光的四个参量58第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大

24、学物理科学学院59第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 5、光波的偏振性、光波的偏振性Ev0H光矢量光矢量光矢量光矢量振动面振动面振动面振动面5.1横波与偏振：横波与偏振：纵波纵波振动方向振动方向/传播方向，唯一的传播方向，唯一的横波横波振动方向振动方向 传播方向，不唯一的传播方向，不唯一的结论：结论：（1 ）只有横波才具有偏振性）只有横波才具有偏振性（2）光是横波也具有偏振性）光是横波也具有偏振性60第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院二向色性二向色性如墨镜如墨镜,立体电影立体电影,偏振显微镜偏振显微镜 偏偏偏偏振振振振化化化化

25、方方方方向向向向自自然然光光线线偏偏振振偏振片偏振片演示演示定义：定义： 具有二向色性材料制成的具有二向色性材料制成的,只允许特定振动方向只允许特定振动方向的光通过的光学器件的光通过的光学器件.-只允许通过某方向的振动只允许通过某方向的振动,而对其垂直方向而对其垂直方向则强烈吸收则强烈吸收.天然材料：少数晶体。例电气石天然材料：少数晶体。例电气石,硫酸碘奎宁硫酸碘奎宁应用应用:无光出射61第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院偏偏偏偏振振振振化化化化方方方方向向向向自自然然光光线线偏偏振振偏振片偏振片2.1 光的三种偏振态光的三种偏振态1. 自然光：自然光：光矢量

26、具有各个方向的振动光矢量具有各个方向的振动,且各方向振动几率且各方向振动几率相等相等,彼此独立彼此独立(各振幅相等各振幅相等无固定位相关系无固定位相关系)。几何表示几何表示:. . . . . .定义定义 : I0自然光通过偏振片的光强变化自然光通过偏振片的光强变化I 0偏振片转动偏振片转动, 透射光强不变。透射光强不变。19-2 自然光和线偏振光自然光和线偏振光; 马吕斯定律马吕斯定律(由于振动平面的无规则取向由于振动平面的无规则取向,使光矢量具有环绕传播方向的对称性使光矢量具有环绕传播方向的对称性.)产生：产生： 举例：阳光、白炽灯、普通光源举例：阳光、白炽灯、普通光源62第第1 1章章

27、薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院-马吕斯定律马吕斯定律2. 线偏振光线偏振光-光矢量只限于一个确定的振动方向的光光矢量只限于一个确定的振动方向的光.几何表示几何表示. . . . .线偏振光通过偏振片的光强变化线偏振光通过偏振片的光强变化定义定义:-马吕斯定律马吕斯定律A2 cosA1=I0. .自然光自然光线偏振光线偏振光I2I1产生：例：自然光经偏振片后的光，液晶显示的光产生：例：自然光经偏振片后的光，液晶显示的光-入射偏振光振动方向与入射偏振光振动方向与p2透振方向的夹角透振方向的夹角63第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院马吕斯定律马

28、吕斯定律讨论讨论: 1.2.转动偏振片转动偏振片P2, 可看到光强由最亮变到全暗可看到光强由最亮变到全暗. .自然光自然光线偏振光线偏振光I2I13.P1-起偏器起偏器- 将非偏光变成线偏光的器件将非偏光变成线偏光的器件 起偏器起偏器检偏器检偏器P2-检偏器检偏器检验光的偏振态的器件检验光的偏振态的器件（偏振片、玻璃、尼科耳等）（偏振片、玻璃、尼科耳等）（偏振片、玻璃、尼科耳等）（偏振片、玻璃、尼科耳等）64第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院. . . .起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器， 光强

29、发生变化光强发生变化65第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院. . . .起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化光强发生变化66第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院. . . .起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化光强发生变化67第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院. . . .起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检

30、偏器，偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化光强发生变化68第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院. . . .起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化光强发生变化69第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院. . . .起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化光强发生变化70第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院. . . .起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然

31、光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化光强发生变化71第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院. . . .起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化光强发生变化两偏振片的偏振化方向相互垂直两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零光强为零72第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院3、部分偏振光、部分偏振光（介于线偏和自然光之间的一种光）（介于线偏和自然光之间的一种光）几何表示几何表示:定义定义:通过偏振片的光强通过偏振片的光强

32、-各方向振动都有且位相独立，但在某个方向的振各方向振动都有且位相独立，但在某个方向的振动占优势动占优势, 关于传播轴成非球对称分布关于传播轴成非球对称分布. . .产生：例：偏振片吸收不好产生：例：偏振片吸收不好,透射光为部分偏振光透射光为部分偏振光, 折射光折射光,反射光反射光.入射光强：入射光强：I0=IM+Im透射光强：透射光强：转动偏振片转动偏振片P2, 可看到光强由最亮变到较暗（不是全暗）可看到光强由最亮变到较暗（不是全暗）73第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院透振方向相互平行透振方向相互平行74第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大

33、学物理科学学院透振方向成透振方向成 45 度度75第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院透振方向相互垂直透振方向相互垂直76第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院4、圆偏振光（、圆偏振光（P=1）定义定义几何表示几何表示:只有一个只有一个 其大小不变，方向随其大小不变，方向随t转转,E端点轨端点轨 迹为一个圆。（分左旋、右旋）迹为一个圆。（分左旋、右旋）zAxAy时间平均效果时间平均效果Ax，Ay完全相关完全相关圆光的产生圆光的产生xyA-同频、同幅、同频、同幅、 二垂直线偏光合成二垂直线偏光合成检偏：检偏：I0IPPA/A 77第第

34、1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院5、椭圆偏振光、椭圆偏振光定义定义t时，一个时，一个 ， 大小方向随大小方向随t转，转， 端点轨迹为一端点轨迹为一 个椭圆。个椭圆。几何表示几何表示:椭圆光的产生椭圆光的产生zAxAy时间平均效果时间平均效果Ax，Ay完全相关完全相关同频、不同幅同频、不同幅 的互相垂直的二线偏光合成的互相垂直的二线偏光合成检偏：检偏：I0IPPxyAyAxAy/Ax/P转动时转动时IP在在Imax和和Imin间变化间变化。78第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 实验和理论表

35、明：实验和理论表明：反射光反射光: S 分量强度较大，分量强度较大，折射光折射光: P 分量强度较大。分量强度较大。以任意角度入射以任意角度入射自然光自然光以任意角入射时以任意角入射时, ,反射和折射光一般都为部分偏振光。反射和折射光一般都为部分偏振光。.in1n2rS.P|结论结论: :反射和折射光的偏振性反射和折射光的偏振性1812年布儒斯特经大量实验发现：年布儒斯特经大量实验发现： -反射光的偏振化程度取决于入射角反射光的偏振化程度取决于入射角i，79第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院布儒斯特定律布儒斯特定律1812-起偏角起偏角iB证证:布儒斯特定律布

36、儒斯特定律证毕证毕自然光自然光以以iB入射入射P分量全部折射分量全部折射-反射光只有反射光只有S分量分量-线偏振光线偏振光.S分量不全反射分量不全反射-折射光有折射光有SP分量分量-部分偏光部分偏光.i0i0n1n2r例：-当光以某特定角当光以某特定角 iB 入射，则入射，则反射反射光为振动垂直于入射面的线偏振光。光为振动垂直于入射面的线偏振光。iBiB. . .（2）布儒斯特定律可测）布儒斯特定律可测n2iB.80第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的自然光总能量的7

37、.4%，而约占，而约占85%的垂直分量和的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。全部平行分量都折射到玻璃中。 为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的办法。一束自然光以起偏角的办法。一束自然光以起偏角56.30入射到入射到20层平板层平板玻璃上，如图：玻璃上，如图： 1.51.51.51.01.01.01.081第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院例题例题3：已知某材料在空气中的布儒斯特角：已知某材料在空气中的布儒斯特角 i0 = 580 ， 求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率求它的折射率？若将它放在水中（水的

38、折射率 为为 1.33），求布儒斯特角？该材料对水的相对），求布儒斯特角？该材料对水的相对 折射率是多少？折射率是多少？设该材料的折射率为设该材料的折射率为 n ，空气的折射率为，空气的折射率为12 放在水中，则对应有放在水中，则对应有所以：所以：该材料对水的相对折射率为该材料对水的相对折射率为1.2解：解：182第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院光的双折射光的双折射双折射现象及规律双折射现象及规律1.定义定义: 一束光入射一束光入射各向异性介质各向异性介质 晶体被折射为两束的现象。晶体被折射为两束的现象。寻常光（寻常光（o光）光）遵从折射定律的光线遵从折射定

39、律的光线非常光（非常光（e光）光） 不遵从折射定律的光线不遵从折射定律的光线演示演示（e光）光） （o光）光）（e光）光） （o光）光）83第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院方解石晶体的双折射现象方解石晶体的双折射现象84第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光光光光光 光光光光 光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光 光光光光光光光光光光光光光光光光光光当当当当i=0i=0i=0i=0时，以入射

40、光线为轴转动方解石时，以入射光线为轴转动方解石时，以入射光线为轴转动方解石时，以入射光线为轴转动方解石晶体旋转时晶体旋转时晶体旋转时晶体旋转时，o o o o光不动，光不动，光不动，光不动，e e e e光围绕光围绕光围绕光围绕o o o o光旋转光旋转光旋转光旋转.oeACDB.eo85第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院2. o. e 光的异同光的异同 (1) o,e 光皆是线偏振光光皆是线偏振光(2) o,e光的偏振方向不同光的偏振方向不同(3) o光沿各方向传播的速度相同光沿各方向传播的速度相同e光沿各方向传播速度不相同光沿各方向传播速度不相同（e光）光

41、） （o光）光）Vevo86第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院几个关于晶体的概念几个关于晶体的概念1.光轴光轴:当光线沿一方向传播时无双当光线沿一方向传播时无双 折射折射.称称该方向该方向为晶体的光轴为晶体的光轴单晶单晶(方解石方解石石英）石英）双晶双晶(云母云母硫磺）硫磺）3.主截面主截面:光轴与自然晶面法线所组成的平面光轴与自然晶面法线所组成的平面*。 推论推论:光轴方向光轴方向-n0=ne v0=ve78010202.主平面主平面:折射光与光轴构成的面折射光与光轴构成的面.*特例特例:当入射光线在主截面内时当入射光线在主截面内时.光光光光面面面面主主主主

42、光光光光面面面面主主主主平平平平平平平平eo光光光光e光光光光o光轴光轴87第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院单晶中单晶中 o, e 光的波阵面光的波阵面 1. O光波面光波面:2. e光波面光波面:正晶体正晶体光轴光轴vevovevonone*以光轴为对称轴以光轴为对称轴,与与“o”波面相切的波面相切的旋转椭球面旋转椭球面负晶体负晶体光轴光轴vovevevonone*波面波面e波面波面o主折射率主折射率88第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院5、 光的干涉光的干涉1 光的叠加原理光的叠加原理 光传播的独立性：光传播的独立性：两

43、列波在某区域相遇后再两列波在某区域相遇后再分开，传播情况与未相遇时相同，互不干扰分开，传播情况与未相遇时相同，互不干扰. 光的叠加性：光的叠加性：在相遇区，任一质点的振动在相遇区，任一质点的振动为二波单独在该点引起的振动的合成为二波单独在该点引起的振动的合成.89第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 频率相同、振动频率相同、振动方向平行、相位相同方向平行、相位相同或相位差恒定的两列或相位差恒定的两列光相遇时，使某些地光相遇时，使某些地方振动始终加强，而方振动始终加强，而使另一些地方振动始使另一些地方振动始终减弱的现象，称为终减弱的现象，称为光的干涉现象光的干涉现

44、象.2 光的干涉光的干涉90第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 波频率相同，振动方向相同，位相差恒定波频率相同，振动方向相同，位相差恒定 例例 水波干涉水波干涉 光波干涉光波干涉 某些点振动始终加强，另一些点振动始终某些点振动始终加强，另一些点振动始终减弱或完全抵消减弱或完全抵消. ( (2) )干涉现象干涉现象满足干涉条件的波称相干波满足干涉条件的波称相干波.( (1) )干涉条件干涉条件91第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院波源振动波源振动点点P 的两个分振动的两个分振动(3)(3)干涉现象的定量讨论干涉现象的定量讨论*9

45、2第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院定值定值*93第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院合振幅最大合振幅最大当当合振幅最小合振幅最小当当位相差位相差 决定了合振幅的大小决定了合振幅的大小. .干涉的位相差条件干涉的位相差条件讨讨 论论94第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院位相差位相差加强加强减弱减弱称为波程差称为波程差（波走过的路程之差）（波走过的路程之差）则则如果如果 即相干波源即相干波源S1、S2同位相同位相95第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 将合振幅加强

46、、减弱的条件转化为干涉将合振幅加强、减弱的条件转化为干涉的波程差条件，则有的波程差条件，则有当当时（半波长偶数倍）时（半波长偶数倍）合振幅最大合振幅最大当当时（半波长奇数倍）时（半波长奇数倍） 合振幅最小合振幅最小 干涉的波程差条件干涉的波程差条件96第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院实实 验验 装装 置置p杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验波程差波程差97第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院实实 验验 装装 置置p加强加强 减弱减弱98第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院相邻明纹（或暗纹）间距相邻

47、明纹（或暗纹）间距干涉相长，明纹干涉相长，明纹干涉相消，暗纹干涉相消，暗纹99第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院(1) (1) 一系列平行的明暗相间条纹；一系列平行的明暗相间条纹； (3)(3)条纹特点：条纹特点：(2) (2) 条纹等间距；条纹等间距；双缝干涉条纹双缝干涉条纹双缝干涉条纹双缝干涉条纹 (4) (4) 中间级次低；且中央条纹中间级次低；且中央条纹 为明条纹。为明条纹。（5） 用用复色光复色光作实验时，作实验时，各明暗条纹的间距并不相各明暗条纹的间距并不相同同。波长较短的单色光，条纹较密；波长较长的单色。波长较短的单色光，条纹较密；波长较长的单色

48、光，条纹较稀。光，条纹较稀。用白光作实验，则只有中央条纹为白色，其用白光作实验，则只有中央条纹为白色，其两侧形成由紫而红的彩色条纹。两侧形成由紫而红的彩色条纹。100第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院( (1) ) 一定时，若一定时，若 变化变化, , 则则 将怎样变化？将怎样变化？101第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院( (2) ) 一定时一定时, ,条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？102第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院在双缝干涉实验中：在双缝干涉实验中：（1）如何使屏上

49、的干涉条纹间距变宽？如何使屏上的干涉条纹间距变宽？（2）将双缝干涉装置由空气中放入水中时，将双缝干涉装置由空气中放入水中时，屏上的干涉条纹有何变化屏上的干涉条纹有何变化？（3）若若S1、S2两条缝的宽度不等，条纹有何两条缝的宽度不等，条纹有何 变化？变化？思考题思考题103第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院例例1 1 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？的彩色光谱？解解: : 用白光照射时，用白光照射时，0 0级明纹为白光级明纹为白光; ;当当k k级红明纹位置等于级红明纹位置等于k+1k+1级紫

50、明纹位置时，级紫明纹位置时，光谱恰好发生重叠。光谱恰好发生重叠。其它级：内紫外红其它级：内紫外红104第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 将将 红红 = 7600， 紫紫 = 4000代入得代入得 k=1.1 只有第一级彩色光谱是清晰可辨的。只有第一级彩色光谱是清晰可辨的。因为因为 k只能取整数，所以应取只能取整数，所以应取 k=2105第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院6 光学薄膜的基本原理光学薄膜的基本原理光在真空中的速度光在真空中的速度光在介质中的速度光在介质中的速度真空中的波长真空中的波长介质的折射率介质的折射率介质中

51、的波长介质中的波长106第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院*P*107第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 波程差波程差 相位差相位差 *P*介质中的波长介质中的波长108第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 物理意义物理意义：光程就是光在介光程就是光在介质中通过的几何路程按相位差相质中通过的几何路程按相位差相等折合到真空中的路程等折合到真空中的路程.*P* ( (1) )光程光程: 介质折射率与光的几何路程之积介质折射率与光的几何路程之积 =109第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识

52、青岛大学物理科学学院( (2) )光程差光程差 (两光程之差两光程之差)光程差光程差*P*相位差相位差110第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 干涉干涉加强加强 干涉干涉减弱减弱111第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院AB二二 透镜不引起附加的光程差透镜不引起附加的光程差AB焦平面焦平面112第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院PL三三 薄膜干涉薄膜干涉DC34E5A1B2113第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院PLDC34E5A1B2114第第1 1章章 薄膜

53、光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 反反射光的光程差射光的光程差加加 强强减减 弱弱PLDC34E5A1B2115第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 透透射光的光程差射光的光程差注意：注意：透射光和反透射光和反射光干涉具有互补射光干涉具有互补 性性 ，符合能量守恒，符合能量守恒定律定律.根据具体根据具体情况而定情况而定PLDC34E5A1B2116第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 当光线垂直入射时当光线垂直入射时当当 时时当当 时时117第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 ( (2) )透射光的光程差透射光的光程差红光红光紫光紫光紫紫红红色色118第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院 增透膜和增反膜增透膜和增反膜利用薄膜干涉可以提高光学器件利用薄膜干涉可以提高光学器件的透光率的透光率 .119第第1 1章章 薄膜光学基础知识薄膜光学基础知识青岛大学物理科学学院23玻璃玻璃取取（增强增强）氟化镁为增透膜氟化镁为增透膜例例 为了增加透射率，求氟化镁膜的最为了增加透射率，求氟化镁膜的最小厚度已知小厚度已知 空气空气n1=1.00，氟化镁，氟化镁 n2=1.38 ，=550 nm减弱减弱解解 则则120