光学薄膜技术第二章
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光学薄膜技术第二章
光学薄膜技术第二章典型膜系介绍根据英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、 苴她特殊应用的薄膜一、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就是镜片上能降低反射的镀膜。
在很多应用领域中，增透 膜就是不可缺少的，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，假左每个玻璃与空气的界而有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%0大功率激光系统要求某些元件有极低的表而反射，以避免敏感元件受到不需要的反射光的破坏。
此外，宽 带增透膜可以提髙象质量、色平衡与作用距离,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nl 的另一介质时，在两介质的分界而上就会产生光的反射, 如果介质没有吸收，分界而就是一光学表而,光线又就是垂直入射，则反射率R 为：R =巴二勺 透射率r = i- 帆+厲丿例，折射率为1、52的冕牌玻璃,每个表面的反射约为4、2強，折射率较髙的火仃玻璃表而的反射更为显著。
这种表而反射造成了两个严重的后果：① 光能量损失，使像的亮度降低：② 表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也达到像平而，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，它的主要功能就是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表而的反射光，从而增加 这些元件的透光量,减少或消除系统的杂散光」最简单的增透膜就是单层膜，它就是镀在光学零件光学表而上的一层 率较低的介于空气折射率与光学元件折射率之间的薄膜。
以使某些颜色的 光在表而上的反射干涉相消，增加透射。
使用最普遍的介质膜材料为氟化镁, 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。
第二章薄膜的制备ppt课件
在信息显示技术中的应用
在信息存贮技术中的应用
• 第二是在集成电路等电子工业中的应用， 其中，从外延薄膜的生长这一结晶学角 度看也具有显著的成果。
在计算机技术中的应用
在计算机技术中的应用
• 第三是对材料科学的贡献。薄漠制 备是在非平衡状态下进行，和通常的热 力学平衡条件制备材料相比具有：所得 材料的非平衡特征非常明显;可以制取普 通相图中不存在的物质;在低温下可以制 取热力学平衡状态下必须高温才能生成 的物质等优点。
薄膜的主要特性
• 材料薄膜化后，呈现出的一部分主要特性：
•
几何形状效应
• 块状合成材料一般使用粉末的最小尺寸为 纳米至微米，而薄膜是由尺寸为1埃左右的原子
或分子逐渐生长形成的。采用薄膜工艺可以研
制出块材工艺不能获得的物质(如超晶格材料)，
在开发新材料方面，薄膜工艺已成为重要的手
段之一。
非热力学平衡过程
无机薄膜制备工艺
• 单晶薄膜、多晶薄膜和非晶态薄膜在现代微 电子工艺、半导体光电技术、太阳能电池、光纤 通讯、超导技术和保护涂层等方面发挥越来越大 的作用。特别是在电子工业领域里占有极其重要 的地位，例如半导体集成电路、电阻器、电容器、 激光器、磁带、磁头都应用薄膜。
• 薄膜制备工艺包括：薄膜制备方法的选择； 基体材料的选择及表面处理；薄膜制备条件的选 择；结构、性能与工艺参数的关系等。
(2)双蒸发源蒸镀——三温度法
三温度-分子束外延法主要是用 于制备单晶半导体化合物薄膜。从 原理上讲，就是双蒸发源蒸镀法。 但也有区别，在制备薄膜时，必须 同时控制基片和两个蒸发源的温度， 所以也称三温度法。
三温度法 是制备化合物 半导体的一种 基本方法，它 实际上是在V族 元素气氛中蒸 镀Ⅲ族元素， 从这个意义上 讲非常类似于 反应蒸镀。图 示就是典型的 三温度法制备 GaAs单晶薄膜 原理。
薄膜光学技术‘
i1
s
in
1
i sin 1 cos 1
1
1
S
E
S
令：
B
C
cos 1
i1 sin1
i sin 1 cos 1
1
1
S
则：
1 B
E0
Y
C
ES
E0 YE0
B C
Es
E0 BEs YE0 CEs
等效导纳
Y C B
第21页
强调说明：
①
B
C
cos 1
i1
s
的所有 H、E 。
第8页
2、Fresnell’s formulae and modified admittance
rP
N0cos1 - N1cos0 N0cos1 N1cos1
rs
N0 N0
cos 0 cos 0
N1 N1
cos 1 cos 1
tP
2N 0cos0 N0cos1 N1cos0
和反射率
r
0
Y
0
Y
R 0 Y 0 Y 2
➢反射系数是复数，由模 r 和反射相移 r 两部分组成。
因此，只要求出了单层膜与基底的组合等效导纳，就可
以计算出单层膜的反射系数和反射率 。
第14页
1. 单层介质膜与基底组合的等效导纳
（1）.电磁场关系
1）①.方介向质：中E同, H一 ,点k0 成H右手 Y螺旋k0关 系E ．
tp
2N 0cos0 N0cos1 N1cos0
1
s
K cos 0 cos 1
p
其中，计算 rs和 t s时，公式中的 应代入 s；
现代光学薄膜制造技术讲义2
1
上述设计有两个问题， ：
在 650nm 处， T > 50％， 于是我们将上面膜系的中心波长由 800nm 改为 760nm， 使得 650nm 处 T＝50％
在可见光区波纹太大
第二步， 用传统的短波通膜系理论， 在膜系的前后加 L/2 层， 膜系改成 G│0.5L(HL)8H 1.16L 1.32(HL)8 1.32H 0.66L│A, λ 0＝760nm, 共 37 层 这时膜系在 650nm 波长外， T＝50%, 在 700nm！1200nm， 光被截止 在可见光区的 400nm～630nm 的通带区波纹有所改进 第三步， 优化 400nm～630nm 可见区的透过率 设在上述波长， Tmin＝95％， Tmax＝100％ 优化后， 反射截止区不变， 在 400nm～630nm T≥ 95% 为了今后工艺上的方便， 膜系中的 0.5L 光省略 将 36 层膜系 G│(HL)8H 1.16L 1.32(HL)8 1.32H 0.66L│A 优化， 得到一个 36 层膜： G│1.31H 1.129L 1.079H 1.078H 1.034L 1.01L 0.99H 1.01L
板分光镜， 玻璃用 K9，ng=1.52，45°使用。 我们用 Needle 法
从单片 H 膜开始（8H） ， 用 10min 时间设计如下分光镜。 G│0.02L 0.07H 2.42L 0.43H 0.17L 1.07H 1.05L 0.93H│A 八层膜 式中：λ 0=600nm 其光学性能如下：
02
＝
250nm ， 截止 200nm ～300nm 的紫外光， 将两个膜系叠加， 截止 200nm～400nm 的紫外光。 但是简单的叠加上述两个膜系会在两个膜系截止带的交界区， 即在 λ ＝300nm 附近出现干涉透射峰， 这是我们不愿意看到的， 为此要 在两个膜系之间加连接层。 连接层选用低折射率层， 连接层的膜厚用λ /4 膜， 膜厚的中心波 长采用两个膜系中心波长的平均值。 采用这样的措施后， 就可以消 除在 300nm 附近出现的干涉透射峰，得到截止 200nm～400nm 的紫外 光的 UV 镜。 综合以上设计思想， 得到一个 35 层膜系， 设计结果如下： G│0.5H(LH)7 0.5H 0.857L 0.714(0.5H(LH)7 L 0.5H)│A 或等成 G│0.5HL HL HL HL HL HL HL HL 0.5H 0.857L 0.357H 0.714L 0.714H
薄膜光学技术_第02章 03 中性分光膜
1.68
22
多层分光膜G/ (HL) 8 /G 45度入射
基片折射率1.66， 2.38，1.35
23
例题
在硅基底（折射率3.5）上镀3微米到5微米的 分光膜，角度为45，分光比为1：1，材料为硫 化锌和氟化镁，计算4微米处的反射率？
多层分光膜 G/(HL)82H/G 45度入射 基片折射率3.5， 膜层折射率2.38，1.35 设计波长4600
25
M
p
M HpM Lp
c os H
i Hp sin H cos L
8
i
Hp
sin L
iHp sin H cos H iLp sin L cos L
Ms
M Hs M Ls
c os H
iHs sin H
i Hs
0
1 2 90o
所以有： n1 cos 1 n2 cos 2
又因为： n1 sin 2 n2 sin 1
消去θ2,得Rp=0的入射角θ1=θB
B arctgn2 n1
θB叫布儒斯特角或偏振角。 20
增加S偏振 光的反射率 H,L同时满足布儒斯特角， nH nL 对p分量有效折射率相等: cos H cos L 并符合折射定律: nH sin H nL sin L ns sin s
sin H
c os L
cos H iLs sin L
i Hs
sin
L
8
cosL
Yp
Cp Bp
, Ys
Cs Bs
Rs
薄膜光学技术_第02章 06+07 偏振分光膜和消偏振薄膜
课堂论题十
全介质规则膜系在光学薄膜器件中的重要性
1）反射镜、激光谐振腔 ( LH )S
2）中性分束镜 G/ (HL) 8 /G、 G/2LHLHL/A
3）截止滤光片 4）带通滤光片
H 2
L
H 2
S
、
L 2
H
L 2
S
2 L 2 H 2 Lm 3 3 3
3
（2）(LH)9 stack
λmax 00 550nm
Rmax 0.9994
Rs-max 0.9994
Rp-max 0.9994
Δλs 480-650
Δλp 480-650
300 530nm 0.9992 0.9997 0.9987 440-630 460-620
500 510nm 0.9984 0.9999 0.9969 430-620 450-590
所谓消偏振就是使光学导纳的偏振分离量ΔY=1。 应当注意的是：一个完整的消偏振设计，既需要对
膜系进行，也需要对入射介质和基底介质进行。
16
2.7.2 宽波段消偏振
1.“金属-介质”组合膜系 例：G/H metal H/G 其中 metal —— Ag
Rp Rs
G| 1.18H Ag(19.2nm) 0.82L 0.02M|A
1. 例如:nH=2.35,nL=1.35, ns=1.52，根据上式计算棱镜 应有的角度θs=50.5° 2.例如:nH=2.35,nL=1.35 ,θs=45° ,则，ns=1.66。
8
中心波长处的反射率为：
R
ηs
ηs
ηH2 ηH2
全介质规则膜系在光学薄膜器件中的重要性
1）反射镜、激光谐振腔 ( LH )S
2）中性分束镜 G/ (HL) 8 /G、 G/2LHLHL/A
3）截止滤光片 4）带通滤光片
H 2
L
H 2
S
、
L 2
H
L 2
S
2 L 2 H 2 Lm 3 3 3
3
（2）(LH)9 stack
λmax 00 550nm
Rmax 0.9994
Rs-max 0.9994
Rp-max 0.9994
Δλs 480-650
Δλp 480-650
300 530nm 0.9992 0.9997 0.9987 440-630 460-620
500 510nm 0.9984 0.9999 0.9969 430-620 450-590
所谓消偏振就是使光学导纳的偏振分离量ΔY=1。 应当注意的是：一个完整的消偏振设计，既需要对
膜系进行，也需要对入射介质和基底介质进行。
16
2.7.2 宽波段消偏振
1.“金属-介质”组合膜系 例：G/H metal H/G 其中 metal —— Ag
Rp Rs
G| 1.18H Ag(19.2nm) 0.82L 0.02M|A
1. 例如:nH=2.35,nL=1.35, ns=1.52，根据上式计算棱镜 应有的角度θs=50.5° 2.例如:nH=2.35,nL=1.35 ,θs=45° ,则，ns=1.66。
8
中心波长处的反射率为：
R
ηs
ηs
ηH2 ηH2
光学薄膜技术-02光学特性-2
E0 E11, E0 E11 E0 E0 E0 E11 E11 E11
H 0
H
0
H
0
H11
H11
H11
于是，可得：k0
E0
k0
(E11
E11 )
H 0 (H11 1(k0 E11) 1(k0 E11) 1(k0 E11 k0 E11)
（2）在界面1，2的内侧，不同纵坐标、相同横坐标的两点，只要改变波的位相因子，
等效介质的等效光学导纳
写成矩 k 0 H 0 E 0 阵 e 1 e i i形 1 e e i i 式 k k 0 0 E E 1 1 ： 2 2
（3）同理，根据E和H的 切向 分量 在界2面两 侧连续可写 出在界2面 上：
E12 E12 E2 k0 (E12 E12) k0 E12 k0 E12 k0 E2
E
'
2
E0 ,将其带入上式可得：
H0
Y (k0 E0 )；
将H
2和H
0带入（4）的矩阵
k
0
H
E0
0
cos
i1 sin
1
1
i sin 1 cos1
1
k
0
H
E2
2
，即可得
Y
k0 E0 (k0 E0
)
cos1
i1 sin 1
i 1
s
in
1
cos1
k0 E2 2 (k0 E2
就可确定它们在同一瞬时的状况。正向行进的波的位相因子应乘以exp(i 1 ),而负
向行进的波的位相因子应乘以exp(i 1 )，其中
2
n1d1
c os1。
《现代光学薄膜技术》课件
分类
按照功能和应用，光学薄膜可以 分为增透膜、反射膜、滤光膜、 干涉膜等。
光学薄膜的应用领域
显示行业
液晶显示、等离子显示、投影显示等。
照明行业
LED照明、荧光灯等。
摄影器材
镜头、滤镜等。
太阳能行业
太阳能电池等。
光学薄膜的发展历程
19世纪末
光学薄膜概念诞生，主要用于 镜头增透。
20世纪初
光学薄膜技术逐渐成熟，应用 领域扩大。
真空蒸发镀膜技术适用于各种材料，如金属、半导体、绝缘体等，可以 制备单层膜、多层膜以及复合膜。
真空蒸发镀膜的缺点是难以控制薄膜的厚度和均匀性，且不适用于制备 高熔点材料。
溅射镀膜
溅射镀膜是一种利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材原子或分子溅射出来并沉积在基片上形 成薄膜的方法。该方法具有较高的沉积速率和较好的薄膜质量，适用于制备高质量的多层光 学薄膜。
详细描述
高温防护膜通常由耐高温材料制成，如硅、石英等，能够承受较高的温度和恶劣的环境条件。这种薄膜常用于工 业炉、高温炉、激光器等设备的光学元件保护，防止高温对光学表面的损伤和退化，保证设备的长期稳定性和可 靠性。
05
CATALOGUE
光学薄膜的未来发展
新材料的研究与应用
光学薄膜新材料
如新型高分子材料、金属氧化物、氮 化物等，具有优异的光学性能和稳定 性，能够提高光学薄膜的耐久性和功 能性。
THANKS
感谢观看
离子束沉积技术可以应用于各种材料，如金属、非金属、 半导体、绝缘体等，可以制备单层膜、多层膜以及复合膜 。
离子束沉积的缺点是设备成本较高，且需要较高的真空度 条件。
03
CATALOGUE
光学薄膜的性能参数
按照功能和应用，光学薄膜可以 分为增透膜、反射膜、滤光膜、 干涉膜等。
光学薄膜的应用领域
显示行业
液晶显示、等离子显示、投影显示等。
照明行业
LED照明、荧光灯等。
摄影器材
镜头、滤镜等。
太阳能行业
太阳能电池等。
光学薄膜的发展历程
19世纪末
光学薄膜概念诞生，主要用于 镜头增透。
20世纪初
光学薄膜技术逐渐成熟，应用 领域扩大。
真空蒸发镀膜技术适用于各种材料，如金属、半导体、绝缘体等，可以 制备单层膜、多层膜以及复合膜。
真空蒸发镀膜的缺点是难以控制薄膜的厚度和均匀性，且不适用于制备 高熔点材料。
溅射镀膜
溅射镀膜是一种利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材原子或分子溅射出来并沉积在基片上形 成薄膜的方法。该方法具有较高的沉积速率和较好的薄膜质量，适用于制备高质量的多层光 学薄膜。
详细描述
高温防护膜通常由耐高温材料制成，如硅、石英等，能够承受较高的温度和恶劣的环境条件。这种薄膜常用于工 业炉、高温炉、激光器等设备的光学元件保护，防止高温对光学表面的损伤和退化，保证设备的长期稳定性和可 靠性。
05
CATALOGUE
光学薄膜的未来发展
新材料的研究与应用
光学薄膜新材料
如新型高分子材料、金属氧化物、氮 化物等，具有优异的光学性能和稳定 性，能够提高光学薄膜的耐久性和功 能性。
THANKS
感谢观看
离子束沉积技术可以应用于各种材料，如金属、非金属、 半导体、绝缘体等，可以制备单层膜、多层膜以及复合膜 。
离子束沉积的缺点是设备成本较高，且需要较高的真空度 条件。
03
CATALOGUE
光学薄膜的性能参数
光学薄膜技术概述学习PPT教案
主要膜系设计软件
1. Autofilm 2. TFC 3. Macleod 4. Optilayer
绪论
Introduction
★什么是光学薄膜
★光学薄膜的发展历史
★光学薄膜的应用
1. What is optical thin films
光学薄膜是指控制光束行为的薄膜。
光学薄膜技术是光学技术的一个重要分支， 它包括薄膜光学及薄膜制备技术，前者研究光 在分层媒质中的传播规律，后者研究光学薄膜 的各种制备技术。
光学薄膜技术
Optical thin films and Technology
主要内容：
研究范畴及内容：
绪论 第一章：薄膜光学特性计算基础 第二章：介质膜系及其应用 第三章: 光学薄膜制备技术 第四章：光学薄膜制备工艺 第五章: 薄膜材料及其性质 第六章：光学薄膜特性测试
主要论述层状媒介
的光学特性。薄膜是 一薄的层状媒介，是 构成现代各种光电器 件的基础。在薄的膜 层中，光波的传输与 电子效应都与其在块 状材料中的行为不同。 本课程主要讲述波在 层状媒介中的传播规 律、膜系设计以及薄 膜的制备于检测技术。
8. The columnar structure of thin film was discovered in 1970 by Pearson(皮尔逊).
9. Thin film filters used for optical communication was made significant progress in around 2000.
与镀膜技术密切相关的产业
➢镀膜眼镜 ➢幕墙玻璃 ➢滤光片 ➢车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片 ➢光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件 ➢红外膜 ➢投影显示 ➢太阳能 ➢ITO膜
薄膜原理与技术_02 光学薄膜普遍定理
0
in1
i n1
0
0 in2
i n2 0
n2 n1
0
0
n1 n2
以这双层膜为基本周期的多层膜，其特征矩阵
M
s
(M1M 2 )s
(
n2 n1
0
)s
0
(
n1 n2
)s
应用：
1、 p q p 结构 ① 改变p与q的相对厚度，改变E的大小可以获得折射率从np到nq之 间任意
折射率的等效膜层；“变折射率膜层”
② 对于通带附近等效的折射率具有较大的色散。改变E的位置“偏周期设计 法”
很容易证明，这个结果能够推广到由任意多 层膜组成的对称膜系。首先划定多层膜的中 心三层，它们独自形成一个对称组合，这样 便可以用一个单层膜来代换。然后这个等效 层连同两侧的两层膜，又被取作第二个对称 三层组合，依然用一个单层膜来代换。重复 这个过程直到所有膜层被替换，于是最终又 形成一个等效单层膜。
2
2 2 22 22 2 2 2
2、L H L H L H L E， Γ E’，Γ’ E”，Γ”
当对称膜系中各分层的厚度很小时(例如不 超过10nm)，等效折射率E几乎是一常数，它介 于Np和Nq之间，取决于分层厚度的比值，同时 位相厚度和对称膜系实际的总的位相厚度成比例， 在大多数情况下其比例常数接近于1。 因此这种 基本周期的厚度很小的周期性对称膜系非常类似 于色散很小的单层均匀薄膜，可以用来替换那些 折射率无法实现的膜层， 它在减反膜的设计中， 得到了实际应用。
薄膜光学技术_第02章 02 高反射膜
19
设截止波长为λe, 相应的位相厚度为δ e.
令高反射带的边界为：
e
2
ge
2
1
g
因此，c os2
e
sin2
g 2
g
2
sin 1
nH nH
nL nL
1 g 1 g
高反射带的波数宽度:
2g
4
A. 高反射区宽；
B. 偏振效应轻微； C. 膜层与基底附着性能差距很大：
Al ，Cr，Ni与玻璃附着力强； Au，Ag与玻璃附着力差； D. 膜层化学稳定性差，易被环境气体腐蚀； E. 机械性能差——软。
6
2. 金属-介质组合高反膜
目的：
A. 增强附着力
——在金属膜与玻璃之间增镀过渡层。
r0 , r1, r2 , r3....…..... rk
K-1 .
KH
入射光在光疏媒质中前进，遇到 光密媒质界面时，在掠射或垂直 入射2种情况下，在反射过程中产 生半波损失
12
高反射膜基本结构： G/(HL)SH/A.
Y
(
nH2 nL2
) S nH2
/ nsub
G/(LH)SL/A.
Y
( nL2 nH2
与基底之间的过渡层
与保护层之间的过渡层
3
金（Au): 在红外波段的反射率很高，红外反射镜。 与玻璃的附着力较差，常用Cr作为过渡层。
解决方法：Ni (Ni-Cr) + Au+(一对TiO2/SiO2)或Bi2O3
与基底之间的过渡 层
保护层
4
设截止波长为λe, 相应的位相厚度为δ e.
令高反射带的边界为：
e
2
ge
2
1
g
因此，c os2
e
sin2
g 2
g
2
sin 1
nH nH
nL nL
1 g 1 g
高反射带的波数宽度:
2g
4
A. 高反射区宽；
B. 偏振效应轻微； C. 膜层与基底附着性能差距很大：
Al ，Cr，Ni与玻璃附着力强； Au，Ag与玻璃附着力差； D. 膜层化学稳定性差，易被环境气体腐蚀； E. 机械性能差——软。
6
2. 金属-介质组合高反膜
目的：
A. 增强附着力
——在金属膜与玻璃之间增镀过渡层。
r0 , r1, r2 , r3....…..... rk
K-1 .
KH
入射光在光疏媒质中前进，遇到 光密媒质界面时，在掠射或垂直 入射2种情况下，在反射过程中产 生半波损失
12
高反射膜基本结构： G/(HL)SH/A.
Y
(
nH2 nL2
) S nH2
/ nsub
G/(LH)SL/A.
Y
( nL2 nH2
与基底之间的过渡层
与保护层之间的过渡层
3
金（Au): 在红外波段的反射率很高，红外反射镜。 与玻璃的附着力较差，常用Cr作为过渡层。
解决方法：Ni (Ni-Cr) + Au+(一对TiO2/SiO2)或Bi2O3
与基底之间的过渡 层
保护层
4
光学薄膜膜系设计
P—偏振光
R = r12 + r22 = 1,
φ = tan−1(r2 / r1)
16
第二介质是吸收介质的情况
n0 sinθ0 = (n1 − ik1)sinθ1
sinθ1 = n0 sinθ0 /(n1 − ik1) ,
cosθ1 = 1− [n0 sinθ0 /(n1 − ik1)]2
η1s = (n1 − ik1) cosθ1 = n12 − k12 − n02 sin2 θ0 − 2in1k1 = ±α ± iβ
10
反射光和透射光的振幅和反射位相
约定电场和磁场的方向
H•0+lE0+
×
H 0 −lE0 −
•
H1lE1
系数)
E0tan = E0+tan +E0−tan =E1tan
H 0 tan
=
H+ 0 tan
+
H− 0 tan
=
H1tan
H0 tan
=
y0 E0+ tan
−
y0
E− 0 tan
=
y1E1tan
β >0, 光波在吸收介质中按指数衰减
如果 α > 0, 第四象限 α < 0 , 第三象限
(n1 − ik1) cosθ1 = n12 − k12 − n02 sin2 θ0 − 2in1k1
=(ρeiφ)1/2 = ρ e 1/2 iφ/2
17
φ 第三象限, φ / 2 一定在第二象限或第四象限。
振幅反射系数(菲涅尔反射
r
=
E0−
/ E0+
=
E− 0 tan
/
《光学薄膜》课件
择、沉积工艺、薄膜结构设计和表面
处理等，其中控制沉积过程是关键。
3光学薄膜的工作原理Fra bibliotek光学薄膜通过控制入射光的干涉和衍 射现象，实现对光的传播和反射的控 制，从而产生特定的光学效果。
光学薄膜的性质及影响因素
光学薄膜的性质包括光学常数、厚度、 结构和成分等，这些因素会影响薄膜 的光学性能和应用效果。
第三部分：分类与应用
第四部分：挑战与未来
光学薄膜在未来的前景
随着科技的发展和需求的 增长，光学薄膜将继续发 挥重要作用，应用范围将 不断扩大，性能和效率将 进一步提高。
当前光学薄膜研究面 临的挑战
光学薄膜研究面临材料选 择、沉积工艺、薄膜稳定 性和性能优化等方面的挑 战，需要综合应用多学科 知识来解决。
如何解决未来研究中 的问题
光学薄膜的应用范围
光学薄膜广泛应用于光学仪器、光通信、太阳能、显示技术和传感器等领域，提供了独特的 光学性能和功能。
光学薄膜的特性与优点
光学薄膜具有高透过率、高反射率、多色彩、可调性和可控性等特性，使其成为设计和制造 各种光学元件的理想材料。
第二部分：原理
1
光学薄膜的制备过程
2
光学薄膜的制备过程包括薄膜材料选
《光学薄膜》PPT课件
# 光学薄膜
光学薄膜是指具有特定光学性质和应用的薄膜材料，通过光的干涉和衍射现 象产生彩色效果。本课件将介绍光学薄膜的基本概念、工作原理以及在各个 领域中的应用。
第一部分：介绍
什么是光学薄膜？
光学薄膜是一种特殊的薄膜，其厚度通常在波长数量级，能够通过干涉和衍射现象来控制光 的传播和反射。
未来研究可以加强材料设 计、工艺优化、表征技术 以及理论模拟等方面的研 究，从而解决光学薄膜研 究中的问题。
薄膜光学技术_第02章 01 减反射膜
再次优化膜层厚度，以补偿合成所带 来的特性下降。
22
例如：
K9/MH1H2H3L/A nM=1.63, nH1=1.95, nH2=2.32, nH3=1.87,NL=1.38
nH1=1.95 nH3=1.87
0.379H20.215L0.379H2 0.288L0.384H20.288L
光学薄膜技术
Optical thin films and Technology
第二章 光学薄膜膜系设计及其应用
1
第二章：光学薄膜膜系及其应用
第一节 减反射膜 第二节 高反射膜 第三节 中性分束膜 第四节 干涉截止滤光片 第五节 带通滤光片 第六节 偏振分光膜
2
薄膜的分类及用途
3
薄膜的分类及用途
n3=1.71
n3=1.62
19
3.四层和四层以上增透膜的设计
通常遇到的问题：
a. 三层膜系的增透波段不够宽，或剩余反 射率还太高；
b. 满足设计要求的三种材料无法找全。
解决的办法： a. 优化三层母膜系G/M2HL/A中每层膜的折射率和 厚度，直至满足要求；可能出现现有膜料无法实 现的问题。 b. 以G/M2HL/A 为母膜系，将折射率设为定值， 调整膜层的厚度，并允许增加膜层层数，直到满 足要求。可能出现层数多以及极薄层的问题。
7
单层AR膜的光谱特点：
a. 对常用的多数
基底材料，满
单层减反射膜 G/L/A
1.52/1.38/1
足 n1 n0 nS 的膜料并不存
在，所以Rmin 0
很难实现零反
射。
b. V形减反射效
果，只能在某
个孤立波长点
实现最小反射，
22
例如：
K9/MH1H2H3L/A nM=1.63, nH1=1.95, nH2=2.32, nH3=1.87,NL=1.38
nH1=1.95 nH3=1.87
0.379H20.215L0.379H2 0.288L0.384H20.288L
光学薄膜技术
Optical thin films and Technology
第二章 光学薄膜膜系设计及其应用
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第二章：光学薄膜膜系及其应用
第一节 减反射膜 第二节 高反射膜 第三节 中性分束膜 第四节 干涉截止滤光片 第五节 带通滤光片 第六节 偏振分光膜
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薄膜的分类及用途
3
薄膜的分类及用途
n3=1.71
n3=1.62
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3.四层和四层以上增透膜的设计
通常遇到的问题：
a. 三层膜系的增透波段不够宽，或剩余反 射率还太高；
b. 满足设计要求的三种材料无法找全。
解决的办法： a. 优化三层母膜系G/M2HL/A中每层膜的折射率和 厚度，直至满足要求；可能出现现有膜料无法实 现的问题。 b. 以G/M2HL/A 为母膜系，将折射率设为定值， 调整膜层的厚度，并允许增加膜层层数，直到满 足要求。可能出现层数多以及极薄层的问题。
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单层AR膜的光谱特点：
a. 对常用的多数
基底材料，满
单层减反射膜 G/L/A
1.52/1.38/1
足 n1 n0 nS 的膜料并不存
在，所以Rmin 0
很难实现零反
射。
b. V形减反射效
果，只能在某
个孤立波长点
实现最小反射，
光学薄膜原理 ppt课件
401 (0 1)2
Tp
N1 N0
cos1 cos0
( cos0 cos1
20 )2 0 1
401 (0 1)2
小结
垂直入射
倾斜入射
r N0 N1 N0 N1
N0
R t 2N0 N0 N1
N1
T
R r 2 ( N0 N1 )2 N0 N1
r 0 1 0 1
ts
20 0 1
,tp
折射率与导纳
Refractive index
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： S 1 Re(N )E 2
(3)
2
4.边界条件---切向分量连续
E0 tan= E1 tan , H0 tan= H1 tan ,
E0itan + E0rtan = E1t tan
Detector
薄膜在WDM技术中的应用
DWDM Filter: Mux, Demux, OADM ,OXC等
M-WDM Filter: CWDM, Channel separation 等
W-WDM Filter: 光网控制，光插分，光放大等
Interleaver: 与DWDM Filter串接，提高复用度
20 0 1
c os 0 c os1
R r 2 (0 1 )2 0 1
T
N1 N0
t2
4N0 N1 (N0 N1)2
T
1 0
ts2
401 (0 1)2
s N cos
p N / cos
第三节 单层薄膜的传输矩阵
E12
1 2 E2
1
21
光学薄膜技术课程简介
光学薄膜技术课程简介《光学薄膜技术》课程简介《光学薄膜技术》作为光学专业的技术专业课,系统地介绍薄膜光学的基本理论和器件设计的基本方法,介绍光学薄膜的新设计方法、新器件设计、新工艺技术、制造工艺,介绍光学薄膜的相关材料及其性质,介绍光学薄膜的特性测试方法等。
本《光学薄膜技术》课程将讲授六章,第一章就是薄膜光学特性排序基础,第二章了解介质膜系则及其应用领域,第三章了解薄膜生产技术,第四章了解光学薄膜生产工艺,第五章了解薄膜材料及其性质,第六章了解光学薄膜特性测试与分析。
课程目录第一章薄膜光学特性排序基础1.1单一界面的反射率和透射率1.2单层介质膜的反射率1.3多层介质膜的反射率和透射率1.4金属薄膜的光学特性1.5光学零件的反射率和透射率第二章介质膜系则及其应用领域2.1减反射膜2.2低散射膜2.3中性分束膜2.4截至滤光片2.5带通滤光片2.6偏振分束膜2.7消偏振膜系第三章薄膜制造技术3.1光学真空镀膜机3.2真空与物理汽相沉积3.3真空获得与检测3.4热蒸发3.5溅射3.6离子镀3.7离子辅助镀第四章光学薄膜生产工艺4.1光学薄膜器件的质量要素4.2影响膜层质量的工艺要素4.3赢得准确厚度的方法4.4赢得光滑膜层的方法第五章薄膜材料及其性质5.1薄膜的微观结构与性质5.2常用光学薄膜材料第六章光学薄膜特性测试与分析6.1光学薄膜特性的检测标准6.2薄膜透射率、反射率的测量6.3薄膜光学常数和厚度的测量6.4薄膜吸收和散射的测量6.5薄膜激光损伤阈值的测量6.6薄膜非光学特性的检测参考书1.卢挺进,刘卫国。
《光学薄膜技术》,西北工业大学出版社,2021.10;2.卢挺进。
《光学薄膜技术》,电子工业出版社,2021.7;3.唐晋发,顾培夫,刘旭,李海峰。
《现代光学薄膜技术》,浙江大学出版社,2021.3。
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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、其她特殊应用的薄膜一、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就是镜片上能降低反射的镀膜。
在很多应用领域中,增透膜就是不可缺少的,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,假定每个玻璃与空气的界面有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、色平衡与作用距离,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,分界面就是一光学表面,光线又就是垂直入射,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:①光能量损失,使像的亮度降低;②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,它的主要功能就是减少或消除透镜、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。
最简单的增透膜就是单层膜,它就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与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就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RTnnnnR-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-=12110透射率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就是,膜层的光学厚度为四分之一波长,其折射率为入射介质与基片折射率乘积的平方根。
在可见区,使用得最普遍的就是折射率为1、62左右的冕脾玻璃。
理想的增透膜的折射率为1、28,但就是至今能利用的薄膜的最低折射率就是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与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增透膜的例中可以瞧到,为了达到全增透的效果,ｎ０＝ｎ１2／ｎ２,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λ0/４的薄膜,而后再镀MgF2单层膜,就能达到全增透的要求。
常见的多层膜系统就是玻璃—高折射率材料—低折射率材料—空气,简称G︱HL︱A系统。
H层通常用二氧化锆( n＝2、1)、二氧化钛(n＝2、40)与硫化锌(n＝2、32) 等;L层一般用氟化镁(n＝1、38)等。
1、双层λ0/4膜堆对于单层氟化镁膜来说,冕牌玻璃的折射率就是太低了。
为此,我们可以在玻璃基片上先镀一层λ0/4厚的、折射率为n2的薄膜,这时对于波长λ0来说,薄膜与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n2＞n3时,有Y＞n3,也就就是说,在玻璃基片上先镀一层高折射率的λ0/4厚的膜层后,基片的折射率从n3提高到n22/n3,然后再镀上λ0/4厚的氟化镁膜就能起到更好的增透效果。
构成λ0／4—λ0／4型增透膜。
但对于偏离λ0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λ0/4－λ0/4双层增透膜称为V形膜的。
在限定两层膜的厚度都就是λ0/4的前提下,欲使波长λ0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。
见公式(2)。
上面讨论的λ0／4－λ0／4 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、λ0/2－λ0/4膜堆G︱2HL︱A厚度为λ0／2－λ0／4型的双层增透膜,在中心波长λ0两侧,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G︱2HL︱A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λ0／4-λ0／4 型的增透膜(V型膜)在中心波长处增透效果好但就是带宽较小,λ0／2-λ0／4型的增透膜(W型膜)在一定程度上展宽了带宽但就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λ0/4-λ0/4-λ0/4等型增透膜,不仅提高了增透效果,而且展宽了带宽。
λ0／4-λ0／2 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λ0／4-λ0／4 V型膜的中间插入半波长的光滑层,得到典型的λ0／4—λ0／2—λ0／4 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λ0／4的整数倍厚度容易控制,人们把全部由λ0／4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,通常就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,λ0／4-λ0／2-λ0／4 型三层减反射膜就是合适的;而对于折射率大于1、66的基片,λ0／4-λ0／2-λ0／2 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微米以后就不再透明。
因此,在红外区经常采用某些特种玻璃与晶体材料特别就是半导体材料。
半导体有很高的折射率,例如硅约为3、4,而锗大约就是4,碲化铅就是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,其目的就是将大约4%的反射损失减小到千分之几。
而在红外区,则就是将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就是允许的。
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,反射膜与增透膜几乎同样重要,高反射膜就是构成激光谐振腔的重要部件之一,同时在激光的发射与转折中也用高反射膜作反射器,所以反射膜就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与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(Al)、银(Ag)、金(Au)等,它们的分光反射率曲线如书p27图2-9。
银膜在可见区与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。
但就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,它的强度与稳定性比银膜好,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。
银膜在可见区与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。
但就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。
最常用的铝保护膜就是一氧化硅,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与红外区的高反射镜要困难得多。
用氟化镁(镀层很牢固)与氟化锂(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,要求更高的反射率与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λ0/4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λ0/4厚的介质多层膜能够得到更高的反射率。
这就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。