光学薄膜

表面散射处理方法
标量理论－散射总损耗问题 矢量理论－研究散射的角分布
s
~
R0
4 2
dp Fg(k p0d
k0)
.
20
光学薄膜的表面散射
散射引起界面反射及透射系数变化
rg r
eg1
4LTm 1m!gmm
tg t
eg11
T
g1m
4L m1m! m
.
21
光Βιβλιοθήκη Baidu薄膜的体散射
体散射的贡献与薄膜的吸收类似
等效. 界面法
12
矩阵法
界面的透射及反射系数：
r0
n0 n0
n1 n1
t0
2n0 n0 n1
第一个界面处的电场关系：
E
0
E
0
＝
1 1
t0
r0
r0
1
E E
1
1
薄膜内部的电场关系：
E 1 e i1 E 1 e i1 E 2 E 2
n 1 E 1 e i1 n 1 E 1 e i1 n 2 E 2 n 2 E 2 薄膜内部电场方向符号表示
Rr2
a1c1a2c2 2a1c2a2c1 a12a22 2 .
2
T 1
a12 a22
14
光学薄膜吸收
材料吸收
共振吸收 单光子吸收 自由电子吸收 杂质吸收 色心吸收 声子吸收 多光子吸收
.
15
光学薄膜吸收
折射率由实数变为复数： n
nˆnik
折射角由实数变为复数： coˆsj COj RiCO j I
及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论 1817 Fraunhofer制成了第一块减反薄膜 1873 Maxwell提出了Maxwell方程（A Treatise on
Electricity and Magnetism）
.
5
1886 Rayleigh 证实了Fresnel反射定律 1899 Fabry-Perot 干涉仪 1932 Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部
光学薄膜及其应用
范正修
.
2006年10月26日
1
主要内容
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 光学薄膜的激光损伤
.
2
主要内容
光学薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
.
3
薄膜概况
研究领域
薄膜物理 薄膜化学 薄膜材料 薄膜力学
应用领域
光学薄膜 电学薄膜 半导体薄膜 磁性薄膜 生物薄膜
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4
薄膜光学形成发展历史
17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Robert Boyle and Robert Hooke）
1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 1816 Fresnel 发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论
r1 e ei 1 i1 r e j ei ijj
rje ei ijj E 0 m 1
上述参数利用散射 薄膜的相应值替换
E E0 0 c a1 1 iica22 d b1 1 iid b2 2E0 m 1
.
23
光学薄膜的分层界面散射模型
.
24
计算实例
4.260 4.256 4.252 4.248 4.244 4.240 4.236 4.232
T 1 R
T TA
R
0B 0B
C C
0B 0B
C C
*
T(0B 0 CR )(e(0B m 1)C)*
A(0B0RC e()B (C0*BC m))*
.
18
光学薄膜的散射
光学薄膜的表面散射 光学薄膜的体散射
.
19
光学薄膜的表面散射
表面统计参量
均方根粗糙度（RMS） 相关长度 高度分布函数 自协方差函数（ACF）
400
nm
nm
nm
nm
nm
500
600
700
800
波长/nm
6.0x10-3 5.0x10-3 4.0x10-3 3.0x10-3 2.0x10-3 1.0x10-3
0.0 400
nm nm nm nm nm
500
600
700
800
波长/nm
不同RMS粗糙度条件下玻璃基片的Rs和TIS变化曲线
IS 2 0 V I S 0 s Vd i n 63 a 4 3 1 3 4 n 2 n 0 2
存在散射薄膜的位相厚度
总 2 n ˆiIS d V 0z(x)
体散射等效
的吸收
.
界面起伏引起的 厚度变化
22
多层膜散射特性
理想多层薄膜
E E 0 0 m 1tj r 1 0 r 1 0 • r e 1e ii1 1 j 1
光学系统，大型激光装置等
面临问题
涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特 性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉 积技术少，沉积过程控制水平不高等；
.
7
主要内容
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
.
8
光学薄膜一般性质
理想光学薄膜 光学薄膜吸收及散射 折射率不均匀性和折射率渐变薄膜 薄膜的各向异性和双折射薄膜 薄膜的偏振和消偏振特性
反射 1934 Bauer用卤化物制备了减反薄膜 1934 Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜 1939 Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片
.
6
光学薄膜概况
薄膜特点
干涉原理，相干相长与相干相消
重要性
“有光就有膜” 涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，
.
9
薄膜的相位及位相薄膜 等效折射率、等效导纳和等效界面 薄膜的色散及色散补偿 薄膜的应力及应力控制
.
10
理想光学薄膜
光学薄膜
改变光束切向方向－薄膜波导 改变光束法向方向－光学薄膜
355nm
薄膜波导
1064nm
增透薄膜
.
高反射薄膜
11
理想光学薄膜
薄膜光性计算方法
等效界面法 矩阵法
等效导纳由实数变为复数；
反射系数和透射系数 …..
膜层厚度引起的位相差…..
.
16
光学薄膜吸收
反射系数 透射系数
r (n0n1)i(k0k1)
i (n0n1)i(k0k1)
t
2(n0 ik0)
i (n0 n1)i(k0 k1)
.
17
势透过率与薄膜吸收损耗
势透过率 反射率 透射率 吸收率
.
13
矩阵法
依次类推：
E
0
E
0
=
1 meii
m ti
i0rieii
i0
可以得到：
rieii eii
E0 m 1a c
d bEm 01
t
Em1 E0
1 a
设： cc1ic2 , aa1ia2
则
ra1c1a2c2ia1c2a2c1
a1 2a2 2
tgr
a1c2 a2c1 a1c1 a2c2