《薄膜光学基础》PPT课件

合集下载

第三章薄膜光学基础理论1

S
D ds d

S
B ds 0
B ds L E dl t S D j ds L H dl t S
波动方程的解
麦克斯韦方程的微分形式：
(1) (2) (3) (4)
对4式两端对时间求导数，则
N 2 H =i E (13) 2 c
(15)
H z H y ( H ) x = y z 2 N 2 N = i s0 y H z i s0 z H y
2 N = i (S0 H ) x
2 N (S0 H ) y
N 2 将(13)式 H =i E 代入(16)式， 2 c
i t 2 nx

说明在导电介质（ 0，因而k 0）是一个衰减波，消光系数k 是介质吸收电磁波能量的度量。时，振幅衰减到原来的1 e 2 k 【介质内产生的电流将波的能量转换为热能】当x =
光学导纳
对 E E0 e
2 kx
e
i t 2 nx
S EH
E E0e
H H 0e
i t x

= E eit x E eit
0 0
i t
:电振动的初相；实数部分 E E0 cos(t ) : 磁振动的初相；实数部分 H H 0 cos(t )
坡印廷矢量：
瞬时值忽大忽小一个周期的平均值是定值定义坡印廷矢量的平均值为光强度I
1 T I E0 H 0 cos(t ) cos(t ) d t T 0 1 = E0 H 0 cos( ) 2 ( EH * )的实数部分为 Re( EH * )= Re E0 eit H 0 e it E0 H 0 cos( ) I 1 Re( EH * ) 2

薄膜光学PPT课件

溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
Sol-Gel是一种制备光学薄膜的新方法，具有工艺简单、成本低等优点。该方法制备的薄膜具有纯度高、均匀性好等优点，可广泛应用于各种光学器件的制造。
在新能源和光电器件中的应用前景
太阳能光伏电池
光学薄膜在太阳能光伏电池中有着广泛的应用，如减反射膜、抗反射膜等。通过使用高性能的光学薄膜，可以提高光伏电池的光电转换效率和稳定性。
散射类型
瑞利散射、米氏散射、拉曼散射等。
散射强度
与波长、散射颗粒或分子的尺寸、形状和折射率有关。
光的吸收和反射
光的吸收
光波通过介质时，能量被介质吸收转化为热能或其他形式的能量的现
象。
吸收系数
表示介质对不同波长光的吸收能力，与物质的
性质和浓度有关。
反射现象
光波在介质表面发生方向改变的现象，可分为
光电探测器
在光电探测器中，光学薄膜可以起到保护、增强光信号的作用。高性能的光学薄膜可以提高探测器的响应速度、灵敏度和稳定性。
激光器
在激光器中，光学薄膜可以起到调制激光输出、提高激光质量的作用。新型的光学薄膜材料和制备技术可以推动激光器技术的发展，为新能源和光电器件的应用提供更广阔的前景。
THANKS
干涉仪测试的原理基于光的干涉现象，通过将待测薄膜放置在干涉仪中，与标准参考膜片进行干涉，通过测量干涉图谱的变化来计算薄膜的光学常数。
分光光度计测试
分光光度计测试是一种通过测量光的吸收光谱来分析物质的方法，广泛应用于薄膜的光学性能测试。
分光光度计测试可以测量薄膜的吸收光谱、反射光谱和透射光谱，从而获得薄膜的折射率、反射率、
新型制备技术的探索
化学气相沉积（CVD）

薄膜光学-基础讲义

光的干涉
對光波來說,滿足一定條件的兩束光疊加時,在疊加區域,光的強度或明暗有一穩定分佈 Constructive interference, R increased
兩列頻率,振幅及振動方向相同,但傳播方向相反的波,疊加形成駐波(Standing Wave)
Destructive interference, R decreased
nH>ns
光密介質進入光疏介質; 相位沒有變化
HL雙層減反射膜,反射率可降至0.05%以下
16
導納軌跡圖
圓心1.452= 通過(1,0) 1+1.382 2 1
2+2.22 1.52 圓心2.352= 21.52 通過(1.52,0)
1.452
2.352 2 n=2.2
0
0.5
1
N=1.38
1.52
Y3=y2H/ Y2 = y4H/ y2Lys Y2=y2L/ Y1 = y2L ys/y2H Y1=y2H/ y sub
=
yH=y3 yL=y2 yH=y1 ysub
y0yE
15
2-Layer ARC
1 2 3 nair nL nH 1 2 3 合向量
nS
Nair< nL < nH
光疏介質進入光密介質;相位變化為
2
楊氏雙狹縫干涉
r1 S1
P
x
r2 O D
d
S
M S2

=r2-r1 (波程差) d sin=(2k-1)/2 兩束光在P點(2k-1) 振幅最小,形成暗紋 k=0,1,2,3 明亮條紋 k=0,1,2,3 3
33
PBS偏振分光鏡
利用 Brewster angle B ,RP=0 , P偏振光之反射為0 H =nH/cos H= L =nL/cos L Sin2 H=nL2/(nH+nL),

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

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

1 2
3
先考虑由基底g和膜层3
g
组成的单层膜系统。
由式(3-225)可得，此单层膜系统的反射系数：
r r23 r3g exp( j) 1 r23r3g exp( j)
由于是λ。/4膜系，所以：
r r23 r3g 1 r23r3g
1
再考虑由膜层2和反射系
2
数为 r 的等效膜层(3,g)
2
R1
nA nA
nI nI
式中
nI
nH2 nG
是镀第一层膜后的等效折射率。若在高折射率膜层上再镀一层
低折射率膜层，其反射率为
2
R2
nA nA
nII nII
式中
nII
nL2 nI
nL nH
2
nG
是镀双层膜后的等效折射率。依此类推，当膜层为偶数(2p)层时， (HL)p膜系的等效折射率为
3
组成的“单层膜”系统。
g
这样，此“单层膜”系统的反射系数：
r r12 r 1 r12 r
最后得到双层膜系统的反射系数：
r r12 r23 r3g r12r23r3g 1 r12r23 r12r3g r23r3g
考虑到正入射的菲涅耳系数：
rij
ni ni
nj nj
令r＝0，可得双层减反膜的材料折射率条件：
此时反射率最小，透过率最大：
Rm
r12 1
r23 r12r23
2
n22 n22
n1n3 n1n3
2
Rm
r12 1
r23 r12r23
2
n22 n22
n1n3 n1n3
2
当满足下面条件时，R＝0，消反射：
d
2N
1
0
4 n2
n2 n1n3
单层增透膜的缺点：
1.增透带宽窄。
这种膜系的优点是计算和制备工艺简单，镀制时容易
采用极值法进行监控；缺点是层数多，R不能连续改变。目前发展了一种非λ0/4膜系，即每层膜的光学厚度不是λ0/4，具体厚
度要由计算确定。其优点是只要较少的膜层就能达到所需要的反射率，缺点是计算和制备工艺较复杂。
由图，若在基片G上镀一层λ0/4的高折射率光学膜，其反射率为
r ER r12 r23 exp( j ) E0 1 r12r23 exp( j )
上式在推导过程中使用了斯托克斯倒逆关系式：
r21 r12 t12t21 1 r122
因此总反射率：
R
r2
r122 1
r223 r122r223
2r12r23 cos 2r12r23 cos
下面我们分析一下反射率R。
这种膜系之所以能获得高反射率，从多光束干涉原理看是容易理解的：根据平板多光束干涉的讨论，当膜层两侧介质的折射率大于(或小于)膜层的折射率时，若膜层的诸反射光束中相继两光束的相位差等于π(λ0/4 膜系），则该波长的反射光获得最强烈的反射。而上图所示的膜系恰恰能使它包含的每一层膜都满足上述条件，所以入射光在每一膜层上都获得强烈的反射，经过若干层的反射之后，入射光就几乎全部被反射回去。
n22 n22
2
n1n3 n1n3
此时膜层厚度：
d 2N 1 0
4 n2
对于单层增反膜，镀膜材料折射率越大越好。
2 双层膜
设计光学薄膜计算量很大，现在都是借助计算机软件设计。在实践设计中多采用光程先决法。即先把膜层的光学厚度定为λ。/4，然后再确定材料。
介绍一种等效界面法。
层媒质时的反射系数和透射
n1
系数为：
rij
tij
(i 1,2,3; j 1,2,3)
n2 n3
d
当振幅为E0的单色平面波正入射时，各反射光的复
振幅为：
E0
n1
E1E2 E3 E4
E1 E0r12
n2
d
n3
E2 E0t12r23t21 exp( j )
E3 E0t12r23r21r23t21 exp( j2 ) E2r21r23 exp( j )
n1 n2 n3 或 n1 n2 n3
n2 ng
n3
n1
等效折射率
单层增反膜的反射率：
RM
n22 n22
n1n3 n1n3
2
n1 n1
n22 n22
/ /
n3 n3
2
1
1
2
2
3
分界面的反射率：
2
RM
n1 n1
n2 n2
ห้องสมุดไป่ตู้
等效折射率：
nx
n12 n2
3 多层增反膜
常用的多层高反膜是由光学厚度nd都是λ0/4的高折射率膜层和低折射率膜层交替镀制的膜系，可表示为：
3.4.4 薄膜光学基础
所谓光学薄膜，是指在透明平整的基片或金属光滑表面上，用物理或化学的方法涂敷的单层或多层透明介质薄膜。
利用在薄膜上、下表面反射光干涉相长或相消的原理，使反射光得到增强或减弱，可制成光学元件增透膜或增反膜,满足不同光学系统对反射率和透射率的不同要求。
1 单层光学薄膜的反射
设光波从第i层媒质射向第j
2.材料限制。
(2) n1 n2 n3 或 n1 n2 n3 的情形
此时有半波损失，反射率总大于4％，这种薄膜有增反作用。
当 2N 或 N0 时，反射率最低，
相当于没有镀膜。
当 (2N 1) 时， cos 1
此时反射率最大，透过率最大：
RM
2
r12 1
r23 r12r23
GHLHL…HLHA＝G(HL)pHA
p=1, 2, 3 …
其中，G和A分别代表玻璃基片和空气；H和L分别代表高折射率膜层和低折射率膜层；p表示一共有p组高低折射率交替层，总膜层数为(2p+1)。半波长的光学厚度应写成HH或L L。
λ0/4膜系的多层高反射膜示意图
GHLHL…HLHA＝G(HL)pHA
2P
n2 p
nL nH
E4 E2 (r23r21)2 exp( j2 )
Em E2 (r23r21)m2 exp[ j(m 2) ]
其中：
4n2d 0
是光波在薄膜内来回一次引入的相位延迟（不考虑半波损失）。
叠加之后总的复振幅：
ER
Em
m1
E0r12
E2
1 r21r23 exp(
j )
总的反射系数：
r ER r12 r23 exp( j ) E0 1 r21r23 exp( j )
令n1＝1，n3＝1.5作图。
R
n2 2
1.7
1.5
0.04
1.38
1.23
2 3 4
(1) n1 n2 n3 或 n1 n2 n3 的情形
此时没有半波损失，反射率总小于4％，这种薄膜有增透或减反作用。
当 2N 或 N0 时，反射率最高，
相当于没有镀膜。
当 (2N 1) 时， cos 1