偏振分光膜和消偏振薄膜
光学零件薄膜的分类方法
光学零件薄膜的分类方法光学零件薄膜是光学器件中重要的组成部分，广泛应用于光学仪器、光电子器件、光通信等领域。
根据其性质和功能的不同，光学零件薄膜可以分为多种类型，下面将从不同的角度对光学零件薄膜进行分类。
一、按照光学性质分类1. 反射膜：反射膜是将光线反射的薄膜，常用于镜片、反射镜等光学器件中。
其主要作用是将光线反射到特定的方向，具有高反射率和低散射率的特点。
2. 透射膜：透射膜是将光线透过的薄膜，常用于滤光器、透镜、光学滤光器等器件中。
透射膜可以根据需要实现特定波长的透射或滤波功能，具有高透射率和低反射率的特点。
3. 偏振膜：偏振膜是具有选择性透射或反射特定偏振方向光线的薄膜，常用于偏振片、偏振镜等器件中。
偏振膜可以将自然光中的非偏振光转化为偏振光，或者将特定偏振方向的光线滤除，具有良好的偏振效果。
二、按照薄膜材料分类1. 金属膜：金属膜是利用金属材料制备的薄膜，常用的金属包括铝、银、镀金等。
金属膜具有良好的导电性和反射性能，广泛应用于反射镜、反射板等光学器件中。
2. 介质膜：介质膜是利用非金属材料制备的薄膜，常用的材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝等。
介质膜具有良好的光学性能和机械性能，广泛应用于滤光器、透镜、偏振片等光学器件中。
三、按照功能分类1. 抗反射膜：抗反射膜是通过在薄膜表面形成一层或多层特殊结构来减少反射，提高透射率的薄膜。
抗反射膜广泛应用于光学镜片、太阳能电池板等器件中，可以减少光的损失，提高光能利用效率。
2. 增透膜：增透膜是通过在薄膜表面形成一层或多层特殊结构来增加透射，提高透射率的薄膜。
增透膜广泛应用于透镜、显示屏等器件中，可以增强透射光的亮度和清晰度。
3. 分光膜：分光膜是将入射光按照不同波长进行分离的薄膜，常用于光谱仪、分光计等光学仪器中。
分光膜可以根据需要将入射光分为不同的波长，实现光谱分析和光学测量。
四、按照制备方法分类1. 蒸发膜：蒸发膜是利用蒸发技术将材料蒸发沉积在基底上形成的薄膜。
宽波段7：3消偏振分光膜的设计及镀制
ｗｉ ｔ ｈ ７ ｔ ｏ ３ ｉ ｎ ａ ｗｉ ｄ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ
高 晓 丹
（ 武汉 东湖 学院 电子信 息工程 学 院 ， 湖 北 武汉 ４ ３ ０ ２ １ ２ ） 摘 要 ：分光膜 在倾 斜使 用 时会存 在较 强的偏 振 效应 ，通常 采 用各 种措 施 来减 小这种偏 振 效应 的影
响， 但 基本 上 只能在 单一 波长 或较 窄波段 范 围内实现 消偏振 分光 ， 其 波段 范 围几乎 不超过 ５ ０ ｎ ｍ。根 据 设 计要 求运 用解析 法设 计 出一 个合 适 的初 始膜 系 ， 再在 所 设计 的初 始 膜 系基础 上 ， 运用 Ｔ Ｆ Ｃ ａ ｌ ｃ膜 系设 计软件 采 用解析 法 、 Ｎ ｅ ｅ ｄ ｌ ｅ和 变尺度优 化 法综合 设 计 了 ４ ５ 。 入射 ｌ ２ ６ ０ ～ ｌ ３ ６ ０ ａ ｍ 波段 ７ ： ３消偏振 分光 膜 ， 分析 了该设 计膜 系的监控 曲线 以评 价其 可镀 制 性 ， 并 采 用德 国莱 宝 Ａ Ｐ Ｓ １ １ ０ ４型镀 膜机 对 所
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔｈ ｅ ｐ ｏ ｌ ａ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｓ ｉ ｎ ｅ ｖ ｉ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｗｈ ｅ ｎ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ — ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｉｌ ｍ ｉ ｓ ｔ ｉ ｔ ｌ ｅ ｄ．Ａｎ ｙ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｕ ｓ ｕ ａ ｌ ｌ ｙ ｔ ａ ｋｅ ｎ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｐ ｏ ｌ ａ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆｅ ｃ ｔ ，ｂ ｕ ｔ ｏ ｎ ｌ ｙ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｗａ ｖ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｒ ｖ ｅ ｒ ｙ ｎ ａ ｒ ｒ ｏ ｗ ｓ ｐｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｎ ｏ ｎ－ ｐ ｏ ｌ ａ ｒ ｉ ｚ ｉ ｎ ｇ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ｗａ ｓ ａ ｌ ｍｏ ｓ ｔ ｎ ｏ ｍｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ ５ ０ ｎ ｎ ｑ ．Ａｎ ｉ ｎ ｉ ｉ ｔ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｍｕ ｌ ａ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｉｏ ｔ ｎ ｍｅ ｈｏ ｔ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｈｅ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ，Ｔｈ ｅ ｎ，ｔ ｈｅ ｉ ｎ ｃ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ｗｉ ｈ ｔ ４５ 。ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ — ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｉｌ ｆ ｍ ｆ ｒ ｏ ｍ ｌ ２ ６ ０ ｎ ｍ ｔ ｏ １ ３ ６ ０ ｎ ｍ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｌ ａ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ． ｎ ｅ ｅ ｄ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｖ ａ ｉａ ｒ ｂ ｌ ｅ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｏ ｐ ｉ ｔ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｈｏ ｔ ｄ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｉ ｎ ｉ ｉａ ｔ ｌ ｆ ｏ ｍ ｕ ｒ ｌ ａ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎｇ ＴＦ Ｃａ ｌ ｃ ｆ ｏ ｒ ｍｕ ｌ ａ
全介质三波长消偏振平板型分光膜的设计
第19卷 第4期强激光与粒子束Vol.19,No.4 2007年4月H IG H POWER LASE R AND PARTIC LE BEAMS A pr.,2007 文章编号: 1001-4322(2007)04-0629-04全介质三波长消偏振平板型分光膜的设计＊王文梁1,2, 熊胜明1, 张云洞1(1.中国科学院光电技术研究所,成都610209; 2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘 要: 利用Needle合成法与Co njug ate g radua te精炼法,并基于T helen和Costich的理论选择初始膜系的材料和结构,设计了532,633和1315nm三波长消偏振平板型分光膜。
结果表明,此膜系在(532±10),(633±10)和(1315±10)nm范围内的偏振分离都非常小。
对于532,633和1315nm3个波长位置的消偏振要求,入射角的合理变化范围可以是45±2°。
关键词: 全介质; 三波长; 消偏振; 平板型分光膜 中图分类号: O484 文献标识码: A 分光膜是光学仪器中的基本元件,有着广泛的应用。
分光膜一般有两种结构:平板型和胶合棱镜型,入射角是45°。
当分光膜用于光线倾斜入射时,不可避免地会产生偏振效应。
可以利用偏振反应来设计偏振分光膜[1],但在许多实际应用的场合里又希望能够消除偏振效应。
设计与制造消偏振分光膜需要解决材料固有的偏振分离的基本属性。
理想的消偏振分光膜,应该在一个较大的波长范围内,使S偏振光和P偏振光具有相同的反射率和透射率特性,使入射角具有一个合理的范围,而且没有吸收。
金属材料相对于全介质材料,具有比较小的偏振效应。
因此,采用包括金属层的多层膜设计能在较大的波长范围内使S偏振光和P偏振光具有近似相同的特性[2-5],但存在金属材料的强烈吸收。
为解决薄膜的消偏振问题,曾经有过大量的研究工作。
可见光消偏振介质分光薄膜的研制
可见光消偏振介质分光薄膜的研制分光膜被广泛应用在各类的光电仪器、激光、光电显示设备和光存储等领域，并在分束镜应用中起到了至关重要的作用。
通常情况下分束镜总是倾斜着使用，它能方便地把入射光分离成反射光和透射光两部分。
在可见光范围内，透射和反射比为50/50的中性分束镜最为常用。
当分光膜用于光线倾斜入射时，不可避免地会产生偏振效应，可以利用偏振效应来设计偏振分光膜。
理想的消偏振分光膜，应该在一个较宽的波段范围内，使S偏振光和P偏振光具有相同的反射率和透射率，使入射角具有一个合理的范围，而且没有吸收。
Doak和Costich较早提出消偏振理论，但是可选择的工作波长和薄膜材料受到限制，而且工作波长和入射角的范围都非常有限，没有达到理想的消偏振效果。
该文利用Global Optimization和Needle合成法，设计并研制了在可见光范围420～680nm波段与40°～50°角度变化的介质消偏振分光膜。
1 膜系设计与材料选择1.1 偏振理论式中和分别为光在入射介质和膜层中的入射角，和分别为入射介质和膜层的折射率。
由此容易看出，（1）式是一个恒大于1的量，因此一个单层膜必然有偏振分离，其中。
对于一个确定的入射角而言入射介质折射率愈高，偏振分离也愈大，因而封闭在胶合棱镜中的膜层的偏振效应更为显著。
当时，，在波长位置将没有偏振分离。
1.2 高低折射率材料的选择在可见光波段常用的高折射率材料有Ta2O5、TiO2、Ti3O5、ZrO2，可选择的低折射率材料有SiO2和MgF2，由于材料折射率的色散强度随波长改变的特点，需要选择合适的镀膜材料，经过实验测试得到几种材料的折射率色散曲线如图1所示。
由图1可知，TiO2的折射率要高于Ta2O5的折射率，通过实验发现Ta2O5材料的镀制工艺没有TiO2稳定，故选择TiO2为高折射率材料。
这里为位相厚度，、分别为高低折射率材料的折射率，当为TiO2、为SiO2时当。
可见光消偏振介质分光薄膜的研制
这 里 为 位 相率 材 料 的 折 射
率 ， 当
为 Ｔｉ ０， 、ｎ Ｌ为 Ｓ ｉ ０， 时 当 ５＝（ ２ 丌／ ） Ｃ Ｏ Ｓ ０ 。当
Ｅ Ｅ
对６ ９ ０ ｎ ｍ半 导 体 激 光 器 的 应 用 产 生 促 进 作 用 。 例如 ： 高 速 计 算 机 网、 航 空 电子 系 统 、 卫 生 通 讯 网 高 清 晰 度 闭路 电视 网等 。 其 他 应 用
社 ， ２ ０ ０ ６ ： ２ ０ －３ ６ ．
由上述理论可知当△
ｌ 时， 舶 ＝√ ３ 耽 ， 在 ＝ ／ ２波长
【 ３ ］孔 明 东 ， 李瑞洁． 光 学 平板 偏 振 分 光镜 对 称 膜 系的 优 化设 计 ［ Ｊ ］ ．
强 激 光 与粒 子 束 ， ２ ０ ０ ０ ， ｌ ２ （ １ ） ： ６ １ －６ ４．
～
种医疗应 用等。
／ 一
， ｜ Ｌ ｒ ｌ Ｈ ｒ ｜ Ｌ
≈２
．
０ ０ ６ ８ ； 当ｎ Ｈ 为Ｔ ｉ ｅ， 、 工 为 Ｍｇ Ｆ 时， 等 效折 射 率
一 一
｝
Ｅ
～
Ｅ
ｎＬ
Ｅ Ｅ ｎ Ｈ
参考 文献
［ １ 】Ｆ ｅ ｎ ｇ Ｊ ， Ｚ ｈ ｏ ｕ Ｚ．Ｐｏ ｌ ａ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ａ ｍ ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｔ ｅ ｒ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ａ ｂ ｉ ｎ ａ ｒ ｙ
一
差＜０ ． ８ ％。 并 实 现 了 介 质分 光 膜 的 消偏 振 效 果 ， 由于 采 用 的 材料 都 是介 质材 料 ， 吸收 基 本 可 忽 略 ， 则 两 个 分量 的透 射 率 特 性也 基本 相
分光膜
分光膜根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜。
分光膜主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜等几类。
波长分光膜又叫双色分光膜，顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。
这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片，所不同的是，波长分光膜不仅要考虑透过光而且要考虑反射光，二者都要求有一定形状的光谱曲线。
波长分光膜通常在一定入射角下使用，在这种情况下,由于偏振的影响，光谱曲线会发生畸变,为了克服这种影响，必须考虑薄膜的消偏振问题。
光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜，这种薄光学薄膜膜有时仅考虑某一波长，叫做单色分光膜；有时需要考虑一个光谱区域叫做宽带分光膜；用于可见光的宽带分光膜，又叫做中性分光膜。
这种膜也常在斜入射下应用，由于偏振的影响，二束光的偏振状态可以相差很多,在有些工作中，可以不考虑这种差别,但在另一些工作中（例如某些干涉仪），则要求两束光都是消偏振的，这就需要设计和制备消偏振膜。
偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的。
偏振分光膜可以分成棱镜型和平板型两种。
棱镜型偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应（见光在分界面上的折射和反射）。
当光束总是以布儒斯特角入射到两种材料界面时，则不论薄膜层数有多少，其水平方向振动的反射光总为零，而垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加，只要层数足够多，就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光，而反射光束基本上是垂直方向振动的光，从而达到偏振分光的目的，由于由空气入射不可能达到两种薄膜材料界面上的布儒斯特角，所以薄膜必须镀在棱镜上，这时入射介质不是空气而是玻璃。
平板型偏振膜主要是利用在斜入射时由电介质反射膜两个偏振分量的反射带带宽的不同而制成的。
一般高反射膜，随着入射角的增大，垂直分量的反射带宽逐渐增大，而平行分量的带宽逐渐减少。
选择垂直分量的高反射区、平行分量的高透过区为工作区则可构成透过平行分量反射垂直分量的偏振膜，这种偏振膜的入射角一般选择在基体的布儒斯特角附近。
薄膜光学2
2.表面反射经过多次反射或漫射，有一部分使像的 衬度降低，从而影响系统的成象质量。
减反膜的作用：减少介质间界面反射。 常见的减反膜的结构：
单层减反膜 双层减反膜 多层减反膜
单层减反射膜 最简单的增透膜。 在光的入射界面上镀一层低折射率（ N0 <Nf < Ns ） 的膜层减少反射率。
当薄膜的折射率低于基体材料的折射率时 ,两个界 面的反射系数r1和r2具有相同的相位变化。如果膜 层的光学厚度是某一波长的四分之一，相邻两束 光的光程差恰好为π,即振动方向相反，叠加的结果 使光学表面对该波长的反射降低。
但不易得到窄的通带宽度。 2） Fabry-perot（ F-P）干涉仪式的滤光膜系。其特 点为可得到很窄的通带宽度，但截止带也较窄，截
止度也浅。
金属－介质F-P滤光片 结构：两个金属反射膜夹一个薄膜介质
层。薄膜介质层的厚度很薄，使得滤光 片工作于较低的干涉级次（<4级）。 由平行平板多光束干涉理论可得到该 滤光片的通带宽度
带通滤光片： 在一定的波段内，只有中间一小段是高透过率的 通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。 主要参数：
中心波长（峰值波长）；
中心波长处的透过率； 通带宽度：透射率降为峰值透过率一半的波 长宽 度。
两种典型结构：
1）由一长波通膜系和一短波通膜系的重叠带波段形
成的通带。其特点为较宽的截止带和较深的截止度，
（可见和红外）
银膜 在可见光区和红外区都具有高的反射率(95%)； 在倾斜使用时引入的偏振效应较小； 与玻璃基片的黏附性很差，同时易受硫化物的影响而失去 光着，故使用寿命较短。
保护层材料：一氧化硅（抗潮气）和氧化铝组合
金膜
在红外区具有高的反射率(~95%)；
薄膜光学技术-2-1
2 1 2 2 2 1 2 2
2 Y n 和 1 nS
2 3 2 4 2 3 2 4
S S 2 k
2 k
k为奇数 k为偶数
2 nL nS 1.382 1.52 (1) : Y 2 1.0 2 nH 1.7 2 nH 1.7 2 (2) : Y 1.90 1.382 9 nS 1.52
G M 2HL A
母膜系
14
n0=1 n1=1.38
T T0 1 F sin
2
T0
1 R1 1 R2 ,
, R R1R2 2
n2=2.05
n3=1.71 ns=1.52
R1 R2
1 2 2 1 2 2 0 1 2 0 n2 d 2 2 2 4 2 2
T 1 1 F sin
2
T0 1
T0 1
T0
1 R1 1 R2 ,R
1 R
2
R1R2
16
1. G M 2HL A
的特性：
下图是此膜系的一条可能的 R 曲线。 注意：在薄膜光学中，为了使一次具体的计算 结果不被局限在一个特定的波段，引入了一个中间变 量——相对波数 g ， g 0 。
R
0.015
g
1
17
由上图不难看出： a. 对 g=1 ，三层膜中有一层虚设层2H，致使对λ0的 有效膜堆是 G ML A
R 1 n nS n
2 1
2 2 3
1 n
2 1
nS n
2 3
薄膜物理与技术
太阳能电池有以下几类： 硅基太阳能电池(单晶/多晶/非晶)(24.7%) ；化合物太阳能电池(砷化镓/硫化镉/碲化镉/铜铟硒等)； 有机薄膜太阳能电池 (酞青类化合物/导电聚合物等)； 纳米薄膜太阳能电池(纳米TiO2) 。
第五章 薄膜的性质
了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。薄膜的力学、电学性质，及半导体、磁性、超导薄膜的特性及薄膜的应用。了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。 重点： 力，电性质，薄膜应用。薄膜材料以其独特的性质为促进器件微型化、集成化发挥了重要作用。薄膜制作作为一种极其重要的材料制作关键技术是现代大学本科生必须了解的基础知识。
镜面镀膜有三层：外层防污膜是防灰尘和油渍；中层防反射膜，是提高镜片光线通过率。 内层加硬膜是防止镜片磨损、刮花。
2.、太阳能薄膜技术
1973年世界爆发了第一次能源危机，使人们清醒地认识到地球上化石能源储藏及供给的有限性，客观上要求人们必须寻找其它可替代的能源技术，改变现有的以使用单一化石能源为基础的能源供给结构。为此，以美国为首的西方发达国家纷纷投入大量人力、物力和财力支持太阳电池的研究和发展，同时在以亟待解决的与化石能源燃烧有关的大气污染、温室效应等环境问题的促使下，在全世界范围内掀起了开发利用太阳能的热潮，也由此拉开了太阳电池发电的序幕。
薄膜技术与薄膜材料之所以受到人们的关注，主要基于下面几个理由：
（1）薄膜材料是典型的二维材料，即在两个尺度上较大，而在第三个尺度上很小。
2-6偏振分束膜
胶合棱镜介质偏振分光膜
S偏振光的高反射可以通过迭加有效厚度为1/4 波长的多层膜堆来实现。
平板介质偏振分光膜
布儒斯特定律
当自然光入射到介质表面 时，反射光和折射光都是 部分偏振光。 反射光中振动方向垂直入 射面的成分比平行于入射 面的成分占优势； 折射光中振动方向平行入 射面的成分比垂直于入射 面的成分占优势；
即
2 2 n 2 2 H nL nG sin G 2 2 nH nL
胶合棱镜介质偏振分光膜
胶合棱镜介质偏振分光膜
设计思路： 可以先选定膜层，再根据其折射率，按上式计算， 确定棱镜折射率和入射角，选用相应的棱镜材料 也可以先选定棱镜折射率和入射角，再根据上式 确定相应折射率的膜层材料
osinro
o e
nosin45o=nesinre
re=52o , ro=39o
o e
于是
=52o-39o=13o
胶合棱镜介质偏振分光膜
棱镜介质偏振分光膜是利用布儒斯特法来实现分 光功能. 当入射角满足布儒斯特条件时，P偏振光的反射为 零，而S偏振光则部分反射，部分投射。 为了增加S偏振光的反射率，保持P偏振光透射率 为1，可以将两种材料交替沉积制成多层膜。 膜层在特定入射角条件下的有效光学厚度应等于 中心波长的1/4，当层数足够多时，S偏振光的反 射率接近于1，而P偏振光的透射率也接近于1。 因此对于自然光而言，在一定波长范围内可以得 到偏振度很高的薄膜偏振器件。
r0
ib r
2
当入射角为布儒斯特角时，反射光为振动方向垂 直入射面的s线偏振光，而折射光仍为振动方向 平行于入射面（p偏振）的成分占优势的部分偏 振光 要注意布儒斯特角与全反射角的区别 两者条件不同。全反射时对n1 、 n2 有要求； 而布儒斯特角无此要求； 入射角大于全反射角时都会发生全反射，但只 有入射角为布儒斯特角时反射光才是完全线偏振 光。
光的偏振综合实验设计
第33卷第5期2020年10月大学物理实验PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGEVol.33No.5Oct.2020文章编号：1007-2934(2020)05-0052-04光的偏振综合实验设计邱学军，姚文俊，曹振洲，雷洁梅(中南民族大学电子信息工程学院，湖北武汉430074)摘要：为了推动民族高校大学物理创新实验平台建设，使创新实验更好地服务于民族高校大学物理理论和实验教学，设计了光的偏振综合实验平台。
其实验内容分为四个部分:线偏振光的产生和1/2波片的使用、圆偏振光的产生和1/4波片的使用、偏振分光棱镜和消偏振分光棱镜的使用以及光学偏振隔离器的设计。
通过该综合实验平台，不仅可以加深学生对光的偏振和光器件的系统认识,而且可以提高学生的动手能力和创新思维。
关键词：线偏振光;圆偏振光;波片;偏振分光棱镜中图分类号：G642；O436文献标志码：A DOI：10.14139/22-1228.2020.05.012大学物理是高校理工科各专业学生的一门重要的公共基础必修课，该课程所教授的基本概念,思想和方法是学生科学素养的重要组成部分，是培养学生成为合格科技工作者和工程技术人员的必备因素［1-4］o大学物理以实验为基础，通过实验,不仅可以帮助学生理解理论知识，改善理论课教学质量,而且可以培养学生的动手能力和创新思维，激发学生学习兴趣［5-10］o尽管如此，目前的大学物理实验，针对单个知识点的验证性实验的比例较大，而涉及综合知识应用的实验偏少［11］，这在一定程度上使学生对所学知识无法形成系统性,全面性的认识,造成学生思维模式的固化和创新能力的缺失。
不仅如此,在民族高校中，以我校(中南民族大学)为例，目前开设的光学实验主要包括分光计的调节和使用、双棱镜干涉测光波波长以及氢原子光谱,这些实验不仅难度大,而且不易操作，加之我校少数民族学生居多,实验技能差异性较大，许多学生基本上是在老师的“手把手操作”下才能完成,这极大束缚了学生的动手能力和创新思维的发展，效果微乎其微。
膜系自动设计中的几种新型评价函数
Ｖ１ ４ ｏ ０２ Ｎ ． ． ５ Ｏｔ ０２ ｃ． ０ ２
文 章 编 号 ：０ ７ ４ Ｘ（０２ ０ —０２ ０ １０ —１４ ２０ ）５ １５— ３
膜 系 自动 设 计 中 的 几 种 新 型 评 价 函数
赵 利 ， 薛亦 渝 ， 学华 ， 王 张幼陵
（ 武汉理工 大学 材料科学与工程 学院 ， 湖北 武汉 ，３００ ４１ ７ ） ３
维普资讯
第２ 卷 第５ ４ 期 生 旦 Ｑ
＝＝ ＝ ＝ ＝ — ＝ ＝ ＝＝ 一
武汉理工大学学报 ・ 信息与管理工程版
—— — —— — —— — —— — —— — —— — —— — —— — 一 一
＝＝ ＝ ＝＝ ＝ ＝＝ ＝ ＝＝ ＝ ＝＝ ＝ ＝ ＝！ ＝＝ ＝ ＝＝ ＝ ＝＝ ＝＝ ＝ ！ ＝！ ！ ＝＝ ＝ ＝＝ ＝＝ ＝ ＝＝ ＝ ＝＝ ＝＝ ＝ ＝＝ ＝＝
２ ３ 太 阳能 电池 减 反 射膜 膜 系设 计 的评 价 ．
数一 般有 Ｐ阶模 型 、 差型 、 大 偏差 型 和平 坦 型 容 最
方相对值分 布 的宽带高 消光 比的光 学平板 偏振
膜。
等评价函数 ， 这些评价 函数都 比较普遍。但是 这 些 评价 函数并 不 能 满 足所 有 膜 系 设 计 的要 求 ， 如
利用 它 们来 设 计 一 些 特 殊 的 膜 系 ， 很 难 获 得 则
目前 光 学薄 膜 的膜 系 设计 中 已经 普 遍采 用 了 计算机 自动 设 计 方 法 ， 用 自动设 计 可 以让 一个 采 缺少膜 系 设 计 经 验 的人 也 能 设 计 出较 好 的膜 系 。 其设 计思 想 就 是 先 给 定 一 个 初 始 膜 系 ， 后 计 算 然
该膜系的反射率 ， 再对理想状态 的 目标反射率求 偏 差 。这个 求 偏差 的问题 实 际上 就 是建 立评 价 函 数 的问题 ， 选取结构参数 ， 修改膜厚 、 折射率 以及 膜层数来对这个偏差值进行优化 ， 要求 偏差达到
光学薄膜及制备详解
光学薄膜
光学薄膜按应用分为反射膜、增透膜、滤光 膜、光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜。常 用的是前四种。
光学反射膜用以增加镜面反射率，常用来制 造反光、折光和共振腔器件。光学增透膜沉积在 光学元件表面，用以减少表面反射，增加光学系 统透射，又称减反射膜。光学滤光膜用来进行光 谱或其他光性分割，其种类多，结构复杂。光学 保护膜沉积在金属或其他软性易侵蚀材料或薄膜 表面，用以增加其强度或稳定性，改进光学性质。 最常见的是金属镜面的保护膜。
1.2 常见的减反膜的种类
1.单层减反膜 2.双层减反膜 3.多层减反膜
1.2.1单层减反膜
r1
r2e2i2
n0
n1
n2
假设在界面1和2上的振幅反射率系数为r1和r2
r1
n0 n0
n1 n1
r2
n1 n1
n2 n2
总反射系数
r r1 r2
合反射率
R r2
当膜层的光学厚度为中心波长的四分之一时，则两个
减反膜起不到降低反射的作用，所以双层反射膜只能在较窄的光谱 范围内有效的减少反射，适宜于工作波段较窄的系统中应用。有时 为了满足较宽光谱范围的低反射要求，需要用到三层或多层反射膜。
1.2.3 多层减反膜
常用的三层减反膜是“λ/4-λ/2-λ/4”膜系。对于中心 波长来说，λ0/2光学厚度的膜层为“虚设层”，对反射率没有 影响，与“λ/4-λ/4”的双层减反膜效果相同。但是λ/2膜层 对其他波长有影响，选择适当的折射率值，可以使反射特性曲 线变得平坦。
n22 / n 3 1.9
在限定两层膜的厚度都是λ/4的前提下，要令波长λ的反射光 减至零，它们的折射率应满足如下关系：
n1 (n22 / n3 )n0
偏振分光介质膜_概述及解释说明
偏振分光介质膜概述及解释说明1. 引言1.1 概述随着科学技术的不断进步，人们对于光学器件的需求越来越高。
偏振分光介质膜作为一种重要的光学材料，在现代光学领域得到了广泛的应用。
它具有对特定方向的光进行选择性传递或反射的特点，使其在偏振光学、光通信、生物医学等多个领域发挥了重要作用。
1.2 文章结构本文将首先介绍偏振分光介质膜的定义和原理，在第二部分中我们会详细解释偏振现象，并探讨分光介质膜是如何实现对特定方向光的选择性传递或反射的。
接下来，我们将探讨偏振分光介质膜在不同领域中的应用，包括在光学器件中的应用、光通信领域以及生物医学中的应用。
然后，我们将会介绍常见的偏振分光介质膜材料以及制备方法，根据材料类型划分为金属基、非金属无机基和有机高分子基三个部分。
最后，在结论部分，我们会对偏振分光介质膜进行总结，并展望其未来的发展方向。
1.3 目的本文的目的在于全面介绍和说明偏振分光介质膜的相关知识。
通过文章的阐述，读者将能够了解该材料的定义、原理以及工作方式，掌握它在不同领域中的应用，并获得常见材料和制备方法的知识。
希望读者通过本文的阅读，能够对偏振分光介质膜有一个整体而深入的理解，并为其未来发展提供一定的参考。
2. 偏振分光介质膜的定义和原理:2.1 偏振现象简介:偏振是指光波在传播方向上的电矢量或磁矢量有规律地起伏变化。
自然光中的光波沿着各个方向传播，电磁场随机变化，因此不具备固定的偏振性质。
而偏振光则是一种具有特定传播方向和振动平面的光波。
偏振光可通过一些器件（如偏振片）进行选择性地去除或保留特定方向上的电场振动分量。
2.2 分光介质膜的概念解释:分光介质膜是一种能够选择性地改变入射光线偏振状态或频谱分布的薄膜材料。
它被广泛应用于光学器件、光通信以及生物医学等领域。
分光介质膜通常由多层复合薄膜构成，每一层都具有不同的折射率和厚度，并且其设计与制备过程需要考虑入射角度、工作波长以及所需偏振状态等因素。
薄膜偏振分光片tfp的原理
薄膜偏振分光片tfp的原理
薄膜偏振分光片TFP的原理
薄膜偏振分光片(Thin Film Polarizer,TFP)是一种利用薄膜干涉原理制成的光学元件,主要用于产生线性偏振光。
其工作原理基于折射率各向异性的薄膜材料,通过多层膜的干涉效应,使入射光产生强烈的偏振效果。
1. 结构和材料:
TFP通常由多层高低折射率材料交替堆叠而成,常用材料包括二氧化硅(SiO2)和钛酸钡(BaTiO3)等。
这些材料具有各向异性特性,即不同晶体方向折射率不同。
2. 光的干涉和偏振:
当无偏振的自然光垂直入射到TFP表面时,由于膜层材料的折射率各向异性,光线在垂直和平行方向的传播速率不同。
垂直和平行分量在各膜层界面发生多次反射和干涉,最终导致垂直分量被有效抑制,而平行分量被增强。
这种干涉效应产生了线性偏振光。
3. 设计和优化:
TFP的性能主要取决于膜层材料的选择、膜层数量、厚度以及堆叠顺序。
通过精心设计和优化,可以实现高透射率、高偏振度、宽工作波长范围等优异性能。
4. 应用:
TFP广泛应用于液晶显示器、光纤通信、光学仪器、激光技术等领域,用于产生线性偏振光或分析偏振光状态。
它具有体积小、重量轻、成本低、环境稳定性好等优点。
薄膜偏振分光片TFP利用薄膜干涉原理,通过精心设计的多层膜结构,实现了高效的线性偏振效果,为光学系统提供了重要的偏振光源或分析元件。
薄膜光学第二章
求上等效界面的等效发射率R1：
折射率为n1 的/4膜层的特征矩阵
c os1 in1s in1
is in1 / n1
c os1
0 in1
i/0n1
B 0 Cin1
i/n11 0 n2
ini2n/1n1
YC/Bn12 /n2
R1
0 0
Y Y
2
02 02
n12 n12
2
2.05 1.882 2.05 1.882
(1R1)(1R22)
(10.0707)(10.001)
2
1 R1R2
1 0.07070.001
T T0
1Fsin2
1TF00T0
0.99745
R1T1T0 2.55103%
R(%)
3.0
2.0
R
1.0
R1
R2
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
g(0/)
当波长偏离参考波长时，n1 、n3的/4膜层不再是/4膜层，所 以R1和R2的值就发生变化；同样n3的/2膜层不再是/2 ，所以
例题1 三层增透膜的结构参数为： 求在参考波长处的反射率和透过率。
第一步：以中间/2膜层为选定层，求 其上下两个表面的等效反射率。
n1 1 .8 8, / 4 n 2 2 .0 5, / 2 n3 1 .7 1, / 4
n s 1 .5 2
上等效界面由空气，折射率为n1的/4膜层和中间/2膜层为 选定层组成。下等效界面由基质，折射率为n3的/4膜层和 中间/2膜层为选定层组成。
单层减反膜的讨论：
➢ 单层减反膜理论上只能在一个波长处实现零反射率所 以色中性差，即反射率的波长相关性强, 影响成像系统的 色平衡）； ➢ 实际上，满足f 0s 条件的光学玻璃并不存在，很 难实现零反射，剩余反射率不理想(常用的薄膜最低折射 率材料氟化镁（1.38）)。
- 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. 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。
10
11
3. 金属栅偏振分光镜
原理： 当入射光的波长远大于栅距时，入射光中的电矢量 E
垂直于线栅的偏振光透过线栅，而电矢量 E平行于线栅 的偏振光则被线栅反射。
金属栅偏振器的主要优点是： 工作波段很宽； 全波段内偏振性好； 线栅用良导体制成，吸收可以忽略，抗光损伤阈值
高。所以，金属线栅偏振器是中，远红外区较理想的偏 振器 。
17
单层宽波段消偏振分光镜
18
③对于确定θ0和n，Δn随入射介质n0增大而增大，偏振分离也越大； 因此，①消偏振只能对膜层与周围介质组合、或多层膜系来实现；
②封闭在胶合棱镜中膜层的偏振效应更严重。
14
2.7.1 单波长消偏振
由于①多层膜系的偏振效应来源于光学导纳的偏振分离，
②多层膜系的光学导纳是膜层厚度的复函数， ③多层膜系的光学导纳色散非常严重，所以多层膜系
足 n1 n0 n2 ，且光线以等于或大于全反射临界角入射
时，通过调整膜层的厚度，由于膜层的作用，就会使全反射受
到抑制，得到没有偏振效应的各种透反比的分光效果。
可以证明，受抑全反射消偏振分光入射角只与膜
层和入射介质的折射率有关，而与波长和膜层厚度
无关。即：
sin0
2 n1 n0 1 n1 n0 2
7
中心波长处的反射率为：
R
ηs
ηs
ηH2 ηH2
ηs ηs
ηH ηH
ηL ηL
m1 2 m1
m为膜层的层数，并假定为奇数。
S-偏振光高反射区域的半宽度为：
g s
2
sin
1
ηH ηH
ηL ηL
s
s
1 1
8
9
2. 平板型偏振分光膜
在基于布儒斯特角入射的棱镜偏振镜中，各介质 的P-偏振光的有效折射率都是相同的，其间不存在 界面，因而P-偏振光有高的透射并不是干涉的结果 (不产生干涉)．
①当入射角满足布儒斯持角条件时，即
tgθ=
n/ H
n L
，
rp r0p 0, rs 0
②当膜层数增加到足够多时，
rp 0, rs 1
依此，当自然光入射时，在一定的波长范围内，得 到50/50的透射和反射率比，
既可以作为良好的中性分光镜， 也可以用作偏振度很高的薄膜偏振器件。
4
偏振分光棱镜的结构就是在胶合面镀制HL多层膜。
平板偏振分光镜是基于薄膜材料的P-偏振和S-偏 振的有效折射率不相等这一条件设计的，P-偏振光 的高透射率是通过干涉效应实现的．因此它们的工作 波段比较窄，优点是选择基片和薄膜材料有较大的灵 活性．
这种干涉型偏振镜的基本结构是长波通滤光片
G（0.5HL0.5H）SA。
当然，干涉型偏振分光镜也可以采用用胶合棱镜。
5
棱镜偏振分光镜的设计：
根据布儒斯特角条件和折射定律确定膜层材料、光 线入射角和棱镜材料。
① tgH nL nH , nH sinH nLsinL =nG sinG
②实现偏振分光的条件：
nG inG
nHnL
n
2 H
+n
2 L
12
6
立方棱镜偏振分光镜的设计方法有两种：
在给定nH和nL的情况下，就可以确定出膜层内的折射角θH和θL，
12
13
2.7 消偏振膜系
在许多光学系统中，偏振效应将带来偏振像差。 因此，消除偏振效应在许多光学系统中是必须的。
产生偏振效应的原因是有效光学导纳的分离。
定义s和p偏振分量有效导纳的偏振分离量为：
n p n cos
1
1
1
n2 0
sin2 0
s ncos cos2
n2
显然： ①对独立的单层膜来说，Δn永远大于1，单层膜不可能消偏振； ②对分确离定越的小n0；和n，Δn随入射角θ0的减小而降低，即入射角越小，偏振
RP/% 0.99 1.19 1.81 4.48
2
（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
的光学导纳的偏振分离量很难用一个显函数表达。 也就很难在宽波段实现消偏振设计。
目前，大多数消偏振设计都是针对光学导纳能够明 确用显函数表达的特殊波长进行的。
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。
15
第2章 光学薄膜膜系设计及其应用
偏振分光膜和消偏振薄膜
1
2-6 偏振和偏振薄膜 1. 薄膜的偏振效应
（1）. AR coating GHLA
λmin 00 550nm 300 520nm 450 480nm 600 440nm
Rmin/% 0.99 0.999 1.1 2.28
RS/% 0.99 0.81 0.39 0.08
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
H:ZnS, L:MgF2, M:Al2O3 G:K9
16
2.7.2 宽波段消偏振
2. 受抑全反射棱镜
如图示，位于棱镜胶合面的单层介质膜，当折射率满
500 510nm 0.9984 0.9999 0.9969 430-620 450-590
600 500nm 0.9930 0.9999 0.9864 390-600 430-550
3
2. 6.1 偏振分束膜
1. 立方棱镜的偏振分光膜——布儒斯特角原理
利用光的偏振效应实现50／50中性分光。 原理：