薄膜光学第二章资料
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减反膜的关键技术指标：透过率和色中性
色中性好，膜系的透过率与波长的关系曲线比较平坦。
➢常 见 的 减 反 膜 的 结 构 ：
单层减反膜和多层减反膜；
常见的减反膜
入射
反射
n0
界面
n1
光垂直入射一光学界面，其 反射率：
R
n0 n0
n1 2 n1 2
1 n1 1 n1
n0 2 n0 2
n0、n1越接近，表面反射率就越低。 对于从空气入射介质场合， n0 ＝1。 n1＝1.44~1.92, R=3.25~10%（在可见和近红外区）; 在红外区域（硅和锗基底）, R>31%
多层减反膜系结构 膜层增加，有利于灵活选取膜的参数满足多项要求（反射率、 色中性等）。目前大多采用的三层膜结构为GM2HLA，更多 层的膜系大多是以此为雏形发展而来的。
GM2HLA 膜系特性
组成: 基质折射率ns，中等折射率
nM 的/4膜层，高折射率nH 的/2膜层, 折射率nL的/4膜
层，空气折射率n0
入射
/4膜层, nL /2膜层, nH
/4膜层,nM
Baidu Nhomakorabea反射
n0 ns 基质
入射
反射
等价于一个平行平板干涉仪
/4膜层, nL
n0
r1, R1, Y1 等效界面1
/2膜层, nH /4膜层,nM
ns 基质
nH /2膜层
等效界面2 r2, R2, Y2
T
1
T0
F sin2
, T0
(1
R1
)(1
R2
/ n1 0
B 0
C
in1
i
/ n1 0
1
n2
in2 / n1
in1
Y C / B n12 / n2
R1
0 Y 0 Y
2
02 n12 02 n12
2
2.05 1.882 2.05 1.882
2
0.0707
同样下等效界面的等效发射率R2为
R2
s Y s Y
2
s2 n32 s2 n32
第二章 介质膜系及其应用
教学内容
减反膜； 高反膜； 中性分束膜； 截止滤光片； 带通滤光片； 偏振分束膜； 消偏振膜。
教学目的和要求
作用； 应用背景； 设计基础； 结构特点。
了解常用膜系的应用 背景、掌握其光学特 性、结构特点及其设 计的基本知识，为以 后发展打下基础。
2.1 减反膜（增透膜）
作用和应用背景
ns
GLA变成GHLA， 可以实现零反射，但不能克服色中性差
的缺陷, R－曲线呈V型，适用与工作波段较窄的场合。
2) /2 ~/4膜堆
G2HLA 膜系：基质 /2
膜层 /4膜层空气
膜系反射率为
R
0s 0s
2 L
2 L
2
膜系特点：
入射
/4膜层 n0 /2膜层 ns
反射 基质
1）反射率在参考波长处与/2膜层光学参数 无关，等价与一单层减反膜系；
2
2.05 1.712 2.05 1.712
2
0.0010
第二步：求以上下两表面反射率分别
为R1、R2的/2膜层等价透过率：
T0
(1
R1)(1 R2 )
2
(1 0.0707)(1 0.001)
2
1 R1R2
1 0.0707 0.001
T
1
2）/2膜层在偏离参考波长处影响膜系的反射率，在参考波长两侧可望 得到反射率的极小值。R－曲线呈W型。所以在参考波长处反射率较双 层/4膜堆高，但该波长两侧R－曲线较平坦，色中性较好。（通过调 整虚设层的折射率实现，虚设层起到平滑膜系反射透射特性的作用）
多层减反膜
双层减反膜要么能提高参考波长处的反射率但色中性差，要么 改善膜系的色中性但无法改善膜系反射率。多层减反膜系
ns 1.52
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。
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
cos1 in1 sin 1
i
sin 1 / c os1
n1
0 in1
i
2
)
，F
1 R1R2
4 1
R1R2 R1R2
2
,
1
1
2
2
nH d
对于
/
2膜层,
nH d
0
/
2, 于是
1
1
2
0
➢ 为的整数倍时, sin = 0，透射率达到最大值(T0)。
➢ R1＝R2时，T0＝1。 ➢ 如F<<1和T0＝1，T＝(1－F)。 ➢ 剩余反射率最小值1－T0 ，最大值～1－T0 /(1＋F)。
反射 界面
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）)。
如果入射光偏离正入射，那么最小反射率对应的波长向短 波方向移动。为什么？
单层减反膜
入射
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。
n0
ns
2
R 0 Y 0 Y
Y n2f / ns , ( / 4波长膜厚)
R
0s 0s
2 f
2 f
2
反射率为零的条件为 f 0s
典型的单层减反膜的R－曲线呈V型， 存在一个谷底，在此波长处具有最小 反射率。
双层减反膜
为改善单层减反膜的不足：色中性差以及很难实现零反射，提 出双层减反膜的设计。具体结构有: 1）双层/4膜堆 2） /2 ~/4膜堆
1) 双层/4膜堆
单层膜：R
0s 0s
2 f
2 f
2
，
0s＝
2 f
双层膜：R
0
L2s
/
2 H
0 L2s /H2
2
，
2 L
/ H2 ＝0
/s
入射
反射
n0
界面
减反膜的作用：减少介质间界面反射。 一般情况下界面反射的危害：引起光学系统的光能量损失； 加剧光学系统的杂散光干扰，加大系统噪声；在高功率激光 系统中，界面反射可能引起反激光，损伤光学元件，所以为 减少光能损耗，提高成像质量，照相机、电视机、显微镜等 等中的光学镜头都镀减反膜。为尽量减弱反激光，高功率激 光系统中的透射光学元件表面也镀减反膜。
所以对于GM2HLA膜系，F尽可能小，而且尽量R1＝R2。不 过R1、R2只有在少数几个分离的波长上才能重合。在反射率 和带宽之间需统筹兼顾(精细度与反射率)。
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 1.88, / 4 n2 2.05, / 2 n3 1.71, / 4
色中性好，膜系的透过率与波长的关系曲线比较平坦。
➢常 见 的 减 反 膜 的 结 构 ：
单层减反膜和多层减反膜；
常见的减反膜
入射
反射
n0
界面
n1
光垂直入射一光学界面，其 反射率：
R
n0 n0
n1 2 n1 2
1 n1 1 n1
n0 2 n0 2
n0、n1越接近，表面反射率就越低。 对于从空气入射介质场合， n0 ＝1。 n1＝1.44~1.92, R=3.25~10%（在可见和近红外区）; 在红外区域（硅和锗基底）, R>31%
多层减反膜系结构 膜层增加，有利于灵活选取膜的参数满足多项要求（反射率、 色中性等）。目前大多采用的三层膜结构为GM2HLA，更多 层的膜系大多是以此为雏形发展而来的。
GM2HLA 膜系特性
组成: 基质折射率ns，中等折射率
nM 的/4膜层，高折射率nH 的/2膜层, 折射率nL的/4膜
层，空气折射率n0
入射
/4膜层, nL /2膜层, nH
/4膜层,nM
Baidu Nhomakorabea反射
n0 ns 基质
入射
反射
等价于一个平行平板干涉仪
/4膜层, nL
n0
r1, R1, Y1 等效界面1
/2膜层, nH /4膜层,nM
ns 基质
nH /2膜层
等效界面2 r2, R2, Y2
T
1
T0
F sin2
, T0
(1
R1
)(1
R2
/ n1 0
B 0
C
in1
i
/ n1 0
1
n2
in2 / n1
in1
Y C / B n12 / n2
R1
0 Y 0 Y
2
02 n12 02 n12
2
2.05 1.882 2.05 1.882
2
0.0707
同样下等效界面的等效发射率R2为
R2
s Y s Y
2
s2 n32 s2 n32
第二章 介质膜系及其应用
教学内容
减反膜； 高反膜； 中性分束膜； 截止滤光片； 带通滤光片； 偏振分束膜； 消偏振膜。
教学目的和要求
作用； 应用背景； 设计基础； 结构特点。
了解常用膜系的应用 背景、掌握其光学特 性、结构特点及其设 计的基本知识，为以 后发展打下基础。
2.1 减反膜（增透膜）
作用和应用背景
ns
GLA变成GHLA， 可以实现零反射，但不能克服色中性差
的缺陷, R－曲线呈V型，适用与工作波段较窄的场合。
2) /2 ~/4膜堆
G2HLA 膜系：基质 /2
膜层 /4膜层空气
膜系反射率为
R
0s 0s
2 L
2 L
2
膜系特点：
入射
/4膜层 n0 /2膜层 ns
反射 基质
1）反射率在参考波长处与/2膜层光学参数 无关，等价与一单层减反膜系；
2
2.05 1.712 2.05 1.712
2
0.0010
第二步：求以上下两表面反射率分别
为R1、R2的/2膜层等价透过率：
T0
(1
R1)(1 R2 )
2
(1 0.0707)(1 0.001)
2
1 R1R2
1 0.0707 0.001
T
1
2）/2膜层在偏离参考波长处影响膜系的反射率，在参考波长两侧可望 得到反射率的极小值。R－曲线呈W型。所以在参考波长处反射率较双 层/4膜堆高，但该波长两侧R－曲线较平坦，色中性较好。（通过调 整虚设层的折射率实现，虚设层起到平滑膜系反射透射特性的作用）
多层减反膜
双层减反膜要么能提高参考波长处的反射率但色中性差，要么 改善膜系的色中性但无法改善膜系反射率。多层减反膜系
ns 1.52
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。
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
cos1 in1 sin 1
i
sin 1 / c os1
n1
0 in1
i
2
)
，F
1 R1R2
4 1
R1R2 R1R2
2
,
1
1
2
2
nH d
对于
/
2膜层,
nH d
0
/
2, 于是
1
1
2
0
➢ 为的整数倍时, sin = 0，透射率达到最大值(T0)。
➢ R1＝R2时，T0＝1。 ➢ 如F<<1和T0＝1，T＝(1－F)。 ➢ 剩余反射率最小值1－T0 ，最大值～1－T0 /(1＋F)。
反射 界面
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）)。
如果入射光偏离正入射，那么最小反射率对应的波长向短 波方向移动。为什么？
单层减反膜
入射
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。
n0
ns
2
R 0 Y 0 Y
Y n2f / ns , ( / 4波长膜厚)
R
0s 0s
2 f
2 f
2
反射率为零的条件为 f 0s
典型的单层减反膜的R－曲线呈V型， 存在一个谷底，在此波长处具有最小 反射率。
双层减反膜
为改善单层减反膜的不足：色中性差以及很难实现零反射，提 出双层减反膜的设计。具体结构有: 1）双层/4膜堆 2） /2 ~/4膜堆
1) 双层/4膜堆
单层膜：R
0s 0s
2 f
2 f
2
，
0s＝
2 f
双层膜：R
0
L2s
/
2 H
0 L2s /H2
2
，
2 L
/ H2 ＝0
/s
入射
反射
n0
界面
减反膜的作用：减少介质间界面反射。 一般情况下界面反射的危害：引起光学系统的光能量损失； 加剧光学系统的杂散光干扰，加大系统噪声；在高功率激光 系统中，界面反射可能引起反激光，损伤光学元件，所以为 减少光能损耗，提高成像质量，照相机、电视机、显微镜等 等中的光学镜头都镀减反膜。为尽量减弱反激光，高功率激 光系统中的透射光学元件表面也镀减反膜。
所以对于GM2HLA膜系，F尽可能小，而且尽量R1＝R2。不 过R1、R2只有在少数几个分离的波长上才能重合。在反射率 和带宽之间需统筹兼顾(精细度与反射率)。
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 1.88, / 4 n2 2.05, / 2 n3 1.71, / 4