光学薄膜原理演示幻灯片
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《薄膜光学基础》PPT课件
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：
《光学薄膜设计理论》课件
总结词
随着光电器件的发展，光学薄膜的应用领域也在不断 扩展。新型光电器件对光学薄膜的要求更高，需要不 断探索新的应用领域和场景。
详细描述
光学薄膜在新型光电器件中具有广泛的应用前景。例 如，在激光器、太阳能电池、光电传感器等领域中， 光学薄膜可以起到增益介质、反射镜、滤光片、保护 膜等作用。此外，随着光电器件的微型化和集成化发 展，光学薄膜的应用场景也在不断扩展，如光子晶体 、微纳光学器件等。这些新型光电器件的发展将进一 步推动光学薄膜技术的进步和应用领域的拓展。
薄膜的均质膜系法
总结词
将多层薄膜视为一个整体，并使用均质膜系法来计算反射、透射和吸收系数的方 法。
详细描述
均质膜系法是一种更精确的光学薄膜设计方法。它将多层薄膜视为一个整体，并 使用均质膜系法来计算反射、透射和吸收系数。这种方法适用于薄膜层数较多、 折射率变化较大的情况，能够更准确地模拟薄膜的光学性能。
光的波动理论概述
光的波动理论认为光是一种波动现象，具有振动 、传播和干涉等特性。
波动方程的推导
通过麦克斯韦方程组推导出波动方程，描述光波 在介质中的传播规律。
波前的概念
光的波动理论中引入了波前的概念，用于描述光 波的相位和振幅。
光的干涉理论
光的干涉现象
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，产生明 暗相间的干涉条纹的现象。
按制备方法分类
03
物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法等。
光学薄膜的应用
光学仪器
照相机、望远镜、显微镜等。
光电子
激光器、光探测器、光放大器等。
通信
光纤、光波导、光放大器等。
摄影
滤镜、镜头镀膜等。
02
光学薄膜设计基础
《光学薄膜-范正修》课件
多光子光学薄吸收效应来制备具有 特殊光学性质的光学薄膜。
应用和优势
多光子光学薄膜具有较高的光学性能和稳定性，具 有应用前景广阔的潜力。
光学薄膜的应用领域
光学通讯
光学薄膜的反射、透过率等性能使得其在光学通讯领域有着广泛应用。
光学仪器
光学薄膜广泛应用于光学仪器中，如镜片、滤光片、分束器等。
反射率
正入射光与反射光之比，称为反射率。
色散性
物质对不同波长的光线所产生的折射率不同， 这种现象称为色散性。
光学薄膜的分类
1
单层光学薄膜
由一层材料制成的光学薄膜，其性能稳定，价格便宜。
2
多层光学薄膜
由多层不同材质的光学薄膜堆积而成，性能可调制，应用范围广。
3
光子晶体光学薄膜
利用光子晶体的晶格结构制成的光学薄膜，具有优异的光学性能，应用范围广泛。
光学薄膜-范正修PPT课件
范正修是一位著名的光学专家，他对光学薄膜做出了重要研究。
光学薄膜的定义
1 光学薄膜是什么？
光学薄膜是将多种材料按照一定顺序堆积在一起制成的具有特殊光学性质的膜。
2 作用和应用领域
光学薄膜具有良好的光学性能，使它被广泛应用于光学仪器、光学通讯、光学涂层等领 域。
光学薄膜的原理
光学薄膜的制备技术
光学薄膜的制备技术包括物理气相沉积、化学气相 沉积、溅射等多种方式。
光学薄膜的工艺流程
光学薄膜的制备工艺包括：基片处理、底层膜沉积、 中间层沉积、顶层膜沉积、后处理等流程。
光学薄膜的特性和性能
折射率
光在介质内传播时的速度与真空中的速度之比， 称为介质的折射率。
透过率
正入射光经过薄膜后，透过薄膜所形成的光线 的强度与未经过薄膜的光线的强度之比，称为 透过率。
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）
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）
《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。
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
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光学薄膜的基本原理
1
参考文献
1、H.A.Macleod, Thin Film Optical Filters (2nd,3rd ed.),Adam Hilger,Bristol,1986,2002
2. 唐晋发、郑权, 应用薄膜光学, 上海科技出版社，1984 3. 唐晋发、顾培夫, 薄膜光学与技术,机械工业出版社, 1989 4. 林永昌、卢维强，光学薄膜原理，国防工业出版社，1990 5. 李正中，薄膜光学与镀膜技术，台湾艺轩图书出版社，2001 6. 顾培夫, 薄膜技术，浙江大学出版社, 1990 7. 杨邦朝等，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社 8. H.K.Pulker, Coatings on Glass, Rlsevier 1984
14
电磁波谱
15
薄膜的干涉
两束光产生干涉的条件： ➢频率相同 ➢振动方向一致 ➢位相相同或位相差恒定
16
薄膜的双光束干涉
17
18
19
单层膜的多光束干涉
多光束干涉强度 的计算原则上和双光 束完全相同，也是先 把振动迭加，再计算 强度，差别仅在于参 与干涉的光束由两束 增加到多束，至于计 算方法则以采用复振 幅最为方便。
11
第一章
光学薄膜设计的理论基础
12
第一节 电磁波及其传播
远红外线 中红外线 近红外线 可见光区 近紫外 远紫外
x射线
γ射线
9～600mm 1.0nm～8mm 0.7～1.0mm 0.4～0.7mm 0.2～0.4mm 0.03～0.2mm 0.1nm～0.03mm
1.0pm～0.1nm
0.15～0.01ev 1.2～0.15ev 1.8～1.2ev 3.1～1.8ev 6.2～3.1ev 41.4～6.2ev 12000～42ev
20
Maxwell’s equations
D E B mH j E
H j D t
E m H
t
•D
•B 0
波动方程
2E
m
2E 2t
2H
m
2H 2t
折射率：refractive index
N c/v
m
0 m0
r mr
21
1.波动方程：
0
x
p
在原点0: E=E0 cosωt 在p点: 真空中 E=E0 cos(ωt -2πx/λ)
2
光学薄膜的基本原理
第一章：光学薄膜设计的理论基础
第一节: 电磁波及其传播 第二节: 单界面的反射和折射 第三节: 单层薄膜的传输矩阵 第四节: 多层薄膜的分析方法
第二章：典型薄膜系统的设计
第一节: 增透膜(减反射膜) 第二节: 分光膜 第三节: 高反射膜 第四节: 干涉截止滤光片 第五节: 带通滤光片
Detector
7
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
--- 现在国内不仅有许多研究院所，而且有许多薄膜公 司,技术力量不断增强、设备条件不断改善。
4
光学薄膜的基础知识
1.电磁场理论 2.光的干涉
5
6
Applications of thin films (1)--in WDM
dB
λ
λ1
EDF
Mux
λ2
:
λn
0.98 or 1.48
GFF
Demux λ1 .. λn
3
光学薄膜的发展历史
--- 17世纪“牛顿环”
--- 1817年Fraunhofer第一个化学AR膜
--- 1930年扩散泵
--- 1939年Geffeken第一个金属-介质干涉滤光片
--- 1960年激光器诞生
--- 1970年薄膜微结构的揭示
--- 近年光通讯波分复用技术
--- 国内长春光机所和浙江大学几乎同时于1957年开 始光学薄膜研究
介质中 E=E0 cos(ωt -2πNx/λ) Nx---光程差
用欧拉公式，另一种表示方法：
E=E0 e i(ωt -2πNx/λ) =E0 e-i2πNx/λe iωt
(1)
2.复折射率 N: ---磁场幅值与电场幅值之比
H=N (k×E) 或 N H c n ik (2) kE v
若自由空间导纳取1，则光学导纳 Y=N
9
薄膜在投影显示中的应用
冷反光镜: 灯泡、液晶板、薄膜偏振片、位相片隔热 等 偏振片: PCS、预偏和偏振器,特别是宽角宽波段PBS 截止滤光片: 白光分成R,G,B或合成彩色图像；修饰颜色；色轮 等 AR Coatings: 各种透光元件,在TIR棱镜中的宽角AR膜 反射镜: 各种反射元件,在光管中的大角度反射镜 消偏振膜: 在Philips棱镜中的消偏振分色合色截止滤光片 位相膜: 补偿液晶板不同波长的相位差，提高对比度
1.2E6～12000ev
由炽热物体、气体 放电或其它光源激 发分子或原子等微 观客体所产生的电
磁辐射
用高速电子流轰击原子中的内层 电子而产生的电磁辐射 放射性原子衰变发出的电磁辐射 或高能粒子碰撞产生的电磁辐射
13
光学薄膜基础理论
几个条件： ✓工作波段：光学 ✓薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级 ✓薄膜的面积与波长相比可认为无限大 ✓薄膜材料各向均匀、同性 ✓薄膜材料为非铁磁性材料 ✓光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播
10
光学薄膜的发展趋势
1. 光学薄膜的理论巳趋成熟，重点是设备和制备 技术及检测技术的提高 2. 新的应用开拓---象激光、光通讯等之类的重 要应用 3. 各种功能的光电子薄膜及器件，如光源、调制、 放大、接收、显示、传感器等 4. 从目前的一维薄膜向多维发展---光子晶体 5. 薄膜的微小化，集成化，功能化--MEMS,MOEMS
GFF:
EDFA增益平滑
截止滤光片: 分离1310nm与1550nm,C-band和L-band,泵浦光
和信号光等
AR Coatings: 各种透光元件
反射镜: 各种反射元件
中性分束膜: 泵浦光引入，信号监控等
偏振、消偏振膜: 分束，隔离
等等
8
Applications of thin films (2)--in TFTLCD Projector
1
参考文献
1、H.A.Macleod, Thin Film Optical Filters (2nd,3rd ed.),Adam Hilger,Bristol,1986,2002
2. 唐晋发、郑权, 应用薄膜光学, 上海科技出版社，1984 3. 唐晋发、顾培夫, 薄膜光学与技术,机械工业出版社, 1989 4. 林永昌、卢维强，光学薄膜原理，国防工业出版社，1990 5. 李正中，薄膜光学与镀膜技术，台湾艺轩图书出版社，2001 6. 顾培夫, 薄膜技术，浙江大学出版社, 1990 7. 杨邦朝等，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社 8. H.K.Pulker, Coatings on Glass, Rlsevier 1984
14
电磁波谱
15
薄膜的干涉
两束光产生干涉的条件： ➢频率相同 ➢振动方向一致 ➢位相相同或位相差恒定
16
薄膜的双光束干涉
17
18
19
单层膜的多光束干涉
多光束干涉强度 的计算原则上和双光 束完全相同，也是先 把振动迭加，再计算 强度，差别仅在于参 与干涉的光束由两束 增加到多束，至于计 算方法则以采用复振 幅最为方便。
11
第一章
光学薄膜设计的理论基础
12
第一节 电磁波及其传播
远红外线 中红外线 近红外线 可见光区 近紫外 远紫外
x射线
γ射线
9～600mm 1.0nm～8mm 0.7～1.0mm 0.4～0.7mm 0.2～0.4mm 0.03～0.2mm 0.1nm～0.03mm
1.0pm～0.1nm
0.15～0.01ev 1.2～0.15ev 1.8～1.2ev 3.1～1.8ev 6.2～3.1ev 41.4～6.2ev 12000～42ev
20
Maxwell’s equations
D E B mH j E
H j D t
E m H
t
•D
•B 0
波动方程
2E
m
2E 2t
2H
m
2H 2t
折射率：refractive index
N c/v
m
0 m0
r mr
21
1.波动方程：
0
x
p
在原点0: E=E0 cosωt 在p点: 真空中 E=E0 cos(ωt -2πx/λ)
2
光学薄膜的基本原理
第一章：光学薄膜设计的理论基础
第一节: 电磁波及其传播 第二节: 单界面的反射和折射 第三节: 单层薄膜的传输矩阵 第四节: 多层薄膜的分析方法
第二章：典型薄膜系统的设计
第一节: 增透膜(减反射膜) 第二节: 分光膜 第三节: 高反射膜 第四节: 干涉截止滤光片 第五节: 带通滤光片
Detector
7
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
--- 现在国内不仅有许多研究院所，而且有许多薄膜公 司,技术力量不断增强、设备条件不断改善。
4
光学薄膜的基础知识
1.电磁场理论 2.光的干涉
5
6
Applications of thin films (1)--in WDM
dB
λ
λ1
EDF
Mux
λ2
:
λn
0.98 or 1.48
GFF
Demux λ1 .. λn
3
光学薄膜的发展历史
--- 17世纪“牛顿环”
--- 1817年Fraunhofer第一个化学AR膜
--- 1930年扩散泵
--- 1939年Geffeken第一个金属-介质干涉滤光片
--- 1960年激光器诞生
--- 1970年薄膜微结构的揭示
--- 近年光通讯波分复用技术
--- 国内长春光机所和浙江大学几乎同时于1957年开 始光学薄膜研究
介质中 E=E0 cos(ωt -2πNx/λ) Nx---光程差
用欧拉公式，另一种表示方法：
E=E0 e i(ωt -2πNx/λ) =E0 e-i2πNx/λe iωt
(1)
2.复折射率 N: ---磁场幅值与电场幅值之比
H=N (k×E) 或 N H c n ik (2) kE v
若自由空间导纳取1，则光学导纳 Y=N
9
薄膜在投影显示中的应用
冷反光镜: 灯泡、液晶板、薄膜偏振片、位相片隔热 等 偏振片: PCS、预偏和偏振器,特别是宽角宽波段PBS 截止滤光片: 白光分成R,G,B或合成彩色图像；修饰颜色；色轮 等 AR Coatings: 各种透光元件,在TIR棱镜中的宽角AR膜 反射镜: 各种反射元件,在光管中的大角度反射镜 消偏振膜: 在Philips棱镜中的消偏振分色合色截止滤光片 位相膜: 补偿液晶板不同波长的相位差，提高对比度
1.2E6～12000ev
由炽热物体、气体 放电或其它光源激 发分子或原子等微 观客体所产生的电
磁辐射
用高速电子流轰击原子中的内层 电子而产生的电磁辐射 放射性原子衰变发出的电磁辐射 或高能粒子碰撞产生的电磁辐射
13
光学薄膜基础理论
几个条件： ✓工作波段：光学 ✓薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级 ✓薄膜的面积与波长相比可认为无限大 ✓薄膜材料各向均匀、同性 ✓薄膜材料为非铁磁性材料 ✓光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播
10
光学薄膜的发展趋势
1. 光学薄膜的理论巳趋成熟，重点是设备和制备 技术及检测技术的提高 2. 新的应用开拓---象激光、光通讯等之类的重 要应用 3. 各种功能的光电子薄膜及器件，如光源、调制、 放大、接收、显示、传感器等 4. 从目前的一维薄膜向多维发展---光子晶体 5. 薄膜的微小化，集成化，功能化--MEMS,MOEMS
GFF:
EDFA增益平滑
截止滤光片: 分离1310nm与1550nm,C-band和L-band,泵浦光
和信号光等
AR Coatings: 各种透光元件
反射镜: 各种反射元件
中性分束膜: 泵浦光引入，信号监控等
偏振、消偏振膜: 分束，隔离
等等
8
Applications of thin films (2)--in TFTLCD Projector