光学薄膜系统设计ppt课件
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《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
《光学薄膜膜系设计》课件
，常用的测量方法有光谱椭偏仪法和光谱反射法等。
03
光学薄膜设计方法
膜系设计的基本原则
光学性能原则
薄膜的光学性能应满足设计要求，如 反射、透射、偏振等特性。
物理化学稳定性原则
薄膜应具有优良的物理和化学稳定性 ，能够经受环境因素的影响，如温度 、湿度、紫外线等。
机械强度原则
薄膜应具有足够的机械强度，能够承 受加工和使用过程中的应力。
干涉色散
由于薄膜干涉作用，不同波长的光 波会产生不同的相位差，导致不同 的干涉效果，从而产生色散现象。
薄膜的光学常数
光学常数定义
01
描述介质对光波的折射率、消光系数等光学性质的一组参数。
薄膜的光学常数
02
对于光学薄膜，其光学常数包括折射率、消光系数、热光系数
等。
光学常数测量
03
通过测量光波在薄膜中的传播特性，可以获得薄膜的光学常数
反射膜的应用案例
总结词
反射膜主要用于将特定波段的光反射回原介质，常用于聚光镜、太阳能集热器等领域。
详细描述
反射膜具有高反射率和宽光谱特性，被广泛应用于太阳能利用和照明工程中。通过将反 射膜镀在金属镜面上，可以大大提高光的反射效率，从而实现高效聚光和散热。此外，
反射膜还用于制作装饰性和广告用反射镜面。
干涉现象
当两束或多束相干光波相遇时，会因相位差而产生明暗相间的干 涉条纹。
干涉条件
为了产生稳定的干涉现象，需要满足相干波源、相同频率、相同 方向和相同振动情况等条件。
薄膜的干涉效应
薄膜干涉原理
当光波入射到薄膜表面时，会因 反射和折射而产生干涉现象。
薄膜干涉类型
根据光波在薄膜中传播路径的不同 ，可分为前表面反射干涉和后表面 反射干涉。
《光学薄膜的形成》PPT课件
薄膜的形成是由成核开始的。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
★ 薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程是指形 成稳定核之后的过程。
薄膜生长模式是指薄 膜形成的宏观形式。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程描述:
表面扩散势垒 表面扩散能
吸附能
ED
1 6
~
1 2
Ed
薄膜的形成——凝结过程
平均表面扩散时间 D
吸附原子在吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散
时间，用 D 表示。
D
o
exp
ED kT
式中， o 是表面原子沿表面水平方向振动周期，o o
平均表面扩散距离 x （设ao 为相邻吸附位置间距）
x 4Da
D ao2 / 4 D
x
4D a ao
a D
ao exp Ed
ED
2kT
薄膜的形成——凝结过程
薄膜制备时，要 达到完全凝结的 工艺设计原则：
• 提高淀积速率
• 降低基片温度
• 选用吸附能大 的基片
1. 单体吸附；
2.形成小原子团（胚芽）；
3.形成临界核（开始成核）； 4.临界核捕获原子，开始长大； 5.临界核长大的同时，在非捕获区，单体逐渐形成临界核； 6.稳定核长大，彼此连接形成小岛，新面积形成；
7.新面积吸附单体，发生“二次”成核； 8.小岛结合形成大岛，大岛长大并相互结合，有产生 新面积，并发生“二次”、“三次”成核；
宏观表面能计算、表面能概念、结构
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
★ 薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程是指形 成稳定核之后的过程。
薄膜生长模式是指薄 膜形成的宏观形式。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程描述:
表面扩散势垒 表面扩散能
吸附能
ED
1 6
~
1 2
Ed
薄膜的形成——凝结过程
平均表面扩散时间 D
吸附原子在吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散
时间，用 D 表示。
D
o
exp
ED kT
式中， o 是表面原子沿表面水平方向振动周期，o o
平均表面扩散距离 x （设ao 为相邻吸附位置间距）
x 4Da
D ao2 / 4 D
x
4D a ao
a D
ao exp Ed
ED
2kT
薄膜的形成——凝结过程
薄膜制备时，要 达到完全凝结的 工艺设计原则：
• 提高淀积速率
• 降低基片温度
• 选用吸附能大 的基片
1. 单体吸附；
2.形成小原子团（胚芽）；
3.形成临界核（开始成核）； 4.临界核捕获原子，开始长大； 5.临界核长大的同时，在非捕获区，单体逐渐形成临界核； 6.稳定核长大，彼此连接形成小岛，新面积形成；
7.新面积吸附单体，发生“二次”成核； 8.小岛结合形成大岛，大岛长大并相互结合，有产生 新面积，并发生“二次”、“三次”成核；
宏观表面能计算、表面能概念、结构
第五章光学薄膜系统的设计二ppt课件
满足条件 12（m11 m22 ) 1 的波长，位于反射带内
满足条件 12（m11 m22 ) 1 的波长，位于反射带外
所以反射带由 12（m11 m22 ) 1 决定，其对应的波长称为截止波长
12（m11
m22 ) cos2
1 2
nH nL
nL nH
sin2
假设截止波长对应的位相厚度为e， 则根据 12（m11 m22 ) 1
铝膜
1. 紫外到红外都有很高反射率的唯一材料
2. 铝膜表面在空气中能生成一层薄的Al2O3 层，膜层牢 固、稳定
3. 铝膜也常用Al2O3作保护层，但是如果铝膜用来作紫外 反射镜，则不用Al2O3和SiO作保护层, 而用MgF2或LiF
➢ 高反射率铝膜在制备工艺上，首先应该选用高纯度的铝， 以很高的沉积速率沉积到冷基片（温度低于100ºC）上， 同时真空度应高于10-4Pa。 ➢另一方面，保护膜的制备工艺也影响反射镜的反射率
中心波长平均值处 a b 2
若使 (a b 2 ) / 2 q q 0,1,2,
条件不满足，则可以消去透射峰，在两多层膜间加一层1/4平均波 长的低折射率层，便可简单得到这个结果
3. 用中心波长不同的两个对称周期膜堆跌加成单一膜 系，同样能扩展高反射区，而不会在两个中心波长 的平均值处产生透射次峰
反射率和相对波数的关系
100
80
R/%
60
40
20
0 500
1000
1500
2000
wavelength/nm
因而要制备窄带高反膜，除选择折射率比小的两种材料外，还可以 选用较高级次的反射带，以30, 50等作为控制波长
以上没有考虑薄膜材料的色散，实际中各种材料的色散是不一样 的，尽管几何厚度相同，但是对不同波长，光学厚度略有不同， 因此实际中要作适当修正。
满足条件 12（m11 m22 ) 1 的波长，位于反射带外
所以反射带由 12（m11 m22 ) 1 决定，其对应的波长称为截止波长
12（m11
m22 ) cos2
1 2
nH nL
nL nH
sin2
假设截止波长对应的位相厚度为e， 则根据 12（m11 m22 ) 1
铝膜
1. 紫外到红外都有很高反射率的唯一材料
2. 铝膜表面在空气中能生成一层薄的Al2O3 层，膜层牢 固、稳定
3. 铝膜也常用Al2O3作保护层，但是如果铝膜用来作紫外 反射镜，则不用Al2O3和SiO作保护层, 而用MgF2或LiF
➢ 高反射率铝膜在制备工艺上，首先应该选用高纯度的铝， 以很高的沉积速率沉积到冷基片（温度低于100ºC）上， 同时真空度应高于10-4Pa。 ➢另一方面，保护膜的制备工艺也影响反射镜的反射率
中心波长平均值处 a b 2
若使 (a b 2 ) / 2 q q 0,1,2,
条件不满足，则可以消去透射峰，在两多层膜间加一层1/4平均波 长的低折射率层，便可简单得到这个结果
3. 用中心波长不同的两个对称周期膜堆跌加成单一膜 系，同样能扩展高反射区，而不会在两个中心波长 的平均值处产生透射次峰
反射率和相对波数的关系
100
80
R/%
60
40
20
0 500
1000
1500
2000
wavelength/nm
因而要制备窄带高反膜，除选择折射率比小的两种材料外，还可以 选用较高级次的反射带，以30, 50等作为控制波长
以上没有考虑薄膜材料的色散，实际中各种材料的色散是不一样 的，尽管几何厚度相同，但是对不同波长，光学厚度略有不同， 因此实际中要作适当修正。
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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。
例如，结构为
插入半波长层后成为：
反射率曲线变化为：
光谱反射曲线
光谱反射曲线
将W型膜 0 4 0 2 中间半波长层分成折射率稍稍不同的两
个四分之一波长层，可以降低W型膜低反射区中央的反射率 凸峰，又保持半波长层的光滑光谱特性作用。
三层增透膜改进 前后的光谱反射率曲线
曲线a 曲线b 曲线c
减反射膜
2. W型膜( 0 4 0 2) ：在中心波长的两侧可望 有两个反
射率极小值，光谱反射率曲线呈W型。
图2.4 双层W型膜的反射率曲线
三. 多层增透膜（宽带增透膜）： 又四分之一波长层或半 波长层构成，可以看作是V型膜和W型膜的改进形式。
V型膜的改进：在
型膜中间插入半波长光滑层可以
得到典型的三层减反射膜结构
1、确定极值范围：Ａ～Ｂ； 2、随机投点，只得留下Ｆ（ x ）最小的１０个点及对应的结构； 3、找出最佳１０点的对应的区间A’ B’; 4、继续投点试验直到最佳10点评价函数统计结果，均方根达到某一精度，终止 试验，此时评价最小，F*（ x ）对应的膜系结构即为最优结构。 5、此种方法有一定局限性：①最佳结果遗漏
②膜系特别复杂或投点数太多时，优化效应不高。
§3.1 增 透 膜
单层增透膜
单层增透膜是减少界面反射的最 简单途径，如右图用矢量法分析：
r1
n0 n0
n1 n1
, r2
n1 n1
n2 n2
从矢量图上可以看到，合振幅矢量r随着r1和2之间的 夹角2δ而变化合矢量端点的轨迹为一园周。 当膜层 的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的 方向完全相反。
评价函数
权重 膜系的光谱特性 理想光谱特性
求导法 （瞎子下山法）
数学方法：
直接算法 （试验法）
光学薄膜优化设计的特殊性： F（x） 多维 F（x）=F(λ,θ,n0,ng,Ni,di…….) F（x）是一个多峰函数，容易使F（x）陷入局部极值
全搜描法（工作量太大） 试验法
统计试验法
例：单层膜
F*(x)
一、试探法：
初始结构 计算机数值计算
修改设计参数
计算机数值计算
二、光学自动设计方法
半自动设计 全自动设计（无需初始结构）
初始结构的光谱特性 通过某种数学方法 改进结构的光谱特性 修改膜层结构
—) 理想的光谱特性 评价函数
变小
—) 理想的光谱特性 评价函数
评价函数：
F (x) W R() R* ()
λ/2虚设，在λ0反射率等于λ0/4单层;可有二个零反射波 长，W型膜
, 零反射条件：y0 y32 y12 ysub 宽带低反射，
用于ysub <1.65
零反射条件：y3 y1 ysub y0
用于ysub >1.65
,宽带低反射，
4、超宽带减反射膜的设计
只用高低两种材料 更多的膜层数：5、7、9、11……….
单层增透膜的缺点：
1. 对大多数应用来说，剩余反射率还太高。 2. 从未镀膜表面反射的光线，在色彩上仍保持中性，
而从镀膜表面反射的光线破坏了色的平衡。
➢采用变折射率的所谓非均匀膜，它的折射率随着厚度的增 加呈连续的变化； ➢采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜；
麦克劳得导纳图解技术简介
双层增透膜的导纳轨迹
减反射膜应用于光学系统时的考虑
（1）玻璃表面镀膜后会出现光谱选择性，所以镀膜的玻璃 表面会显现鲜艳的颜色，众多的玻璃表面串在一起应用，统 一的颜色取向会使系统的色彩还原出现问题，所以应该对复 杂系统的减反射膜进行色彩平衡设计。
（2）光线在系统中对减反射膜面的入射角相差很大，多层 膜在较大入射角情况下，会使减反射性能劣化。
第三章 光学薄膜系统设计
----根据技术指标要求找出合 适的光学薄膜结构
1、试探法 2、矢量作图法 3、解析合成法 4、级数展开法 5、电器滤波设计法 6、导纳圆图法 7、计算机自动设计法
光学薄膜设计 没有系统的方法
具有非常丰富的膜系设计结果
光学薄膜设计结果受制备工艺的制约
（材料种类、物理特性、化学特性、工艺特性）
Hale Waihona Puke HLH:ZrO2(2.07) L:SiO2(1.46)
H1L
H:Y2O3(1.79) L:SiO2(1.46)
麦克劳得导纳图解技术简介
非规整双层层增透膜
膜系： Air 2L/.38H/ Sub H:ZrO2(2.07) L:SiO2(1.46)
二. 双层增透膜
1. V型膜( 0 4 0 4 ) ：在中心波长的反射率为零
矢量法用来分析单层薄膜情况：
可见当厚度为某一波长1/4，并且r1=r2时剩余反射为零：
r1
r2即
n0 n0
n1 n1
n1 n2 n1 n2
则n1
n0n2
运用矩阵法分析1/4波长厚度时的情况：
C
B
c os1
i1 sin 1
i
sin 1 c os
1
1
1
2
其 中 ：1
2n1d1
（3）有些高折射率玻璃在短波有吸收，所以高效增透部分应 放于短波，如果整个系统彩色平衡达不到要求，还应在减反 射膜设计中有意消减某些波段的光谱。
层数 厚度 导纳
特
性
单层 λ0/4 y1
双层 λ0/4λ0 y1
/4
y2
λ0/4 y1 λ0/2 y2
三层 λ0/4 y1 λ0/2 y2 λ0/4 y3
λ0/4 y1 λ0/4 y2 λ0/4 y3
零反射条件： y1 y0 ysub
零反射条件: ( y1 / y2 )2 y0 / ysub
,V型膜
2
Y
C B
n12 n2
R
n0 n0
Y Y
2
n0
n0
n12 n2 n12 n2
2
欲使中心波长处反射率等于零，
理想的单层增透膜条件是，膜层的光学厚度为四分之一波 长，其折射率为入射介质和基片折射率乘积的平方根。
当选定基片ng时， 单层增透膜Rmin随n1降低而降低。
当选定膜层的折射率时， 单层增透膜Rmin随ng提高而降低。
在限定两层膜的光学厚度都是四分 之一的波长下，欲使中心波长的反 射率减至零，折射率应满足：
或：
图2 双层V型膜的反射率曲线
用矢量法求出双层增透膜的各层厚度
只有当矢量r1、r2和r3组成封闭三角形才能使合矢量为零。因此只 须以矢量r1的始点和终点为圆心，分别以r3和r2为半径作两个园， 两个园的交点就是满足合矢量为零条件的矢量r2和r3头尾相接的 点，然后从矢量图上即可量得2δ1、2δ2的值。显然，图示的两种 方式，都能使三角形封闭。解(b)的膜层总厚度比解(a)的小，它对 波长的敏感性也较小，所以通常取此解。