光学薄膜--范正修.

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1886 Rayleigh 证实了Fresnel反射定律 1899 Fabry-Perot 干涉仪 1932 Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部 反射 1934 Bauer用卤化物制备了减反薄膜 1934 Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜
光学薄膜及其应用
范正修
2006年10月26日
1
主要内容
薄膜概况
光学薄膜一般性质
光学薄膜在一些光学系统中的应用
光学薄膜的激光损伤
2
主要内容
光学薄膜概况
光学薄膜一般性质
光学薄膜在一些光学系统中的应用
激光对光学薄膜的破坏
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薄膜概况
研究领域
薄膜物理 薄膜化学 薄膜材料 薄膜力学
2(n0 ik0 ) t i (n0 n1 ) i(k0 k1 )
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势透过率与薄膜吸收损耗
势透过率
反射率 透射率 吸收率
T T 1 R TA
B C 0B C R 0 B C B C 0 0
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理想光学薄膜
光学薄膜
改变光束切向方向－薄膜波导 改变光束法向方向－光学薄膜
355nm
1064nm
薄膜波导
增透薄膜
高反射薄膜
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理想光学薄膜
薄膜光性计算方法
等效界面法 矩阵法
等效界面法
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矩阵法
界面的透射及反射系数： n0 n1 2n0 r0 t n0 n1 0 n0 n1
表面散射处理方法
标量理论－散射总损耗问题 矢量理论－研究散射的角分布
4 s ~ R0
2
dp Fg(k k 0 ) p0 d
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光学薄膜的表面散射
散射引起界面反射及透射系数变化
m T g g rg r e 1 4 L m1 m! m
1939 Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片
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光学薄膜概况
薄膜特点
干涉原理，相干相长与相干相消
重要性
“有光就有膜” 涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统， 光学系统，大型激光装臵等
面临问题
涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特 性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉 积技术少，沉积过程控制水平不高等；
薄膜内部电场方向符号表示
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矩阵法
依次类推：
E E
0 0
i i e 1 ii = m i 0 re i t i m i 0
i i a b re E Em1 i m 1 i i c d e 0 0
n
ˆ n ik n
折射角由实数变为复数： cosˆ j COR j iCOI j
等效导纳由实数变为复数；
反射系数和透射系数 …..
膜层厚度引起的位相差…..
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光学薄膜吸收
反射系数
透射系数

r (n0 n1 ) i(k0 k1 ) i (n0 n1 ) i(k0 k1 )
可以得到： 设： 则
Em 1 1 t a E0
c c1 ic2
,
a a1 ia2
a1c1 a2 c2 ia1c2 a2 c1 r
2 a12 a2
a1c2 a2 c1 tg r
a1c1 a2 c2
1 T 2 2 a1 a 2
*
T
0 Re( m 1 ) ( 0 B C )( 0 B C )*
0 Re( BC * m ) A ( 0 B C )( 0 B C )*
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光学薄膜的散射
光学薄膜的表面散射
光学薄膜的体散射
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光学薄膜的表面散射
表面统计参量
均方根粗糙度（RMS） 相关长度 高度分布函数 自协方差函数（ACF）
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a1c1 a2c2 2 a1c2 a2c1 2 2 R r 2 2 2 a1 a2
光学薄膜吸收
材料吸收
共振吸收 单光子吸收 自由电子吸收 杂质吸收 色心吸收 声子吸收 多光子吸收
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光学薄膜吸收
折射率由实数变为复数：
第一个界面处的电场关系：
1 1 r0 E1 E 0 ＝ t 0 r0 1 E1 E0
薄膜内部的电场关系：
E1ei1 E1ei1 E2 E2
nE e
i1 1 1
n1E1ei1 n2 E2 n2 E2
m g T g1 1 t g t e 1 4 L m1 m! m
应用领域
光学薄膜 电学薄膜 半导体薄膜 磁性薄膜 生物薄膜
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薄膜光学形成发展历史
17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Robert Boyle and Robert Hooke） 1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 1816 Fresnel 发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理 论及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论 1817 Fraunhofer制成了第一块减反薄膜 1873 Maxwell提出了Maxwell方程（A Treatise on Electricity and Magnetism）
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主要内容
薄膜概况
光学薄膜一般性质
光学薄膜在一些光学系统中的应用
激光对光学薄膜的破坏
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光学薄膜一般性质
理想光学薄膜
光学薄膜吸收及散射 折射率不均匀性和折射率渐变薄膜 薄膜的各向异性和双折射薄膜 薄膜的偏振和消偏振特性
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薄膜的相位及位相薄膜
等效折射率、等效导纳和等效界面 薄膜的色散及色散补偿 薄膜的应力及应力控制