薄膜光学理论与膜系设计
薄膜光学课程设计
光学薄膜课程设计学生姓名学号指导老师年月增透膜1. 参数要求:在1300-1600nm波段中，设计一个垂直入射时透射率为99.9%的膜系。
2. 材料：ZrO2（H）、Al2O3（M）、MgF2（L）3. 基础膜系：G| M 2H L |A优化膜系：G| 0.100H 0.742M 2.198H 1.061L |A4. 曲线图：设计波长为1450nm，采用针式优化。
5. 膜厚控制方法：采用光控的方法对膜厚进行控制。
高反膜1.参数要求：在1300-1600nm波段中，设计一个垂直入射时反射率为99.9%的膜系。
2.材料：TiO2（H）、SiO2（L）3.基础膜系：G| (HL)^12 H |A优化膜系：G| (HL)^12 0.792H |A4.曲线图：设计波长为1450nm。
5.膜厚控制方法：采用光控的方法对膜厚进行控制。
分光膜1.参数要求：在1300-1600nm波段中，设计一个45度角入射时透射率为50%的膜系。
2.材料：TiO2（H）、SiO2（L）3.基础膜系：G| (HL)^4 |A优化膜系：G| 0.382H 0.512L 0.873H 0.942L 0.972H 1.382L 0.721H 0.980L |A 4.曲线图：设计波长为1450nm，入射角为45度。
5. 膜厚控制方法：采用光控的方法对膜厚进行控制。
短波通干涉截止滤光片1.参数要求：光线垂直入射时，在1300-1450nm波段通过，透射率为99%；在1450-1600nm波段截止。
2. 材料：TiO2（H）、SiO2（L）3.基础膜系：G| 0.87LHL (0.5L H 0.5L)^18 0.7LHL |A优化膜系：G| 1.110L 1.292H 1.132L 0.900H 1.116L 1.020H 1.055L (HL)^14 1.000H1.170L 0.911H 1.192L 0.987H 0.619L |A4.曲线图：设计波长为1653nm。
光学薄膜的工作原理及光学性能分析
光学薄膜的工作原理及光学性能分析一、引言光学薄膜是一种非常重要的光学材料，具有广泛的应用领域，如光学器件、光伏电池、激光技术等。
本文将重点介绍光学薄膜的工作原理以及对其光学性能的分析。
二、光学薄膜的工作原理光学薄膜是由一层或多层透明材料组成的膜层结构，在光学上表现出特定的光学性质。
其工作原理主要涉及薄膜的干涉效应和反射、透射等光学过程。
1. 干涉效应光学薄膜的干涉效应是指光波在不同介质之间反射、透射时，发生相位差导致光波叠加出现干涉现象。
光学薄膜利用干涉效应控制特定波长的光的传播，实现光的反射增强或衰减。
2. 反射和透射光学薄膜的反射和透射性能取决于入射光波的波长和薄膜的光学参数。
当入射光波与薄膜的折射率不同，一部分光波将发生反射，其反射强度与入射波和薄膜参数有关。
另一部分光波将透过薄膜，其透射强度也与入射波和薄膜参数有关。
三、光学薄膜的光学性能分析光学薄膜的光学性能分析是指对其反射、透射、吸收等光学特性进行定量研究。
1. 反射率与透射率的测量反射率和透射率是评价光学薄膜性能的重要指标。
可以通过光谱测量，通过测量入射光、反射光和透射光的强度，计算得到反射率和透射率。
2. 全波段光学性能分析除了对特定波长的光学性能分析外，还需要对光学薄膜在全波段范围内的性能进行研究。
这可以通过利用光学薄膜在不同波长下的反射和透射特性，进行光学模拟和仿真计算得到。
3. 色散性能研究光学薄膜的色散性能是指其折射率随波长的变化关系。
色散性能对光学器件的性能和应用有重要影响。
可以通过光谱色散测量系统测量得到光学薄膜的色散曲线。
4. 热稳定性分析光学薄膜在高温环境下的性能稳定性也是重要的考量指标。
可以通过热循环测试和热稳定性测量仪等设备，对光学薄膜的热稳定性进行评估和分析。
四、光学薄膜的应用光学薄膜由于其独特的光学性质和广泛的应用领域，得到了广泛的应用。
1. 光学器件光学薄膜在光学器件中广泛应用，如反射镜、透镜、滤光片等。
薄膜光学技术-2-1第2章 光学薄膜膜系设计及其应用
很难实现零反
射。
b. V形减反射效
果，只能在某
个孤立波长点
实现最小反射，
0 50n0m,设计波长，中心 参波 考长 波， 长 色中性差；
8
2.1.2 双层减反射膜
目的: 克服单层膜存在的两个问题.
1. 双层 0 4 膜堆
分析:
由单层0
4 增透膜的反射率计算公式
R n 0 Y 2n 0 Y 2
20
C 替代层技术 等效定律
任意一个周期性对称膜系都存在一个 单层膜与之等效。
等效折射率就是基本周期的等效折射 率；等效相位厚度等于基本周期的等 效相位厚度的周期数倍。
T 0 1 1 R 1R 1 2R 2,
4 R F 1 R 2,R R 1 R 2
n2=2.05
n3=1.71 ns=1.52
R1 R2
1 2 2 2 n 2 d 2 1 2 2 2 4 0 1 2 2 2 0
R1min
2.051.382 2.051.382
G/2HL/A
缺点： 明显的反 射峰（中 心波长）
13
2.1.3 多层减反射薄膜的设计
目的：实现更宽波段更低的剩余反射率。
多层膜的基础是三
层增透膜堆
。
更多层GM 的2增H透L膜A堆大多
是以此三层增透膜堆为
雏形改良发展而成。
GM2HLA
母膜系
14
n0=1
n1=1.38
T T 01 F si2 n
层膜都低。
18
2. GM2HLA的调优方法
——各层膜参数对膜系总体性能的影响规律: a. 改变(N2 d2)，可使T移到不同的波长； b. 改变N1 、 N3 、 d1 、 d3 、中任何一个，可 改变减反射带宽（波段宽度）和T-λ曲线波形。
4-1光学薄膜系统设计
Au P P 接近于Ag
P P B
一般要求
紫外区 反射率 可见区 红外区
硬度 附着力 稳定性 制备工艺
银膜用作玻璃的前表面镀层:
当银膜作为玻璃后表面的内反射镀层时，通常是在银膜 的外面镀一层铜，再镀一层铬，然后刷上保护漆，以防 止反射镜的“银变”。
增强金属反射镜
金属的复折射率可写为 n ik ，光在空气中垂直入射时，其 反射率为 2 1 (n ik ) (1 n 2 ) k 2 R 1 (n ik ) (1 n 2 ) k 2
y0 y sub
,V型膜
双层 λ0/4λ0 y1 /4 y2 λ 0/4 λ 0/2 三层 λ 0/4 λ 0/2 λ 0/4 λ 0/4 λ 0/2 λ 0/2 y1 y2 y1 y2 y3 y1 y2 y3
( y1 / y2 ) 2 y0 / ysub
λ /2虚设，在λ 0反射率等于λ 0/4单层;可有二个零反射波 长，W型膜 零反射条件：y0 y3 用于ysub <1.65
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 变小 评价函数
—) 理想的光谱特性 评价函数
评价函数：
F ( x)
评价函数
n越小越好，k越大越好
倾斜入射:
N n ik r
0 0
p
here, 0
n0 s , 0 n0 cos 0 cos 0
p
N , s N cos 1 cos 1
《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。
第三章 薄膜光学基础理论1
S
D ds d
S
B ds 0
B ds L E dl t S D j ds L H dl t S
波动方程的解
麦克斯韦方程的微分形式：
(1) (2) (3) (4)
对4式两端对时间求导数，则
N 2 H =i E (13) 2 c
(15)
H z H y ( H ) x = y z 2 N 2 N = i s0 y H z i s0 z H y
2 N = i (S0 H ) x
2 N (S0 H ) y
N 2 将(13)式 H =i E 代入(16)式， 2 c
i t 2 nx
说明在导电介质（ 0，因而k 0）是一个衰减波， 消光系数k 是介质吸收电磁波能量的度量。 时，振幅衰减到原来的1 e 2 k 【介质内产生的电流将波的能量转换为热能】 当x =
光学导纳
对 E E0 e
2 kx
e
i t 2 nx
S EH
E E0e
H H 0e
i t x
= E eit x E eit
0 0
i t
:电振动的初相；实数部分 E E0 cos(t ) : 磁振动的初相；实数部分 H H 0 cos(t )
坡印廷矢量：
瞬时值忽大忽小 一个周期的平均值是定值 定义坡印廷矢量的平均值为光强度I
1 T I E0 H 0 cos(t ) cos(t ) d t T 0 1 = E0 H 0 cos( ) 2 ( EH * )的实数部分为 Re( EH * )= Re E0 eit H 0 e it E0 H 0 cos( ) I 1 Re( EH * ) 2
薄膜光学技术_第02章 03 中性分光膜
1.68
22
多层分光膜G/ (HL) 8 /G 45度入射
基片折射率1.66， 2.38，1.35
23
例题
在硅基底（折射率3.5）上镀3微米到5微米的 分光膜，角度为45，分光比为1：1，材料为硫 化锌和氟化镁，计算4微米处的反射率？
多层分光膜 G/(HL)82H/G 45度入射 基片折射率3.5， 膜层折射率2.38，1.35 设计波长4600
25
M
p
M HpM Lp
c os H
i Hp sin H cos L
8
i
Hp
sin L
iHp sin H cos H iLp sin L cos L
Ms
M Hs M Ls
c os H
iHs sin H
i Hs
0
1 2 90o
所以有： n1 cos 1 n2 cos 2
又因为： n1 sin 2 n2 sin 1
消去θ2,得Rp=0的入射角θ1=θB
B arctgn2 n1
θB叫布儒斯特角或偏振角。 20
增加S偏振 光的反射率 H,L同时满足布儒斯特角， nH nL 对p分量有效折射率相等: cos H cos L 并符合折射定律: nH sin H nL sin L ns sin s
sin H
c os L
cos H iLs sin L
i Hs
sin
L
8
cosL
Yp
Cp Bp
, Ys
Cs Bs
Rs
光学薄膜膜系设计方法
光学薄膜膜系设计方法光学薄膜啊，就像给光学元件穿上了一层特制的小衣服。
那这膜系设计呢，就像是精心挑选衣服的款式和布料。
一种常见的方法是基于经验的设计。
这就好比咱做饭，一开始照着老菜谱做。
那些有经验的工程师啊，他们经过好多好多的实践，知道在哪些情况下用哪种薄膜材料组合比较好。
比如说，要是想让光更多地透过，可能就会想到某些透光度高的材料，像氟化镁之类的。
他们心里有个小本本，记着不同材料在不同光学环境下的表现，就这么凭经验先搭出个大概的框架来。
还有一种是计算机辅助设计。
这个就很酷炫啦。
现在科技这么发达，计算机就像个超级聪明的小助手。
我们把光学薄膜需要达到的各种要求，比如反射率要多少、透过率要多少之类的参数输进去。
然后计算机就开始它的魔法之旅啦。
它会根据内置的算法，算出各种可能的膜系结构。
这就像是我们在网上搜衣服，输入自己的尺码、喜欢的风格，然后出来一堆推荐一样。
不过呢，计算机算出来的结果也不是完全就可以拿来用的，还得经过人工的分析和调整。
在设计膜系的时候啊，材料的选择可太重要啦。
就像我们挑衣服的布料，得考虑它的质地、颜色、功能啥的。
对于光学薄膜材料，我们要关注它的折射率、吸收率这些特性。
不同的折射率会让光在薄膜里的传播路径发生不同的变化。
要是选错了材料，那这个光学薄膜可能就达不到我们想要的效果啦，就像穿错了衣服去参加活动，会很尴尬的呢。
另外，膜层的厚度也是个关键因素。
这厚度就像衣服的厚度一样，得刚刚好。
如果膜层太厚或者太薄，光的干涉效果就会受到影响。
比如说，要是想通过干涉来增强反射，那膜层厚度就必须得精确控制，差一点点都不行哦。
光学薄膜膜系设计不是一件简单的事儿，但是只要我们掌握了这些方法，就像掌握了搭配时尚穿搭的秘诀一样，就能设计出很棒的光学薄膜啦。
宝子们，是不是感觉还挺有趣的呢？。
薄膜光学-典型膜系
薄 膜 光 学——典型膜系
反射膜——
金属反射膜 增强金属反射膜 全介质反射膜
薄 膜 光 学——典型膜系
金属反射镜
% R e f le c t a n c e
薄 膜 光 学——典型膜系
增强金属膜
Ag膜、Al膜及Al+LHLH膜光谱比较
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
W avelength (nm )
薄 膜 光 学——典型膜系
全介质高反膜
由1/4波长厚度的高低折射率材料交替构 成的HLH…..LH型膜系，其导纳可以由其特 征矩阵较为容易的得到：
薄 膜 光 学——典型膜系
反射带宽：
g2s in1nnLHnnHL
薄 膜 光 学——典型膜系
用相对波数表示带宽：
1g 1g
用波长表示带宽：
101 g 201 g
0/1g0/1g
2g0/1g2 2g0
薄 膜 光 学——典型膜系
同样道理，在1/3、1/5、1/7、1/9处的反射 带边界为：
Hale Waihona Puke 1 g,3 g,5 gYnH nL
2S
•
nH2 nG
2
而反射率： R n0 Y
n0 Y
层数s趋近无穷大，R趋近1。
% R e f le c t a n c e
薄 膜 光 学——典型膜系
5\7\9\17层反射膜光谱
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
400 450 500 550 600 650 700 750 800 W av elength (nm )
光学薄膜膜系设计
光学薄膜膜系设计光学薄膜膜系设计是一项关键的技术，旨在通过优化薄膜层的结构和材料，达到特定的光学性能。
光学薄膜在眼镜、液晶显示器、太阳能电池等领域起着重要的作用。
本文将介绍光学薄膜膜系设计的基本原理和常用方法，并以太阳能电池为例进行详细阐述。
在光学薄膜膜系设计中，常用的方法包括布拉格条件法、计算机辅助设计和光学膜层堆积生长技术等。
布拉格条件法是光学薄膜设计的基础理论，根据布拉格干涉条件，通过对薄膜层结构、光波长和入射角度等因素的优化，可以实现特定的光学性能。
布拉格条件法主要应用于光学薄膜的波长选择和色彩滤光器的设计。
计算机辅助设计是一种基于计算机模拟的方法，通过数值计算和优化算法，快速确定最佳的薄膜层结构和参数。
这种方法可以通过遗传算法、蒙特卡洛模拟等算法，对大量的设计空间进行，得到最优解。
计算机辅助设计主要应用于复杂的多层膜结构和非均匀膜厚的设计。
光学膜层堆积生长技术是指通过物理气相沉积或溅射等方法，在基底上逐层生长所需的薄膜材料。
这种技术可以实现高质量的薄膜层，并且可以控制薄膜层的厚度和组分。
光学膜层堆积生长技术主要应用于光学反射镜和透明导电薄膜的制备。
以太阳能电池为例，光学薄膜膜系设计在提高太阳能电池的转换效率、增强光吸收和抗反射等方面起着重要的作用。
在太阳能电池中，常用的光学薄膜包括透明导电薄膜、抗反射膜和光学增透膜等。
透明导电薄膜是太阳能电池的关键组件之一，用于收集和输送光电池产生的电子。
常见的透明导电薄膜材料包括氧化锌、氧化铟锡等。
在设计透明导电薄膜时，需要考虑电导率和透明度的平衡，以达到最佳的光电转换效率。
抗反射膜是为了减少太阳能电池上的反射损失，提高对太阳光的吸收。
常见的抗反射膜材料包括氧化硅、氮化硅、二氧化硅等。
在设计抗反射膜时，需要根据太阳光的光谱分布和太阳能电池的工作波长范围，选择合适的材料和膜层厚度，来实现最佳的抗反射效果。
光学增透膜可以提高太阳能电池对特定波长范围内光的吸收。
光学薄膜原理
E
r 0
)
N1(k0
E
t 1
)
N
0
E
i 0
N
0
E
r 0
N
1
E
t 1
N
0
(
E
i 0
E
r 0
)
N 1 E1t
(2)
(1)×N1-(2)得振幅反射系数:
r
E
r 0
E
i 0
N0 N1 , N0 N1
(1)×N0+(2)得振幅透射系数:
t
E
t 0
E
i 0
2N0 N0 N1
垂直入射时能量反射率和透射率:
12
1 2 E2
1
2 1 H 2
E
12
1 2
E2
1
2 1
H2
( e iδ1 = cosδ1+ i sinδ1, e -iδ1 = cos δ1 - i sin δ1 )
H0=YE0, H2=η2E2
E0
1 Y
cos 1
i
1
sin
1
i sin
1 cos
1
1
1
2
E
2
B
C
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
第一章
光学薄膜设计的理论基础
第一节 电磁波及其传播
薄膜原理与技术_02 光学薄膜普遍定理
0
in1
i n1
0
0 in2
i n2 0
n2 n1
0
0
n1 n2
以这双层膜为基本周期的多层膜，其特征矩阵
M
s
(M1M 2 )s
(
n2 n1
0
)s
0
(
n1 n2
)s
应用：
1、 p q p 结构 ① 改变p与q的相对厚度，改变E的大小可以获得折射率从np到nq之 间任意
折射率的等效膜层；“变折射率膜层”
② 对于通带附近等效的折射率具有较大的色散。改变E的位置“偏周期设计 法”
很容易证明，这个结果能够推广到由任意多 层膜组成的对称膜系。首先划定多层膜的中 心三层，它们独自形成一个对称组合，这样 便可以用一个单层膜来代换。然后这个等效 层连同两侧的两层膜，又被取作第二个对称 三层组合，依然用一个单层膜来代换。重复 这个过程直到所有膜层被替换，于是最终又 形成一个等效单层膜。
2
2 2 22 22 2 2 2
2、L H L H L H L E， Γ E’，Γ’ E”，Γ”
当对称膜系中各分层的厚度很小时(例如不 超过10nm)，等效折射率E几乎是一常数，它介 于Np和Nq之间，取决于分层厚度的比值，同时 位相厚度和对称膜系实际的总的位相厚度成比例， 在大多数情况下其比例常数接近于1。 因此这种 基本周期的厚度很小的周期性对称膜系非常类似 于色散很小的单层均匀薄膜，可以用来替换那些 折射率无法实现的膜层， 它在减反膜的设计中， 得到了实际应用。
光学薄膜膜系设计
P—偏振光
R = r12 + r22 = 1,
φ = tan−1(r2 / r1)
16
第二介质是吸收介质的情况
n0 sinθ0 = (n1 − ik1)sinθ1
sinθ1 = n0 sinθ0 /(n1 − ik1) ,
cosθ1 = 1− [n0 sinθ0 /(n1 − ik1)]2
η1s = (n1 − ik1) cosθ1 = n12 − k12 − n02 sin2 θ0 − 2in1k1 = ±α ± iβ
10
反射光和透射光的振幅和反射位相
约定电场和磁场的方向
H•0+lE0+
×
H 0 −lE0 −
•
H1lE1
系数)
E0tan = E0+tan +E0−tan =E1tan
H 0 tan
=
H+ 0 tan
+
H− 0 tan
=
H1tan
H0 tan
=
y0 E0+ tan
−
y0
E− 0 tan
=
y1E1tan
β >0, 光波在吸收介质中按指数衰减
如果 α > 0, 第四象限 α < 0 , 第三象限
(n1 − ik1) cosθ1 = n12 − k12 − n02 sin2 θ0 − 2in1k1
=(ρeiφ)1/2 = ρ e 1/2 iφ/2
17
φ 第三象限, φ / 2 一定在第二象限或第四象限。
振幅反射系数(菲涅尔反射
r
=
E0−
/ E0+
=
E− 0 tan
/
光学器件中的光学薄膜设计
光学器件中的光学薄膜设计光学薄膜设计是光学器件中的重要环节，它对于光学器件的性能和功能起着至关重要的作用。
本文将从薄膜设计的基本原理、常见的设计方法和优化策略等方面进行论述，旨在深入探讨光学器件中的光学薄膜设计。
一、光学薄膜设计的基本原理光学薄膜设计的基本原理是基于光的干涉原理，通过设计和控制薄膜的光学参数来改变光的传输和反射特性。
常见的光学参数包括膜层的折射率、厚度和膜层材料等。
通过精确调控这些参数，薄膜可以实现对光的某些波长的选择性透过或反射，从而达到特定的光学功能。
二、常见的薄膜设计方法1. 单层薄膜设计方法：单层薄膜设计适用于需要实现光学器件的抗反射或者增透功能。
通过计算和选择合适的膜层材料和厚度，可以使得入射光在薄膜表面的反射降低到最低，从而提高光学器件的透过率。
2. 多层薄膜设计方法：多层薄膜设计适用于需要实现光学器件的滤波和反射功能。
通过设计一系列的膜层结构，在特定的波长范围内实现光的选择性透过或反射。
同时，多层薄膜结构还可以实现光学器件的光学隔离、增透和反射等复杂功能。
三、光学薄膜设计的优化策略光学薄膜设计的优化策略是为了使得薄膜的光学性能更加理想。
常见的优化策略包括遗传算法、蚁群算法和模拟退火算法等。
这些算法通过自动调整膜层的光学参数和厚度，从而使得薄膜的反射率、透射率和群折射率等光学性能达到最佳状态。
四、实际应用与展望光学薄膜设计在实际应用中具有广泛的应用前景。
以类似镀膜的方式实现的光学薄膜设计，可以应用于太阳能电池、光学滤波器、光学传感器和显示器等光学器件中。
随着光学技术和材料的不断发展，光学薄膜设计将会更加精密和复杂，应用领域也会进一步拓展。
综上所述，光学薄膜设计是光学器件中不可或缺的环节。
通过合理的薄膜设计，可以实现光学器件的特定功能，提高其性能和效益。
在未来，光学薄膜设计将会持续发展，为光学器件的应用和研究提供更广阔的空间。
第四章 光学薄膜的设计理论
相继矢量之间的夹角
矢量图
有效界面法 单层介质薄膜的光学特性
由于上式第二项开始是无穷递减的等比数列，所以
这说明单层膜的两个界面可以用一个等效界面来表示， 因此可以用递推法或矩阵法把单层膜反射系数推广到任 意层膜的场合，这就是菲涅耳系数的递推法和矩阵法。
有效界面法或Smith方法，其基本思想是使选定的膜层从 膜系中分离出来，整个膜系组合可以用两个有效界面表 示，只要考虑一膜层中的多次反射，对多层膜特性就可 以分析，全部要求在于求出选定层两侧子膜系的反射系 数和透射系数。
缓冲层与虚设层的关系 虚设层是有效光学厚度等于半波长或其整数倍，在参 考波长处它对薄膜系统的特性没有影响，也即只要保持 光学厚度不变，折射率的任何变化不改变整个多层膜在 参考波长处的光学特性 缓冲层在保持R1=0或R2=0条件下，其厚度是可以任 意改变的。 他们都提供了一个额外的设计变量来满足其他波长或倾斜 入射是另一偏振分量的光学特性要求。
对称膜系的等效层 单层膜的特 征矩阵：
虽然对于无吸收的介质膜系，其矩阵元M11和M22为实数， M12和M21为纯虚数，而且行列式值为1,但一般来说，M11不 等于M22，因此不能和一个单层膜等效。 但对于以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜，却具 有单层膜特征矩阵的所有特点，在数学上存在一个等效层。
此式的重要特点是 相位关系和振幅关 系可分别研究 在特定类型滤光片设计中有重要价值
缓冲层概念
从上式可以看出，当选定层任意一侧的反射率为零，即
R1 0或R2 0或R1 R2 0
T T2或T T1或T 1
与选定层的厚度无关，即选定层的厚度变化不影响整个多 层膜的反射率（或透射明数学上存在等效层的概念
特征矩阵为
Chapter10 薄膜系统的设计
图１０－４
单层增透膜的矢量图
矢图 量１ 图０ － ４ 单 层 增 透 膜 的
从矢量图上可以看到，合振幅反射 系数矢量r随着r1和r２之间的夹角２１而 变化，合矢量端点的轨迹为一圆周。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，合矢 量成为最小。 r=|r1-r２|，光强反射率R=r2
1）减少反射的需要 例如，折射率为1.52的冕牌玻璃，每个表 面的反射约为4.2%左右。折射率较高的火石玻 璃，则表面反射更为显著。这种表面反射造成 了两个严重的后果：1）光能量损失，使像的亮 度降低；2）表面反射光经过多次反射或漫射， 有一部分成为杂散光，最后也到达像平面，使 像的衬度降低，从而影响系统的成像质量（对 比度）。特别是电视、电影摄影镜头等复杂系 统都包含了很多个与空气相邻的表面，如不敷 上增透膜将完全不能应用。
提高单层膜性能的途径 然而基本上有两个途径可以提高单 层膜的性能，即： 1）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； 2）或者采用几层折射率不同的均匀薄膜构 成增透膜，即所谓多层增透膜。 目前应用得更为广泛的是采用几层 折射率不同的均匀薄膜。
（二）双层增透膜
对于单层氟化镁膜来说，冕牌玻璃的折 射率(1.52)是太低了。为此，我们可以在玻 璃基片上先镀一层0/4厚的、折射率为n2的 薄膜，这时对于波长0来说，薄膜和基片组 合的系统可以等价为一假想基片，其折射率 为Y=n22/ng。显然， 当n2＞ng时，有Y＞ng。 也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率 的0/4厚的膜层后，基片的折射率好象从ng 提高到n22/ng ，然后镀上0/4 厚的氟化镁膜 层就能起到更好的增透效果。
增透膜（减反射膜）(续)
一部分入射光将被减反射膜的上、下两 个界面反射回去，两者的反射光均存在于折 射率比相邻媒质更低的媒质内。所以，为保 证相对相移为1800(两光束发生相消干涉)， 膜层的光学厚度应为／4，此时，两束光的 总相差将对应于2×／4，即为1800。 因此，简单的减反射膜即为折射率等于 基片折射率的平方根，而光学厚度为／4的 单层膜。 (见图10-1)。现在已有了其他更好 的减反射膜，它所包含的膜层数更多，增透 的波段更宽。
光学薄膜技术课程简介
光学薄膜技术课程简介《光学薄膜技术》课程简介《光学薄膜技术》作为光学专业的技术专业课,系统地介绍薄膜光学的基本理论和器件设计的基本方法,介绍光学薄膜的新设计方法、新器件设计、新工艺技术、制造工艺,介绍光学薄膜的相关材料及其性质,介绍光学薄膜的特性测试方法等。
本《光学薄膜技术》课程将讲授六章,第一章就是薄膜光学特性排序基础,第二章了解介质膜系则及其应用领域,第三章了解薄膜生产技术,第四章了解光学薄膜生产工艺,第五章了解薄膜材料及其性质,第六章了解光学薄膜特性测试与分析。
课程目录第一章薄膜光学特性排序基础1.1单一界面的反射率和透射率1.2单层介质膜的反射率1.3多层介质膜的反射率和透射率1.4金属薄膜的光学特性1.5光学零件的反射率和透射率第二章介质膜系则及其应用领域2.1减反射膜2.2低散射膜2.3中性分束膜2.4截至滤光片2.5带通滤光片2.6偏振分束膜2.7消偏振膜系第三章薄膜制造技术3.1光学真空镀膜机3.2真空与物理汽相沉积3.3真空获得与检测3.4热蒸发3.5溅射3.6离子镀3.7离子辅助镀第四章光学薄膜生产工艺4.1光学薄膜器件的质量要素4.2影响膜层质量的工艺要素4.3赢得准确厚度的方法4.4赢得光滑膜层的方法第五章薄膜材料及其性质5.1薄膜的微观结构与性质5.2常用光学薄膜材料第六章光学薄膜特性测试与分析6.1光学薄膜特性的检测标准6.2薄膜透射率、反射率的测量6.3薄膜光学常数和厚度的测量6.4薄膜吸收和散射的测量6.5薄膜激光损伤阈值的测量6.6薄膜非光学特性的检测参考书1.卢挺进,刘卫国。
《光学薄膜技术》,西北工业大学出版社,2021.10;2.卢挺进。
《光学薄膜技术》,电子工业出版社,2021.7;3.唐晋发,顾培夫,刘旭,李海峰。
《现代光学薄膜技术》,浙江大学出版社,2021.3。
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参 4 (杨妹清 )
TN253
2008043273
三光纤补偿式位移传感器的研究 = Study of tri2fiber op tical
disp lacement sensor w ith intensity compensation [刊 ,中 ] /李 710032 ) ) ,王晓
sol2gel technique [刊 ,中 ] /袁兆林 (电子科技大学物理电子
学院. 四川 ,成都 ( 610054 ) ) ,祖小涛 … / /半导体光电. %
2008, 29 (2). % 2122216
利用溶胶 2凝胶法在 (0001) A l2O3 衬底上制备了 A l/ Zn 原子比为 1%的 ZnO ∶A l薄膜 ,将能量 56 keV、剂量 1 ×
果和测量结果一致 ,两根接收光纤各自的线性范围较小 ,
补偿后的三光纤位移传感器不仅能改善测量的线性度 ,而
且能在一定程度上放大传感器的线性测量范围 。图 5参 6
(严寒 )
饶云江 … / /中国激光. % 2007, 34 (12). % 166021664 介绍了一种利用波长为 800 nm 的飞秒激光脉冲在普 通单模光纤 ( SM F) 上刻蚀出微 型光纤法布里 2珀罗干涉 (M EFP I)传感器的方法 。该方法通过计算机控制就可以 进行任意腔长的微型光纤法布里 2珀罗干涉传感器的制 作 。实验研究了光纤法布里 2珀罗传感器的应变和温度特 性 ,结果表明 ,在 0～350με的应变范围内 ,干涉条纹波长 相对于应变的灵敏度为 0. 006 nm /με,线性度达 99. 69% ; 在 20～100 ℃的温度范围内 ,该光纤法布里 2珀罗传感器具 有较小的负温度特性 ,干涉条纹往短波方向漂移了 0. 15 nm。图 7参 11 (严寒 )
薄膜光学
薄膜光学理论与膜系设计
O484. 1
2008043278
硒化锌基底 3～12 μm 渐变折射率红外增透膜的设计 =
Gradient2index thin film design of infrared film s on ZnSe sub2
— 26—
strate for 3～12μm [刊 ,中 ] /鄢秋荣 (中科院光电所. 四川 , 成都 (610209) ) ,黄伟 … / /激光与红外. % 2008, 38 (2). %
7 nm 范围内的波长线性解 调 , 测量波长分辨率为 0. 01 nm。图 6参 12 (于晓光 )
TN253
2008043272
光纤陀螺中的关键技术分析 = Analysis of key technique in
fiber op tic gyro [刊 ,中 ] /郝婕 (空军工程大学电讯工程学
增大而增强 。Nb膜应力先随薄膜厚度增大而增大 ,后随
薄膜厚度的增大有所减小 。图 6表 1参 22 (于晓光 )
O484. 4
2008043281
退火对 N离子注入 ZnO ∶A l薄膜性能的影响 = Effects of
annealing on p roperties of N 2imp lanted ZnO ∶A l thin film s by
的 Mo /B4 C膜并测量了其反射率 ,在波长 7. 03 nm 处 ,Mo / B4 C多层膜的近正入射反射率为 21. 0%。图 5参 13 (于晓 光)
O484. 1
2008043280
膜厚对直流磁控溅射 Nb 薄膜微结构的影响 = Effects of
thickness on m icrostructure and p roperties of Nb film s deposi2
确和可靠的优点 。图 3参 12 (严寒 )
TN253
2008043275
飞秒激光加工的微型光纤法布里 2珀罗干涉传感器 =M i2
cromachining of an in2fiber extrinsic Fabry2Perot interferomet2
ric sensor by using a fem tosecond laser[刊 ,中 ] /王维 (重庆
线 ,构造了新的 Q 函数和用逐次近似的方法修正膜层的折 射率轮廓图 ,能有效地减小与期望透射率曲线的偏差 ,再 给膜层加上五次方多项式匹配层与空气和基底两侧界面 相匹配 。所得渐变折射率增透膜在设计波段平均透射率 达到 95%。图 6参 9 (于晓光 )
O484. 1
2008043279
高反射率 M o / B4 C 多层膜设计及制备 = Design and fabri2 cation of high reflectivity Mo /B4 C multilayer m irrors[刊 ,中 ] / 张慧晶 (同济大学精密光学工程技术研究所 ,物理系. 上海
敏 … / /应用激光. % 2007, 27 (5). % 3752377
研究了一种基于光纤网络的结构承载位置判别的方
法 ,分析了检测系统的工作原理 ,进行了光纤智能结构承
载位置判别实验 ,做出光纤网络输出光强与加载量的变化
曲线图并进行了分析讨论 ,实验数据与理论分析能较好地
符合 。结果表明 ,这种承载位置的判别方法具有快速 、准
1017 ions/ cm2 的 N 离子注入到薄膜中 。离子注入后 ,样品
在 500～900 ℃氮气气氛中退火 ,研究了退火温度对薄膜
性能的影响 。结果显示 ,在 800 ℃以下退火 ,随退火温度
提高 ,薄膜结晶性能逐渐变好 ;在 600 ℃以上退火 ,随退火
温度提高 ,紫外近带边发光峰 (NBE)和缺陷相关的深能级
定时传感器 ,研制了涡轮机高速旋转叶片振动监测系统 , 能够高效地收集叶尖定时信号 ,配合后续的光电转换 、数 据采集和数据分析 ,实现了高速旋转叶片的实时振动检 测 。在现场高速模拟转子的实时监测实验中 ,该系统的工 作性能良好 ,得到的结果与同时进行监测的应变片实验结 果基本一致 ,分析的异步振动阶次和频率也基本符合 。图 4表 1参 9 (严寒 )
600 nm 的 Nb薄膜 ,对薄膜的沉积速率 、表面形貌 、晶体结 构进行了研究 ,分析了其应力和择优取向 。原子力显微镜
图像显示 Nb膜表面光滑 、致密 ,均方根粗糙度达到 0. 1 nm 量级 。X射线小角衍射给出了薄膜的晶格结构 、晶粒尺寸
和应力情况 。分析表明薄膜为多晶体心立方结构 ( bcc) , 在 (110)晶面方向存在明显的择优取向 ,且随着薄膜厚度
1772180 叙述了傅里叶合成方法的原理和该方法用于 ZnSe基 底 3～12 m 红外增透膜的设计 。通过反傅里叶变换期望 的光谱特性曲线得到渐变折射率膜层 。用薄膜特征矩阵 的方法计算细分成很薄的多层均匀膜层的光谱透过率曲
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值反射率为 33. 29%。采用恒功率模式直流磁控溅射方法
制作 Mo /B4 C多层膜 。通过在 Mo /B4 C多层膜与基底之间 增加 15 nm厚的 Cr粘附层 ,提高多层膜与基底的粘附力 。
另外 ,还采用调整多层膜 Gamma值的方法减小其内应力 ,
调整后多层膜结构周期为 3. 59 nm ,Mo膜厚 1. 97 nm , B4 C 膜厚 1. 62 nm ,峰值反射率 26. 34%。制备了膜对数为 150
等 15个误差系数 。图 2表 2参 14 (严寒 )
其他
TN253
2008043274
一种基于光纤的智能结构承 载 位 置 监 测 与 分 析 研 究 =
Load monitoring of fiber op tic smart structure [刊 ,中 ] /郭林
峰 (南京航空航天大学理学院. 江苏 ,南京 (210096) ) ,赵志
颖 / /西安工业大学学报. % 2007, 27 (5). % 4132415, 425
研究了三光纤补偿式位移传感器的原理和性能 ,根据
光纤出射端面的近似光强分布 ,数值计算了三光纤传感器
中接收光纤接收光强与位移的关系和补偿后的输出特性 ,
并对此输出特性进行了实验测量 。结果表明 ,数值计算结
可见光发光带都逐渐增强 ; 600℃退火时 ,样品的电阻率仅 为 83Ω ·cm。图 4表 1参 25 (于晓光 )
thermal2op tical p roperties of vanadium oxide film s[刊 ,中 ] /杨 爱国 (兰州大学物理学院. 甘肃 ,兰州 ( 730000 ) ) ,杨子健 … / /半导体光电. % 2008, 29 (2). % 2002202, 207 以石英片为基底材料 ,采用直流 /射频磁控共溅射方 法制备了掺 A l和掺 Ti的氧化钒薄膜 ,探索了用这种方法 制备掺杂氧化钒薄膜的工艺条件 ,对所制备的氧化钒薄膜 进行了热光性能测试 ,并利用能带理论对测试结果进行分 析 。结果表明 ,在氧化钒薄膜中掺入 Ti比掺入 A l对薄膜 的热光性质的改变所起的作用更为明显 。增大 Ti杂质的 含量对薄膜的电阻 2温度特性 、相变温度 ,以及相变滞豫区 的改善比较明显 ,而掺 A l引起的变化规律与此相反 。图 3 表 1参 10 (于晓光 )
(200092) ) ,张众 …/ /强激光与粒子束. % 2008, 20 (1). % 67270
运用遗传算法优化设计了 Mo /B4 C多层膜结构 。入射 光入射角度取 10°时 ,设计的理想多层膜膜对数为 150,周
期为 3. 59 nm, Gamma值 (Mo膜厚与周期的比值 )为 0. 41,峰
% 60265
提出一种光纤陀螺 IMU 的六位置旋转现场高精度标