2010薄膜光学习题与解答

在薄膜监控中，光控监控的是相位厚度，对于薄膜的光学特性控制比较准确。但一般只能检测其极值，且涉及参数多，故说其准确但不精密；
晶控可以精确监控薄膜质量的增加过程，从而推算出实际膜厚的增加过程，因此说其很精密。但晶控无法监测薄膜的折射率，因此在控制薄膜的光学特性上不够准确。
6.计算薄膜光学性质的理论出发点是什么？
规整膜系
具有简单的周期结构，或者具有周期性的对称结构的薄膜。
制的就是质量厚度
薄膜缺陷
薄膜中的气孔、虫道、位错等缺陷。
（由薄膜镀制工艺所决定的薄膜结构中的缺陷）
光学薄膜系统
由入射介质、薄膜（单层或多层）、出射介质（基底）构成一个完整的光学薄膜系统。
光程差
光通过不同路程传播后，其光程的差值
2）其余两个元素为纯虚数；
3）行列式的值为1。
18.自然光与偏振光的差别？
答：
自然光的电矢量在垂直光波前进方向的平面内随时间作快速、无规律的变化；
有规律的变化则为偏振光，其中的特例是固定方向不变化，则是线偏振光。
19.矢量法设计膜系的前提是什么？为什么？
20.矢量法的近似条件是什么？
答：
（1）只考虑界面上的单次反射，不考虑多光束干涉效应；（2）膜层没有吸收。
中心波长
截止波长
截止滤光片在某一波长范围的光束高透射，而偏离这一范围的光骤然变化为高反射（或称抑制），这个临界波长称为截止波长
等效折射率
对于以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜，具有单层膜特征矩阵的所有特点，因此在数学上存在一个等效层，对称膜系在数学上存在一个等效折射率。
偏振光
光矢量的方向和大小不变或有规则变化的光成为偏振光。
8.请设计CCD使用的IR-CUT膜系
9.请设计冷光镜
10.请设计棱镜分色系统所需要的所有膜系
11.设计投影机用X棱镜中的两个膜系
12.设计泰曼干涉仪的金属（Al）分光镜（光源为He-Ne激光），要求到达接收平面的干涉图对比度最好。
13.试在玻璃基底（n＝1.52）上设计一诱导透射滤光片，中心波长为500nm，要求峰值透过率大于70％，在400nm～1500nm的波长范围内背景透过率小于0.1%，整个多层膜与合适的吸收玻璃胶合。
一、概念：
光学导纳
边界条件
在电磁场跨越界面时，电场和磁场的切向分量在边界两边分别相等。
菲涅尔系数
菲涅尔系数就是界面上的振幅反射系数和振幅透射系数。
组合导纳
将膜系与基底看成一体时的导纳，对于单层膜和基底组合来说，
特征矩阵
表征薄膜特性的矩阵，仅包含薄膜的特征参数
理想单层膜
理想单层增透膜就是折射率 ，厚度为1QW的单层膜
因为矢量法是一种作图方法，考虑多光束干涉将引入太多的矢量，膜层的吸收将引入复折射率，两者均使作图无法进行。
21.金属膜在什么情况下可以看成是“厚”膜？为什么？
答：
因为金属膜是一种吸收介质，随着膜厚的增加，反射率将稳定在一个固定的数值上，透过率则随膜厚的增加而呈指数衰减，所以超过一定厚度的金属膜与无穷厚的膜没有什么差别，这个厚度由公式 决定，其中d2为临界厚度，k2为金属膜折射率的复数部分。
矢量法
首先计算各个界面的振幅反射系数和各层膜的位相厚度，把各个矢量按比例的画在同一张极坐标图上，然后按三角形法则求合矢量。求得的合矢量的模即为模系的振幅反射系数，幅角就是反射光的位相变化，而能量反射率是振幅反射系数的平方。
递推法
对称膜系
以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜。
代换对
为了克服薄膜折射率的限制，可以用两层膜来替代一层膜，这两层膜称为代换对
答：计算薄膜光学性质的理论出发点是波动光学的干涉理论。
7.光学导纳与折射率概念的异同
答：导纳是介质内部磁场矢量与电场矢量模的比值： ，而折射率是真空光速与介质光速的比值： 。在光波段，非铁电体情况下，可以将导纳和折射率等同看待。
8.一个光学薄膜系统包括那些系统？
答：光学薄膜系统包括基底、膜堆、入射介质。膜堆由一层或多层不同介质的膜组成。
16.分析正入射与斜入射的不同点，在薄膜光学中如何处理斜入射问题？
答：
正入射时电场矢量各向同性，不存在偏振问题；斜入射时电场矢量必须分解成S-分量与P-分量不同处理。在薄膜光学中处理斜入射问题时引入修正导纳：
然后就可以采用正入射时的公式了。
17.均匀、透明介质的特征导纳矩阵的特点？
答：
1）主对角线两个元素m11=m22，且均为实数；
答：薄膜光学主要研究在分层介质中光的传播规律。
15.白光常被称为非相干光，在一般情况下不表现出干涉效应，为什么在薄膜中可以显著地观察到？
答：
白光被称为非相干光，是因为普通光源中每个原子的持续发光时间短且互不相关，波长也包括了所有可见光，因此白光相干长度极小。在光学薄膜中，膜层厚度要比白光的相干长度更小（一般单层为λ/4～λ/2，多层膜总厚度也不超过10μm），因此光学薄膜才明显地表现出光波干涉特性。
12.简述薄膜缺陷
答：
1）薄膜的微观缺陷由膜的生成方式（分子团、岛、连通）决定，在膜中存在柱状空隙；
2）薄膜与基底、不同薄膜之间的化学反应作用会改变介质的分层处的物理结构。
3）镀膜时的杂质，产生点状缺陷。
13.光学薄膜的特点：
1）主要表现为干涉效应；2）薄膜元件不参与成像。
14.薄膜光学的研究对象：
诱导透射
在金属膜两侧设计介质膜，开发金属膜最大可能的透过率。
PVD
物理气相沉积（真空镀膜的方式之一）
虚设层
当膜层厚度对于中心波长来说是2QW或其整数倍时，该层是否存在对于中心波长处的透过率/反射率无影响，因此称为虚设层。但该层其他波长处的透过率/反射率还是有影响的。
偏振效应
当光线斜入射到薄膜时，s-偏振光和p-偏振光具有不同的透射/反射率，称为偏振效应。
5.讨论薄膜实际厚度、相位厚度、光学厚度、质量厚度之间的关系，及在薄膜监控中的运用。
答：实际厚度d是薄膜的物理厚度，光学厚度为 ，与材料折射率和入射角度相关；相位厚度 ，又增加与测试波长相关。
质量厚度则是镀制在晶控片上的膜料质量m，和晶控工艺参数（通过试镀获得，与晶控片面积s和膜料比重等相关）换算所得，与实际膜厚有正相关关系。
22.金属反射膜和全透明介质反射膜各有什么特点？
答：金属膜具有较高的反射率（80％－95％）和极宽的反射带宽。而全透明介质反射膜带宽较窄，但其反射率可以做到99％以上。
4）降低膜料的蒸发温度。
11.为高折射率基底设计红外增透膜系与一般可见光下的增透膜系有什么不同？
答：
1）可见光下透过率由4%下降到0.5%左右，红外增透膜透过率由30%下降到5%左右。
2）红外光下可以选择的膜层材料更少。
3）双层红外增透膜的外层一般选用高折射率的材料（与基底材料折射率接近）。
4）通常情况下，红外增透膜的带宽比可见光大许多。
9.在光波从一个介质进入另一个介质时，那些量是连续的？
答：在光波从一个介质进入另一个介质时，电场与磁场的水平（切向）分量均是连续的。
10.为什么高真空对真空镀膜是必须的？
答：
1）避免空气中的活性分子与膜料、基底材料等发生反应；
2）使膜料分子的平均自由程增加，可以直接到达基底；
3）避免水（油）蒸汽对膜层的影响（折射率、附着力）。
菲涅耳公式
全内反射角
光线入射到两种介质的分界面上时，通常都会发生折射和反射。但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，这种现象称为全反射现象。当折射角I’达到 ，折射光线沿界面掠射出去，这时的入射角称为临界角。
布儒斯特角
使 为零的入射角 称为布儒斯特射角，又称为偏振角。
消光系数
复折射率（N=n-ik）的复数部分
二、证明：
1.光学厚度为λ0/2的膜层，在其中心波长处为虚设层。
2.证明：在边界处E与H的切向分量连续。
3.试证明所谓的薄膜系统的不变性：即当薄膜系统的所有折射率都乘以一个相同的常数，或用它们的倒数替代时，膜系的反射率和透过率没有任何变化。
三、设计问题：
1.分析并设计一个应用于太阳能集热器的膜系，注意阳光的色温为5800K，黑体辐射为750K。（查找资料获得阳光辐射曲线和黑体辐射曲线，利用TFCalc设计膜系）。
周期膜系
以两种不同折射率膜层构成一个基本周期，多个周期形成的膜系。
光控
镀膜机中根据膜层厚度与反射率（透过率）的对应关系而监控膜层厚度的设备
晶控
镀膜机中根据镀在晶振片上膜层质量造成的晶振频率变化而监控薄膜质量厚度的设备。
截止滤光片
以一个特定波长为分界，一边高反射、另一边高透射的滤光片
长波通
截止滤光片在长波方向高透射、短波方向高反射
5.设计一个可见光区的减反射膜，要求如下：波长区间400～700nm，平均反射率<0.4%，最大反射率<0.6%。
6.设计一个可见光区的高反射膜，要求如下：波长区间400～700nm，平均反射率>99%，最小反射率>98%。
7.在空气中自然光入射到金属材料铝和银时，用TFCale软件分析两种材料反射光偏振效应最大值出现的角度与数值的步骤。（λ＝500nm，Al：0.64-i5.50，Ag：0.050-i2.87）
相长干涉
当两束光波相遇时，其相位恒相同，则该处光的振幅叠加，光强增加。
相消干涉
当两束光波相遇时，其相位恒相反，则该处光的振幅互相抵消，光强减弱。
相位差
两束初相位相同的光各自经过路程 与 后相遇，产生的相位差为 ， 与 分别为光在两种介质中的波长。
麦克斯韦方程
驻波
两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色光波，例如垂直入射到两种介质分界面的单色光波和反射波的叠加将形成驻波。
2.分析简单周期性多层膜，在其透射带内的波纹生成原因。