4-1光学薄膜系统设计

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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。

光学膜实验报告

一、实验目的1. 理解光学膜的基本原理和作用；2. 掌握光学膜的制作方法；3. 通过实验验证光学膜的特性；4. 分析光学膜在光学系统中的应用。

二、实验原理光学膜是一种具有特定光学性能的薄膜，其主要作用是反射、透射和偏振。

光学膜的种类繁多，包括增透膜、反射膜、偏振膜等。

本实验主要研究增透膜和反射膜的制作方法及特性。

1. 增透膜：增透膜能够减少光在光学元件表面的反射，提高光的透射率。

其原理是利用不同厚度、不同折射率的薄膜对光的干涉现象，使反射光相互抵消，从而减少反射。

2. 反射膜：反射膜能够增加光在光学元件表面的反射，提高光的反射率。

其原理与增透膜类似，也是利用干涉现象，但要求反射光相互加强。

三、实验仪器与材料1. 实验仪器：光学膜制备系统、紫外-可见光分光光度计、干涉仪、薄膜厚度测量仪等；2. 实验材料：光学玻璃基板、光刻胶、抗蚀剂、清洁剂、光刻机、蒸发源、真空系统等。

四、实验步骤1. 光刻胶涂覆：将光学玻璃基板放入光刻机中，涂覆一层光刻胶，使其均匀覆盖在基板上；2. 光刻：利用光刻机将设计好的图形转移到光刻胶上，形成光刻胶图形；3. 抗蚀：将涂覆光刻胶的基板放入抗蚀剂中，浸泡一段时间，使光刻胶图形部分溶解，形成抗蚀图形；4. 蒸发沉积：将涂覆抗蚀图形的基板放入蒸发源中，通过真空系统使蒸发源蒸发材料，沉积在抗蚀图形上，形成光学膜；5. 洗除抗蚀剂：将沉积光学膜的基板放入清洁剂中，洗除未反应的抗蚀剂，得到光学膜；6. 薄膜特性测试：利用紫外-可见光分光光度计、干涉仪、薄膜厚度测量仪等仪器对光学膜进行测试，分析其光学性能。

五、实验结果与分析1. 增透膜实验结果：通过实验，成功制备了增透膜，其透射率提高了约30%。

测试结果显示，增透膜在可见光范围内的透射率较高，符合实验要求。

2. 反射膜实验结果：通过实验，成功制备了反射膜，其反射率提高了约80%。

测试结果显示，反射膜在可见光范围内的反射率较高，符合实验要求。

薄膜光学技术-4-1

5.基片材料
1). 膨胀系数不同热应力； 2). 化学亲和力不同影响膜层附着力和牢固度; 3). 表面粗糙度和缺陷散射的主要来源。
11
6.基片清洁
残留在基片表面的污物和清洁剂将导致： 1）. 膜层对基片的附着力差； 2）. 散射吸收增大抗激光损伤能力差； 3）. 透光性能变差。
7.膜层材料
聚集密度微观组织物理结构(晶体结构) 膜层化学成分
薄膜器件机械性能
硬度牢固度—（附着力）
薄膜器件环境稳定性
盐水盐雾、高湿高温、高低温、水浴、酸碱腐蚀
膜层填充密度对膜层质量的影响
3
薄膜聚集密度P:
蒸气入射角与柱状结构的生长方向之间的关系：
薄膜中固体部分的体积（柱体的体积） p 薄膜的总体积（柱体空隙）
以上就是极值法监控膜层厚度的基础
21

①当选定一个λ作为监控波长时，只要膜层的光学厚度是λ/4的整数倍，其透射和反射光信号就具有一个或多个可供明确判断的极值；
(1个极值), (2个极值), nd=250nm
例如：λ0=500nm时, nd=125nm
②对一个欲得到的膜层任意光学厚度（n1d1），一定存在一个或数个波长的光可用来依极值法原理监控其厚度。

利用石英晶体的压电效应，测量石英晶体振动频率或周期随石英晶片厚度的变化量，达到测量沉积在石英晶片上的膜层厚度的目的。
32
1. 频移法
依据石英晶片振动频率 f 与晶片厚度dq成反比的原理：f=N/dq N—由石英晶片决定的常数若在此晶片一个表面镀上膜层厚度为 Δdf ，假设对应的等效石英晶片厚度为Δdq 则：利用关系式其中： A—晶片被镀面积 f 得： d q d f q 等效石英晶片厚

《物理光学》第4章, 多光束干涉与光学薄膜

t
At tt ei tt r 2ei 2 tt r 4ei 3 Ai
tt ei i 在光束数目趋于无穷大时， A A 2 e i 1 r
因为
I t At At
r 2 r '2 R
4.2.2 法布里—珀罗干涉仪应用（F-P标准具）
1、研究光谱的超精细结构设含有两种波长λ1和λ2的光波投射到干涉仪上,分析靠近条纹中心的(θ＝0)某一点：
m m1 m2
2h2 1
e 2 1 2he
12
e / e
2
不应使两组条纹的相对位移Δe大于条纹的间距e，否则会发生不同级条纹的重叠现象。当Δe＝e时的Δλ就是标准具所能检测的最大波长差(也叫标准具的自由光谱范围)：
实际使用的光束，受n限制,λ也有较大宽度，所以高透过率并不是同时发生在全波段上，而且光束的入射角也会对R产生影响，所以，单层膜的透射情形与理想的偏离较大。
2、单层增反膜
如果单层膜的折射率n大于基片的折射率nG，则膜系的反射率比末镀膜时基片的反射率要大，起增强反射的作用。在光束正入射情况下，由nh＝λ0/4条件，得到膜系对波长 λ0的反射率为：
讨论:条纹的强度分布随反射率R的变化：
1、当反射率R很小时，透射光IM=I0, Im—>I0 ，条纹对比度非常低，趋近于零。 2、当反射率R增大时，情况就有很大的不同
1）随着反射率R的增大，透射光暗条纹的强度降低，亮条纹的宽度变窄，因而条纹的锐度和对比度增大。 2）当R→1时，透射光干涉图样是
由在几乎全黑的背景上的一组很细
的亮条纹所组成。反射光干涉图样：与透射光干涉图样互补，是在均匀

《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。

四分之一波片薄膜

四分之一波片薄膜一、引言四分之一波片（quarter-wave plate）是一种光学元件，能够将一束线性偏振光转换为圆偏振光，或者将圆偏振光转换为线性偏振光。

在薄膜制备领域，四分之一波片薄膜因其独特的光学性能而备受关注。

本论文将对四分之一波片薄膜的原理、制备及应用进行详细探讨。

二、四分之一波片薄膜的原理线性偏振光在通过四分之一波片后，其偏振方向将发生45°旋转。

这是因为四分之一波片具有双折射性质，使得光在波片内部产生相位延迟。

当这个相位延迟为λ/4（λ为光的波长）时，出射光将变为圆偏振光。

反之，当圆偏振光通过四分之一波片时，其偏振状态也会发生旋转。

三、四分之一波片薄膜的制备制备四分之一波片薄膜的方法有多种，包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）以及溶胶-凝胶法等。

这些方法各有优缺点，适用于不同材料和不同应用场景。

1. 物理气相沉积（PVD）：PVD技术可以制备出高质量的四分之一波片薄膜，但制备过程需要在高真空条件下进行，且制备周期较长。

2. 化学气相沉积（CVD）：CVD技术适用于大面积制备，且制备周期较短。

但该技术需要较高的温度和反应气体，可能对基底材料产生影响。

3. 溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是一种低温制备方法，适用于制备大面积薄膜。

但该方法需要经过干燥和热处理过程，容易产生裂纹和孔洞。

四、四分之一波片薄膜的应用四分之一波片薄膜因其独特的光学性能，在许多领域都有广泛的应用。

以下是一些主要的应用领域：1. 光学通信：在光纤通信中，四分之一波片可以用于调制信号光，提高通信系统的性能。

2. 光学传感：四分之一波片薄膜可以用于检测微小的光学变化，例如温度、压力和浓度等。

3. 光学显示：在液晶显示中，四分之一波片可以用于控制光的方向和偏振状态，提高显示图像的质量。

4. 光学仪器：在显微镜、望远镜等光学仪器中，四分之一波片可以用于改善成像质量。

5. 太阳能利用：在太阳能电池中，四分之一波片可以用于提高光的吸收效率。

(参考资料)3-2光学薄膜系统设计

在整个透射带，透过率在两个极值之间振荡：
R1
0－g 0 +g
2
膜厚4的偶数倍，
膜层变为虚设层
R2
0－E2 0 + E2
g g
2
膜厚4的奇数倍
产生波纹的原因： 1）等效光学导纳失配(波纹的幅度)(R1-R20)； 2）等效位相厚度随波长变化。
压缩波纹的方法
R1
0－g 0 +g
2
,
R2
通常波纹幅度大小是由等效折射率与基片和入射介质的匹配程度决定的而波纹的密度是由周期数多少决定的因为周期数多那么这个等效层的厚度就大高级次干涉峰就会靠的很近波纹就密
§2.4 干涉截止虑光片
1）什么叫干涉截止滤光片：利用多光束干涉原理，让某一波长范围的光束高透，而让偏离这一波长区域的光束变为高反的光学膜片。
主要参数：中心波长（峰值波长）；中心波长处的透过率；通带宽度：透射率降为峰值透过率一半的波长宽度。
两种典型结构： 1）由一长波通膜系和一短波通膜系的重叠带波段形成的通带。其特点为较宽的截止带和较深的截止度，但不易得到窄的通带宽度。 2）Fabry-perot（F-P）干涉仪式的滤光膜系。其特点为可得到很窄的通带宽度，但截止带也较窄，截止度也浅。
2 2 arcsin(1 R )
0 m
2R
中心波长的峰值透射率：
Tmax
T1T2 (1 R)2
当反射膜没有吸收、散射损失，而且反射膜是完全对称时，滤光片的透射率和光洁基板一样高。
当反射膜有吸收、散射损失时，假定反射膜是完全对称时，
Tmax
T12 (1 R12 )2
(T12
T122 A12 )2
12

光学薄膜制备工艺

整理课件
辅助系统
加温充气工件架离子轰击比较片架
温度测量与控制真空度测量与压强控制公、自转，均匀性调整直流与射频透射、反射、内反射
整理课件
整理课件
改进蒸发工艺、改善膜层的微观结构
基本的思路：附加一定的能量到被镀的表面上去，利用这些能量移开弱束缚的粒子，使达到基板的材料粒子有高的迁移率。由于附加了能量，膜料粒子可以穿透比较远的距离，去找到一个有比较强束缚的位置。从而使膜层的结构得到改善。
具体实施办法：在膜层沉积的同时，利用电子、光子、离子将能量附加到基底上去，这不仅有利于清洁被镀表面，也增加了膜层的致密度。
因油蒸汽喷出的速度不够快而会在到达泵壁前就
因碰撞而升向泵顶，造成严重的返油现象。所以，
扩散泵的加热时间不能太短，一般约需40分钟左
右。
整理课件
真空测量
10~10-1 Pa气体热传导与气压关系明显,这是它的测量范围
10-2~10-6Pa离子流正比与气压，这就整理是课件它的测量范围
• 冷阴极电离真空计
整理课件
光学膜厚监控系统
整理课件
石英晶体法监控膜厚，主要是利用了石英晶体的两个效应，即压电效应和质量负荷效应。
石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸，切切割类型而且还取决于晶片的厚度。当品片上镀了某种膜层，使品片的厚度增大，则品片的固有频率会相应的衰减。石英晶体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的量进行膜厚测量的
近十几年的趋势是利用荷能的离子完成基片清洁和改善膜层结构的任务
整理课件
离子体增强的离子辅助技术
• 等离子源采用热阴极、筒状阳极及轴向发散形磁场，在辅助沉积过程中，放电气体 (Ar气)进入APS源，放电产生的等离子体在交叉电磁场的作用下被拔出APS，并在电磁场作用下漂向基板，放电气体形成的等离子体形成一个园维体充满基板下的空间。这时充入反应气体(O2等)，等离子体电离并激活反应气体及从电子枪蒸发出的材料分子，并在基板上得到符合化学计量比的电介质薄膜。

第3章-光学薄膜的设计理论

1 2

则：
Y

C
B
,

B C

称为膜系的特征矩阵
青岛大学物理科学学院
第３章光学薄膜的设计理论
单层膜的反射单层膜的反射率为：
r 0 0 Y Y,R 0 0 Y Y 0 0 Y Y
这样就把单层膜的问题等效成了单一界面的问题，而不是用多次干涉的方法。
对称膜系(PQP)的特征
第３章光学薄膜的设计理论
青岛大学物理科学学院
对称膜系(PQP)的特征
第３章光学薄膜的设计理论
青岛大学物理科学学院
对称膜系(PQP)的讨论
第３章光学薄膜的设计理论
青岛大学物理科学学院
对称膜系(PQP)的讨论
第３章光学薄膜的设计理论
青岛大学物理科学学院
周期性对称膜系
基本上任一层薄膜的作用都可看作是改变等效界面的导纳，从而改变了薄膜系统的光学特性；
因此，如能形象的表示出等效导纳变化轨迹，将有助于直观的分析薄膜系统的特性及其变化，这就是所谓的导纳轨迹图解技术；
2.1.３单一界面反射率与透射率
青岛大学物理科学学院
第３章光学薄膜的设计理论
青岛大学物理科学学院
第３章光学薄膜的设计理论
单层膜的特征矩阵
由公式：
k

E
a

cos 1
H a i 1 sin 1
i sin

1

1

k

E
b

cos 1 H b
T=1: sin2θ=0, R1=R2 T极小值：则sin2θ=１

膜系设计软件TFC的中文说明介绍模板之欧阳物创编

欧阳物创编 2021.02.07TFCalc薄膜设计软件功能强大★TFCalc是一个光学薄膜设计和分析的通用工具，这里有按顺序排列介绍了TFC的功能：吸收、有效镀膜、角度匹配、双锥形的穿透、黑体光源、色彩优化、约束、继续优化目标、派生目标、探测器、散射公式、电场强度、同等折射率、同等堆叠、获得材质、全局优化、组优化、发光体、膜层敏感性、局部优化、多重环境、针优化、光学监控、光学密度、相位移动、psi、发光分布、折射率的确定、反射、敏感度分析、堆叠公式、综合、穿透率、隧道效应、可变材料。

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例如，TFCalc 允许活动材料-材料的折射率随着外部影响而改变。

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★运行System 7 或更新版本的苹果电脑。

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TFCalc3.80功能概要TFCalc 是一款具有多种强大功能的软件。

这个概要并没有列出它的所有功能。

要想了解TFCalc 的所有功能，可以阅读TFCalc 用户手册。

另外一种学习TFCalc 软件的方法就是使用它的演示版本。

薄膜★基层的两侧可以达到5000层★膜层可以手动的添加，也可以使用堆叠公式自动创建，例如（HL）^5 1.2(HL)^5★膜层可以具有可变的折射率★膜层可以是两种材料的混合体★膜层的厚度可以用物理的或波长的四分之一作为厚度输入值★膜层的厚度可以被束缚★厚度可以根据角度值做调整★一个膜层可以被等效膜层的（HLH）或者（LHL）的堆叠所代替★膜层可以成组的对称保存或者按顺序移动★折痕的镀膜也可以模拟★膜层可以由活动性和增益性材料组成分析★计算反射、穿透、吸收、光学密度、损耗、相位改变、psi、组延迟（GD）、组延迟散射（GDD）、TOD 和电场强度★计算反射或穿透颜色（CIE 和LAB）★计算连续膜层的等价折射率（Herpin）★计算反射、投射、吸收、光学密度、损耗、相位改变和正常生产中的公差（厚度和折射率）的敏感度★计算膜层的敏感度★计算反射，穿透、吸收、密度和用户自定义的损耗平均锥角（也叫做biconical）★交互式的分析可以用来决定影响表现的参数的改变★使用交互式的功能可以创造生动的结果★生产分析可以让用户决定一个膜层的生产★Muller 或Abeles相位改变的定义都可以选定★模拟光的监控器的输出优化★三个局部方法：可变的公制、梯度和单一的★全局搜索可以用来找到最佳的镀膜设计★针优化（带有隧道效应的）用来针对综合的非寻常设计★厚度和折射率都可以设为变量★膜层的厚度可以在优化过程中被束缚★背离和折射率的轮廓可以在优化过程中显示出来★灵活的评价函数★同时地优化前后层★优化组因子★敏感度也可以被优化★零厚度的层看可以能在优化过程中自动地移出★可以输入照明和探测功能，这样对于膜层在特定环境下的优化成为可能★产品的R*T 能够被优化★膜层两侧的表现都可以被优化★锥角平均值可以被优化★极端快速量可以被优化（GD、GDD、TOD）★使用原型方法自动设计带通滤波器优化目标★优化目标可以为反射、穿透、吸收、密度、颜色、照明、相位移动、组延迟、组延迟散射、TOD 和任意波长、偏振以及角度的psi★目标可以是不连续的（单一波长）、连续的（一段波长）或者锥角平均（对于锥形角）★这些量的第一、第一和第三派生都可以作为变量★目标可以手动的、一般情况是自动的或者从文件读取★一般情况下目标是波长、波数或者对数的形式★目标值可以是不等的★最多可以设定5000个目标★针对多种环境的目标★等波纹的目标★目标值可以用dB的形式输入结果★结果可以用数字和图片的方式显示★所有的表格和图片都可以打印★结果可以保存到文件中，让其他程序使用★结果可以灵活的保存★五个膜系设计的结果可以同时显示在一张图片中★两个结果，例如反射和投射可以同时在一张图片中涵盖★屏幕上有一个指针，用户可以利用它在图片上读出数值★对于随机的结果可以计算出统计值光学数据★材料、基质、光源、探测器和辐射文件的数值没有限制★折射率可以用表格或散射公式的形式输入★对于基质，内部穿透率可以读出★使用填写功能（interpolation）可以增加丢失的N 或K 数值★折射率可以从频谱或椭圆偏振光中计算出★材料和基质数据可以产生吸收和散射★一个膜层的反射和投射可以保存为一个发光体★每个文件都可以保存注释★数据可以从文本文件中读取★可以建立黑体发光体★数据文件可以保存为苹果电脑和IBM-PC的兼容格式镀膜文件★包含膜层、目标、注释、可变材料等等的所有信息★方便的将一个膜层的部分复制到其它文件中★镀膜文件兼容苹果电脑和IBM-PC精确而快速★所有的计算都是16位浮点算法★在优化过程中，TFCalc可以计算50万层/接近计算机的最好水平用户界面★容易使用，标准Windows 或苹果用户界面★和Windows 一样的菜单、对话框、表格★非常容易编辑和重新计算TFCalc 3.80的更新重要的新功能★交互式的分析★灵活的保存★生产分析★极限快速表现计算★分析参数的交互式设定★等效膜层的散射★敏感度分析：各折射率独立变化★带锥角的敏感度分析★极限快速量的优化★锥角目标优化★带通滤波器的自动设计★材料的混合★结构参数存储在每一个设计中有很多升级在本文档中没有提及，这里提到的更新只是针对Windows版本的；除了以下bug被修正外，苹果电脑版本没有其它改变。

光学薄膜及制备教程

当膜层的光学厚度为中心波长的四分之一时，则两个复振幅反射率的矢量方向完全相反，合矢量的模最小，此时有
r r1 r2
若要出现零反射的情况，要求
r1 r2
即，
n0 n1 n1 n2 n0 n1 n1 n2
化简得
n1
n0 n2
因此，理想的单层减反膜的条件是：膜层的光学厚度为1/4波长其折射率为入射介质和基片介质折射率乘积的平方根。
2.2 介质反射膜
介质反射膜特点：反射率高性能稳定不易受损伤对入射角敏感带宽窄
介质反射膜应用场合：多元件复杂光学系统激光谐振腔高功率激光不要求宽带的场合

介质反射膜的结构是在折射率为ns基片上镀制光学厚度为 λ0/4的高折射率（n1）膜层，由于空气/膜层和膜层/基片界面的反射光同相位，是反射率大大增加。该中心波长λ0的光垂直入射时的反射率为
1.2.3 多层减反膜
常用的三层减反膜是“λ/4-λ/2-λ/4”膜系。对于中心波长来说，λ0/2光学厚度的膜层为“虚设层”，对反射率没有影响，与“λ/4-λ/4”的双层减反膜效果相同。但是λ/2膜层对其他波长有影响，选择适当的折射率值，可以使反射特性曲线变得平坦。
2.高反膜
高反膜的作用：增加介质间界面反射，减少损耗。应用：光学仪器、激光器等
金膜
红外区高反射率（~95%）
强度和稳定性比银膜好
与玻璃基片的附着性差，常用铬膜作为衬底层不能擦洗
由于多数金属膜较软，容易损坏，常常在金属膜外面加一层保护膜。这样既能改进强度，又能保护金属膜不受大气的侵蚀。对于光学仪器中的反射镜，单纯金属膜的特性已能够满足常用要求。但是某些场合，如多光束干涉仪、高质量激光器的反射膜等，由于金属膜的吸收损失较大，故应采用地吸收、高反射率的介质高反射膜。

光学膜系的最优化设计及其算法

陬ｅ，§×Ｈｔ｛瓦ｊ，ｌ麒；Ｈ，同时利用式（２－９），我们可以得到§×Ｈｔ—ＮＥ（２—１２）式（２一ｌＯ）－每（２一ｉｌ）孛，§』（ｊ一茗，ｙ，ｚ）为，坐标辘方淘主静攀谴矢爨，南与茸，分羽为波矢方向罄位矢量§与磁场强度矢量Ｈ在Ｊ轴方向上的分量。

间理，可以得到ⅣＧ×Ｅ）－Ｈ（２－１３）式（２－１２）与（２－１３）称为光学导纳方程，在计算光学膜系的光学往质狠有用处［１蜘。

２。

｛。

３先波在介蒺券西主静菠菇等辑射在光学骧系孛葸存农若手余震爨甏，膜蓉豹光举蛙鬟每毙波在务会矮葵嚣上的反射和折射规律有关。

现考虑光波自复折射率为＾『０的介质入射到该介质与男一介质（复折射率为Ⅳ１）的界面时的反射和折射过程。

酋先讨论光波豢直入射于界面的情形。

ｊ琏：时，光波的传播方向§垂喜于界筒，两电场强度矢量Ｅ与磁场强度矢量珏臻乎嚣予截瑟；在Ｎｏ分震中霄歪巍雩亍波（壤，Ｈ：）与反向行波（Ｅｉ，Ｈ；），在Ⅳｌ介质中仅有征向行波（联，Ｈ；），如图２－１所永。

根据静纳方程（２－１３），有黼２－１正入射的光波在界爱反射与折射豕意墼ｌ》以免雎２．１．４光学薄膜的特征矩阵瑶考纛光波在一层簿貘中懿传撵逡疆。

鼗对，涉及蘩３季争不闲分覆露２令余震界面。

如图２－３所示，设光波自Ｎ。

介质入射到界颟Ｓ们上，在界面ｓ０１上反射与折射，透过界面Ｓ０１的光波在Ⅳ。

介质膜层（几何厚度为ｄ，）内传播，然后在界颟ｓ１２上反袈积掰菱砉，最后遴入密封赍蒺甄。

在入射介质Ⅳ。

内，电磁场Ｅ与Ｈ包括了正向杼波和反向行波，即Ｅ。

＝Ｅ：＋Ｅ３，Ｈ。

一Ｈ：＋Ｈ；。

在介质Ｎ，ｌａ，同样有正向行波与殿向行波。

记谯介质Ｍ内嚣接近奏瑟Ｓｏｌ豹忑行滚为嚣§与珏毳，接主葭赛瑟Ｓｏｌ的爱荦亍波为Ｅ晶与飘磊；接近器鬣ｓ１２的正行波为Ｅ矗与Ｈ之·接近界面￥１２的反行波为Ｅ而与Ｈ五。

在Ｈ｛射介质Ⅳ２内，仅有正行波，即＆－Ｅ；，珏：＝Ｈ：。

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
/

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

赵存华现代光学设计实例

赵存华现代光学设计实例
1. 高分辨率显微镜设计，赵存华在显微镜设计方面做出了重要
贡献。

他提出了一种基于全息光学原理的高分辨率显微镜设计方法，通过使用特殊的光学元件和优化的光路设计，实现了超高分辨率的
显微观测效果。

2. 光学成像系统设计，赵存华在光学成像系统设计方面也有很
多研究成果。

他研究了光学成像系统中的畸变、像差等问题，并提
出了一些优化方法，使得成像系统的质量得到了显著提高。

他的设
计方法被广泛应用于高清晰度摄像机、望远镜等光学成像设备中。

3. 光学器件设计，赵存华还在光学器件设计方面做出了一些重
要工作。

他设计了一种高效的光学透镜，使得光学器件的传输效率
得到了大幅度提升。

他的设计方法不仅在光学通信领域有广泛应用，还在光学传感器、激光器等领域发挥了重要作用。

4. 光学薄膜设计，赵存华在光学薄膜设计方面也有一些研究成果。

他研究了光学薄膜的反射、透射等特性，并提出了一种优化设
计方法，使得光学薄膜的光学性能得到了提升。

他的设计方法被应
用于光学镀膜、光学滤波器等领域。

总而言之，赵存华在现代光学设计领域做出了许多重要的贡献。

他的研究成果不仅在学术界产生了广泛影响，也在实际应用中得到
了广泛应用。

他的设计方法和理论成果为光学设备的性能提升和技
术进步做出了重要贡献。

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。