第2章 介质膜系及其应用

对 于 GM2HLA 膜 系 ，
F 尽可能小，而且尽量
R1 ＝ R2 。不过 R1 、 R2 只 有在少数几个分离的波 长上才能重合。
(4)当T0≠1，R min=1－T0 ,
R max=1－T0 /(1＋F)。
例题1 三层增透膜的结构参数为：求在参考波长处的 反射率和透过率。
第一步：以中间/2膜层为选定层，
膜系表示实例 G/MH/A G/M1.8H/A G/2MH/A G/M1.8HL/A G/M2HL/A 规整膜系 非规整膜系
规整膜系
非规整膜系 规整膜系
G/1.8MHL/A
非规整膜系
2.1 减反射膜（增透膜）
一、作用和应用背景 减反膜的作用：减少介质间界面反射。 一般情况下界面反射的危害： (1)引起光学系统的光能量损失; (2)加剧光学系统的杂散光干扰，加大系统噪声； (3)在高功率激光系统中，界面反射可能引起反激光，
单层减反膜和多层减反膜 1、单一界面反射率
光垂直入射一光学界面
n0
入射
反射
n1
界面
2
n0 n1 1 n1 R 2 n0 n1 1 n1
n0 n0
2 2
分析：n0、n1越接近，表面反射率就越低。 eg：对于从空气入射介质场合， n0 ＝1。 n1＝1.44~1.92, R=3.25~10%（在可见和近红外区）;
多层减反膜的设计 1 ）以 GM2HLA 膜系为初始膜系，将目标设计指标输
入膜系设计软件，将膜层厚度和折射率作为可调整的
变量，由计算软件自动给出优化设计； 简单，但经常无法满足要求。 2 ）以 GM2HLA 膜系为初始膜系，将目标设计指标输 入膜系设计软件，将膜层的折射率作为固定值而将膜 层的厚度作为可调整变量，同时允许计算机在三层结
2 f 2 f
2
分析：反射率为零的条件为
典型的单层减反膜的 R － 曲线呈 V 型， 存在一个谷底，在此波长处具有最小
反射率。
单层减反膜的讨论：
单层减反膜理论上只能在一个波长处实现零反射
率所以色中性差，即反射率的波长相关性强, 影响成
像系统的色平衡）；
实际上，满足 f 0s 条件的光学玻璃并不存在， 很难实现零反射，剩余反射率不理想(常用的薄膜最 低折射率材料氟化镁（1.38）)。
(2)反射率曲线呈W型。
结论 (1) 通过调节间隔层的厚度 (等价于调节等效相位厚 ) 调节反射率最小的波长位置； (2)改变第一层或第三层的厚度可以改变 R1和 R2对波长
曲线的水平相对位置(等价于调节等效相位厚1、2) ，
其结果是改变低反射光谱的宽度以及整个膜系的反射
率；
(3)利用不同的折射率 n1 、n3可改变R1和R2的相对大小。




1 1 2 , nH d 2 2
注：λ0中心波长， λ计算波长
1 1 0 对于 / 2膜层, nH d 0 / 2, 于是 2
分析
(1)=m时(m为整数) → sin = 0 →T=T max=T0 (2) R1＝R2时，T0＝1。 (3)如F<<1和T0＝1 → T＝在1~(1－F)之间。
损伤光学元件。
应用：为减少光能损耗，提高成像质量，照相机、电视机、
显微镜等等中的光学镜头都镀减反膜。为尽量减弱反激光， 高功率激光系统中的透射光学元件表面也镀减反膜。
减反膜的关键技术指标 透过率： 透过率越大越好，或者反射率越小越好。 色中性好： 膜系的透过率与波长的关系曲线比较平坦。
二、常见的减反膜的结构
0 Y 0 2 n R1 0 Y 0 2 n
2 2
2
2 1 2 1
2
2.05 1.88 0.0707 2 2.05 1.88
同样下等效界面的等效反射率R2为
s Y s2 n R2 s Y s2 n
2 2 3 2 3 2
求上等效界面的等效反射率R1： 折射率为n1 的/4膜层的特征矩阵
cos1 i sin 1 / n1 0 i / n1 in sin cos1 in1 0 1 1 B 0 i / n1 1 in2 / n1 C in 0 n2 in1 1 Y C / B n12 / n2
在红外区域（硅和锗基底）, R>31%
2、单层减反射膜 在入射界面上镀一层低折射率（ n0 <nf < ns ）的膜层减少反射率。
0 Y R 0 Y
2
入射
反射
n0 ns
界面
Y n2 ( / 4波长膜厚) f / ns ,
0s R 0s
f 0s
单层减反射膜 G/L/A 1.52/1.38/1
GLA变成GHLA 可以实现零反射，但不能克服色中性差的缺陷; R－ 曲线呈 V型，通带越来越窄（和单层膜比较 ), 适 用与工作波段较窄的场合.
2) /2 ~/4膜堆
n0 λ/4 n1 /4膜层
n0
入射
反射
λ/2
n2
/2膜层 ns
入射
反射 n0 r1, R1, Y1 nH
/4膜层, nL /2膜层, nH /4膜层,nM
等效界面1 /2膜层 等效界面2
r2, R2, Y2 ns 基质
处理方法
选定中间层，外层膜与入射介质及内层膜与基底等效 为两个界面; 其振幅反射系数和反射率分别为r1,r2及R1，R2
4 R1R2 T0 (1 R1 )(1 R2 ) T , T0 ，F 2 2 1 F sin 1 R1R2 1 R1R2
第2章 介质膜系及其应用
教学内容
减反膜 高反膜 中性分束膜 作用
教学目的和要求
了解常用膜系的
应用背景、掌握 其光学特性、结 构特点及其设计 的基本知识，为
截止滤光片
带通滤光片 偏振分束膜 消偏振膜
应用背景
设计基础
结构特点
以后发展打下基
础。
补充：光学膜系基本知识
膜系分类 规整膜系： 各层膜的光学厚度为设计波长四分之一的整数倍。 非规整膜系： 有一层薄膜的光学厚度不是设计波长的四分之一整 数倍。 设计波长（参考波长、中心波长）
二个独立方程五个参数（三个膜层厚度+两个材料折 射率） 一般处理方式为 1）先选材料，即膜层折射率nA、nB； 2）根据方程求出膜层厚度。
宽带减反膜的设计步骤：
1）优化出一个可以达到目标的最少膜层的/4膜系
结构；
2）用三层对称膜系合成折射率不易实现的膜层；
3）再次优化膜层厚度，以补偿合成所带来的特性

1.52 2.05 1.71 1.52 2.05 1.712
2 2
0.0010
第二步：求以上下两表面反射率分 别为R1、R2的/2膜层等价透过率：
T0
(1 R1 )(1 R2 )
1
R1 R2

2

1
(1 0.0707)(1 0.001) 0.0707 0.001
3、双层减反射膜
为改善单层减反膜的不足：色中性差以及很难实现零
反射，提出双层减反膜的设计。具体结构有: 2 2 2 1）双层/4膜堆 1 3 k 2 2 4 S k为奇数 2 2） /2 ~/4膜堆 Y 2 2 3 S 1 k为偶数 2 2 2 2 4 k 1) 双层/4膜堆
G/HL/A 1.52/1.7,1.38/1
G/2HL/A
两种膜系比较 (1)在参考波长处反射率较双层/4膜堆高
(2)该波长两侧R－曲线较平坦，色中性较好
4、多层减反射膜 双层减反膜缺点： (1)能提高参考波长处的反射率但色中性差(双层/4膜堆) (2)改善膜系的色中性但无法改善膜系中心波长反射率。
cos A i sin A / nA cos B i sin B / nB cos A i sin A / nA in sin in sin in sin cos cos cos A A A B B B A A A cos e i sin e / ne ine sin e cos e
构无法满足要求时增加膜层数（替代层），直至满足
要求为止。 可能会出现层数很多，膜层很薄的现象。
常用替代层：三层对称ABA结构
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。
膜层特征矩阵等效
下降。
高折射率基底的减反膜红外光谱区
常用红外基底材料：硅（n=3.5）、锗（n=4.0）、碲化铅（n= 5.5）、砷化镓（n=3.3）、砷化铟、锑化铟等。 常用增透膜材料：一氧化硅（ 8m及红外第一和第二大气窗
口3~5和8~14 m）；硫化锌（2~16 m ）；以及氧化钇、氧化
钪等。
红外减反膜设计规则遥减法 1）所用膜层厚度均为/4膜厚； 2）规定各膜层折射率从基底材料折射 率开始逐渐递减排列；

2
T0 T0 T T0 0.99745 2 1 F sin 1 F 0 R 1 T 1 T0 2.55 103%
R(%)
3.0 2.0 1.0 R R1 R2 0.7 பைடு நூலகம்.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
g(0/)
注意 当波长偏离参考波长时，R1和R2的值发生变化； 如图所示R1和R2与波长的曲线无交点。 整个膜系透过率T曲线呈V型。
入射
反射
0s 单层膜：R 0s
2 f 2 f
2
， 0 s＝ 2 f
n0
2 H 2 H 2 2 2 ， L /H ＝0 / s
0 / 双层膜：R 0 /
2 L s 2 L s
界面
ns
G/L/A 1.52/1.38/1
G/HL/A 1.52/1.7,1.38/1
膜系表示方法 一般可以表示为： G/xMyHzL/A S/xMyHzL/A 其中： G代表基底，也可以用S表示基底 H（L、M）代表高（低、中）折射率膜层 A代表入射介质（一般为空气） x、y、z表示各层膜厚度为λ/4的倍数 备注：当x、y、z全为整数时则为规整膜系 当x、y、z之一为非整数时则为非规整膜系
如果n3的折射率变为1.62, 其它不变, 则在参考波长
处R1值不变, R2值变为0.00733。
R(%) 3.0 2.0 1.0 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 R1 R2 R 1.3
分析
g(0/)
(1)在参考波长两侧各出现一处 R1＝ R2，整个膜系在 该两处反射率为0，透过率最大（100%）。
求其上下两个表面的等效反射率。
n1 1.88, / 4 n2 2.05, / 2 n3 1.71, / 4 ns 1.52
上等效界面：空气+/4膜层(n1)组成， /2膜层 (n2) 相 当于基底 下等效界面：基底+/4膜层(n3)组成， /2膜层 (n2) 相 当于基底
(/2~/4膜堆)多层减反膜系 多层减反膜系结构 目前大多采用的三层膜结构为 GM2HLA，更多层的
膜系大多是以此为雏形发展而来的。
GM2HLA 母膜系特性
入射 反射
/4膜层, nL /2膜层, nH /4膜层,nM
n0
ns 基质
组成: 基质折射率ns，中等折射率nM 的/4 膜层，高折射率nH 的/2膜层, 折射率 nL的/4膜层，空气折射率n0
基质
基板 ns
G2HLA 膜系：基质 /2膜层 /4膜层空气 膜系反射率为
0 s R 0 s
2 L 2 L
2
0 s R 0 s
膜系特点：
2 L 2 L
2
1）反射率在参考波长处与/2膜层光学参数无关，等 价与一单层减反膜系； 2） R－曲线呈W型，/2膜层在偏离参考波长处影 响膜系的反射率，在参考波长两侧可望得到反射率的 极小值。