光学薄膜系统设计9
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.87 1.96 2.22 3.98 虚数-截止区 0.52 0.94 1.07 1.12 虚设
G (0.5HL0.5H)10 A
G (0.5LH0.5L)10 A
以nH=2.3，nL=1.38为例
对于基本周期 (
H H L ) 2 2 ，在长波侧
等效折射率 ne nH nL 1.78 ，在 玻璃基片上可以产生一个良好的长 波通截止滤光片。
由于单层膜只有一个零反射点，故常用多层膜或相同 的基本周期匹配。
b
a
添加匹配膜层的长波通干涉截止滤光片光谱特性， (a)
1.0 (0.5HL 0.5H)15 1.52
nH=2.3，nL=1.56
(b)
1.0 (0.5HL 0.5H)12 0.95(0.5HL 0.5H) 3 1.52
UV-Cut
§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。
2）种类：
长波通滤光片：让比某波长长的光束通过而滤掉比那波 长短的光束。 短波通滤光片：让比某波长短的光束通过而滤掉比那波 长长的光束。 带通滤光片：让某窄区段的波长光束通过而滤掉此区以 外的光束。
L L For( H ),2 L H 2 2 E
2 2 (n H n L ) 2 nL nH n [ cos ] 2n H n L 2n H n L 2 2 (n H n L ) 2 nL nH cos 2n H n L 2n H n L 2 L
L HLHL 2
干涉截止滤光片的基本膜系是周期性多层膜系(LH)s。实际使 用时往往将该膜系的两侧各加一/8膜层，即两种可能结构:
H H L L LHLHLH ...LHL , 或 HLHLH ...LH , 可统称为 2 2 2 2 （0.5pq0.5p）周期性膜系,即
H LHLH 2
H H H s L ( L ) 2 2 2
S S i S S p q p q g p q p B 1 q p C 2 S S S S p q i p q p g q p q p
短波通滤光片的典型特性
长波通滤光片的典型特性
滤光片的特性通常由下 列参数确定： （1）透射曲线开始上升（或下降） 时的波长，以及此曲线上升（或下 降）的许可斜率。定义截止陡度：
80% 5% S 100 15%
过渡区中透射率为50％时对应 的波长常被称为截止波长λc
（2）高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此 透射带内许可的最小透射率。 （3）反射带（或称抑制带）的光谱宽度以及在此范 围内所许可的最大透射率。
§2.5 带通滤光片
带通滤光片：在一定的波段内，只有中间一小段是高透过 率的通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。 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。
压缩波纹的方法
0－ g R1 + 0 g
0－E2 g , R2 + E2 g 0
2
2
选取适当的对称膜系，使得在透射带内的等效折射率等于
基质的折射率即使R1=R2。本质是选膜层材料，要求基片表
面的反射损耗要小，但对于不同的基底不一定有合适的膜 层材料。 1) 改变基本周期的膜层厚度，使等效折射率更接近于预期 值。同样要求基片折射率要低，反射损耗小。这种方法可
L HLHL 2
L L L s H ( H ) 2 2 2
s
这两种膜系的反射特性与 LH 相同。
膜系(LH)s与(0.5HL0.5H)s或(0.5LH0.5L)s：
相同的反射带和透射带分布，相同的高反射带宽。
良好长波通滤光片的膜系为：
H LHLH 2
H H H s L ( L ) 2 2 2
cos S 1, sin S 0, and E 0 or
视具体膜系组合而定
计算截止带中心的透过率（了解）
在截止带中心，膜层 可表示为：
p p p p qpqpq qpqpq q 2 2 2 2
s
根据4膜厚和2膜厚的特征矩阵，总膜系的特征矩阵为：
1 2 i p 2 0 i 2 1 2 p iq
i q 0 i 0 p
i p 0 ... 0 i q
i q 0 i 0 p
i p 1 2 i p 2 0 i 2 1 2 p
在整个透射带，透过率在两个极值之间振荡：
0－ g R1 + 0 g
2
膜厚 4 的偶数倍， 膜层变为虚设层
0－E g R2 + E2 0 g
2
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。
对于基本周期
(
L L H ) ，在短波侧 2 2
等效折射率 ne nH nL 1.78 ，在 玻璃基片上可以产生一个良好的短 图 15层长波通滤光片和一个15 层短波通滤光片
波通截止滤光片。
透射带的波纹问题
在整个透射带可等效成一个具有确定的折射率 E和相位厚度
的单层膜。
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。
膜层特性介绍 干涉截止滤光片的基本膜系类型也是 周期性多层膜系 (LH)s。这类膜系的基本特征是一连串的高反带间隔以一
连串的高透带。
高反
短波通
长波通
所以，这类膜系： 1 ）并不能实现以某一波长为界，一侧高透，另一侧高反 （没有任何膜系能实现）。只是在某一有限的波段，实现 以某一波长为界实现一侧高透，另一侧高反。 2 ）即使是同一种周期性的膜堆 (LH)s ，也是既可以做短波 通滤光片，也可以做长波通滤光片。 3）高反镜、分束镜都是利用它的反射带，而滤光片是既用
抑制高级次高反射带能实现通带的展宽。
截止滤光片的斜入射
S，p光谱曲线分离
平板分色镜的偏振效应
胶合立方棱镜的偏振效应
胶合立方棱镜的偏振效应比平板型严重得多？
截止波长和截止带中心的透过率(了解)
对周期性膜系(0.5LH0.5L)S或(0.5HL0.5H)S，由等效界面理论 求特征矩阵
M 11 M 12 M 21 M 22
IR-Cut
UV-Cut和IR-Cut
截止带的展宽:可以采用把两个或数个截止滤光片的截 止带拼接起来达到展宽截止的目的
1
2
冷光镜的光谱特性
通带的展宽:以λ/4膜堆为主体的长波通干涉截止滤光片， 其长波通带一直延伸至膜料和基片的吸收限，通带宽带是 足够的。但是对于短波通干涉截止滤光片来说，由于其存 在高级次的截止区，所以它的通带宽度是有限的。
For(
H H L ),2 H L 2 2
2 2 (n H n L ) 2 nH nL n [ cos ] 2n H n L 2n H n L 2 2 (n H n L ) 2 nH nL cos 2n H n L 2n H n L 2 H
E
良好短波通滤光片的膜系为：
码像机、CCD成像 扰，提高光学质量。
电视系统、数字投影仪器数
探测系统。用于抑制红外光热辐射的干
典型的反热镜技术指标：
近红外反射大于95%（典型值97%） 可见光透射大于90%（典型值93%） 冷光镜：反射可见光，透过近红外，属于长波通滤光片。 用于太阳能电池滤紫外（免受紫外辐射） CCD摄像系统的红外介质滤光片：隔离红外噪声，改善图 像的信噪比，提高成像质量。
关注点：透射光的色中性、色平衡。
制作（构成）：吸热玻璃镀膜。 吸热玻璃 : 硅酸盐吸热玻璃、磷酸盐吸热玻璃、光致变色
玻璃等。
介质膜系：光学性能好，但膜层多、工艺复杂，不实用。 金属膜：膜层大大减少。TiO2|Ag|TiO2导电反射膜。
金属氧化膜薄膜：銦锡氧化物薄膜（ITO）。
应用：精密光学系统，如背投
出适当的结论。
4）应用
彩色分光膜：将一束光分为不同颜色的几个部分。
T
T
T
1) 关键：减少偏振效应。
两种彩色分光系统
2) 方法：减小入射角(<22.5)。
应用：彩色电视、彩色印刷、彩色打印（复印）等。
反热镜和冷光镜
反热镜又称反红外滤光片 : 透过可见光，
滤去红外辐射，消除热效应。属短波通
滤光片。截止波长在0.7m附近。
可见光可以，红外区损耗大。
2) 在多层膜的每一侧加镀匹配层（/4层），使它与基质以 及入射介质匹配。插入层相当于多层膜界面的减反膜。
1 0 E , 3 g E
基本思想：
G / 匹配层 (
H H S L ) 匹配层 / A 2 2
n0
E'
E
E"
ng
E ' n0 E
E " ng E
它的反射带，又用它的透射带。
干涉滤光片既要关心它的反射特性，又要注意它的透射特性。
通带中存在有明显的波纹，当波纹较大时会严重地损害透射带 的性能，可以修正膜系以压缩或消除这些波纹。如果λ/4膜堆 L ) 或 ( ) 层，不会大幅改变膜系的性能，这样 的两侧各加一个( H 2 2 可把标准的λ/4膜堆转化为一个标准的对称周期结构。
法布里－珀珞滤光片的特性
间隔层 反射膜 间隔环 平板
ta
入射光方向
j0
S 足够大，有
T
H L
S
L H
S
H L
2S
16 0 g
0
g
2
0 g p p
2
设计截止滤光片的步骤: 1) 根据要求，决定选什么膜系结构； 2) 选择膜层材料； 3) 计算截止波长、截止带宽、通带； 4) 计算通带的透过率以及截止和过渡特性； 5) 检验这些参数是否满足要求，并且进一部修改设计或得
等效导纳
g(λ0/λ) E
(H:2.35, L:1.45)
0.5L H 0.5L
E
0.5H L 0.5H
0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
1.84
1.82 1.73 1.53 0.85 虚数-截止区 6.46 3.60 3.17 3.03 虚设
1.84
S
B M 11 M 21 1 C M M 12 22 g
S
其透过率公式为
T
0 B C 0 B C *
40 g
计算截止波长处透过率的关键：怎么从特征矩阵出发确定截 止波长？也就是说在截止波长处的特征矩阵有什么特征？
L L L s H ( H ) 2 2 2
运用对称周ຫໍສະໝຸດ Baidu结构等效折射率理论可以分析膜系透射带的特性。 对称周期结构等效为单层膜，这个等效的单层膜的折射率为等效 折射率，位相厚度为各个基本周期之和。
»长波通截止滤光片 (0.5H L 0.5H) s » 短波通截止滤光片 (0.5L H 0.5L) s
G (0.5HL0.5H)10 A
G (0.5LH0.5L)10 A
以nH=2.3，nL=1.38为例
对于基本周期 (
H H L ) 2 2 ，在长波侧
等效折射率 ne nH nL 1.78 ，在 玻璃基片上可以产生一个良好的长 波通截止滤光片。
由于单层膜只有一个零反射点，故常用多层膜或相同 的基本周期匹配。
b
a
添加匹配膜层的长波通干涉截止滤光片光谱特性， (a)
1.0 (0.5HL 0.5H)15 1.52
nH=2.3，nL=1.56
(b)
1.0 (0.5HL 0.5H)12 0.95(0.5HL 0.5H) 3 1.52
UV-Cut
§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。
2）种类：
长波通滤光片：让比某波长长的光束通过而滤掉比那波 长短的光束。 短波通滤光片：让比某波长短的光束通过而滤掉比那波 长长的光束。 带通滤光片：让某窄区段的波长光束通过而滤掉此区以 外的光束。
L L For( H ),2 L H 2 2 E
2 2 (n H n L ) 2 nL nH n [ cos ] 2n H n L 2n H n L 2 2 (n H n L ) 2 nL nH cos 2n H n L 2n H n L 2 L
L HLHL 2
干涉截止滤光片的基本膜系是周期性多层膜系(LH)s。实际使 用时往往将该膜系的两侧各加一/8膜层，即两种可能结构:
H H L L LHLHLH ...LHL , 或 HLHLH ...LH , 可统称为 2 2 2 2 （0.5pq0.5p）周期性膜系,即
H LHLH 2
H H H s L ( L ) 2 2 2
S S i S S p q p q g p q p B 1 q p C 2 S S S S p q i p q p g q p q p
短波通滤光片的典型特性
长波通滤光片的典型特性
滤光片的特性通常由下 列参数确定： （1）透射曲线开始上升（或下降） 时的波长，以及此曲线上升（或下 降）的许可斜率。定义截止陡度：
80% 5% S 100 15%
过渡区中透射率为50％时对应 的波长常被称为截止波长λc
（2）高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此 透射带内许可的最小透射率。 （3）反射带（或称抑制带）的光谱宽度以及在此范 围内所许可的最大透射率。
§2.5 带通滤光片
带通滤光片：在一定的波段内，只有中间一小段是高透过 率的通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。 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。
压缩波纹的方法
0－ g R1 + 0 g
0－E2 g , R2 + E2 g 0
2
2
选取适当的对称膜系，使得在透射带内的等效折射率等于
基质的折射率即使R1=R2。本质是选膜层材料，要求基片表
面的反射损耗要小，但对于不同的基底不一定有合适的膜 层材料。 1) 改变基本周期的膜层厚度，使等效折射率更接近于预期 值。同样要求基片折射率要低，反射损耗小。这种方法可
L HLHL 2
L L L s H ( H ) 2 2 2
s
这两种膜系的反射特性与 LH 相同。
膜系(LH)s与(0.5HL0.5H)s或(0.5LH0.5L)s：
相同的反射带和透射带分布，相同的高反射带宽。
良好长波通滤光片的膜系为：
H LHLH 2
H H H s L ( L ) 2 2 2
cos S 1, sin S 0, and E 0 or
视具体膜系组合而定
计算截止带中心的透过率（了解）
在截止带中心，膜层 可表示为：
p p p p qpqpq qpqpq q 2 2 2 2
s
根据4膜厚和2膜厚的特征矩阵，总膜系的特征矩阵为：
1 2 i p 2 0 i 2 1 2 p iq
i q 0 i 0 p
i p 0 ... 0 i q
i q 0 i 0 p
i p 1 2 i p 2 0 i 2 1 2 p
在整个透射带，透过率在两个极值之间振荡：
0－ g R1 + 0 g
2
膜厚 4 的偶数倍， 膜层变为虚设层
0－E g R2 + E2 0 g
2
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。
对于基本周期
(
L L H ) ，在短波侧 2 2
等效折射率 ne nH nL 1.78 ，在 玻璃基片上可以产生一个良好的短 图 15层长波通滤光片和一个15 层短波通滤光片
波通截止滤光片。
透射带的波纹问题
在整个透射带可等效成一个具有确定的折射率 E和相位厚度
的单层膜。
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。
膜层特性介绍 干涉截止滤光片的基本膜系类型也是 周期性多层膜系 (LH)s。这类膜系的基本特征是一连串的高反带间隔以一
连串的高透带。
高反
短波通
长波通
所以，这类膜系： 1 ）并不能实现以某一波长为界，一侧高透，另一侧高反 （没有任何膜系能实现）。只是在某一有限的波段，实现 以某一波长为界实现一侧高透，另一侧高反。 2 ）即使是同一种周期性的膜堆 (LH)s ，也是既可以做短波 通滤光片，也可以做长波通滤光片。 3）高反镜、分束镜都是利用它的反射带，而滤光片是既用
抑制高级次高反射带能实现通带的展宽。
截止滤光片的斜入射
S，p光谱曲线分离
平板分色镜的偏振效应
胶合立方棱镜的偏振效应
胶合立方棱镜的偏振效应比平板型严重得多？
截止波长和截止带中心的透过率(了解)
对周期性膜系(0.5LH0.5L)S或(0.5HL0.5H)S，由等效界面理论 求特征矩阵
M 11 M 12 M 21 M 22
IR-Cut
UV-Cut和IR-Cut
截止带的展宽:可以采用把两个或数个截止滤光片的截 止带拼接起来达到展宽截止的目的
1
2
冷光镜的光谱特性
通带的展宽:以λ/4膜堆为主体的长波通干涉截止滤光片， 其长波通带一直延伸至膜料和基片的吸收限，通带宽带是 足够的。但是对于短波通干涉截止滤光片来说，由于其存 在高级次的截止区，所以它的通带宽度是有限的。
For(
H H L ),2 H L 2 2
2 2 (n H n L ) 2 nH nL n [ cos ] 2n H n L 2n H n L 2 2 (n H n L ) 2 nH nL cos 2n H n L 2n H n L 2 H
E
良好短波通滤光片的膜系为：
码像机、CCD成像 扰，提高光学质量。
电视系统、数字投影仪器数
探测系统。用于抑制红外光热辐射的干
典型的反热镜技术指标：
近红外反射大于95%（典型值97%） 可见光透射大于90%（典型值93%） 冷光镜：反射可见光，透过近红外，属于长波通滤光片。 用于太阳能电池滤紫外（免受紫外辐射） CCD摄像系统的红外介质滤光片：隔离红外噪声，改善图 像的信噪比，提高成像质量。
关注点：透射光的色中性、色平衡。
制作（构成）：吸热玻璃镀膜。 吸热玻璃 : 硅酸盐吸热玻璃、磷酸盐吸热玻璃、光致变色
玻璃等。
介质膜系：光学性能好，但膜层多、工艺复杂，不实用。 金属膜：膜层大大减少。TiO2|Ag|TiO2导电反射膜。
金属氧化膜薄膜：銦锡氧化物薄膜（ITO）。
应用：精密光学系统，如背投
出适当的结论。
4）应用
彩色分光膜：将一束光分为不同颜色的几个部分。
T
T
T
1) 关键：减少偏振效应。
两种彩色分光系统
2) 方法：减小入射角(<22.5)。
应用：彩色电视、彩色印刷、彩色打印（复印）等。
反热镜和冷光镜
反热镜又称反红外滤光片 : 透过可见光，
滤去红外辐射，消除热效应。属短波通
滤光片。截止波长在0.7m附近。
可见光可以，红外区损耗大。
2) 在多层膜的每一侧加镀匹配层（/4层），使它与基质以 及入射介质匹配。插入层相当于多层膜界面的减反膜。
1 0 E , 3 g E
基本思想：
G / 匹配层 (
H H S L ) 匹配层 / A 2 2
n0
E'
E
E"
ng
E ' n0 E
E " ng E
它的反射带，又用它的透射带。
干涉滤光片既要关心它的反射特性，又要注意它的透射特性。
通带中存在有明显的波纹，当波纹较大时会严重地损害透射带 的性能，可以修正膜系以压缩或消除这些波纹。如果λ/4膜堆 L ) 或 ( ) 层，不会大幅改变膜系的性能，这样 的两侧各加一个( H 2 2 可把标准的λ/4膜堆转化为一个标准的对称周期结构。
法布里－珀珞滤光片的特性
间隔层 反射膜 间隔环 平板
ta
入射光方向
j0
S 足够大，有
T
H L
S
L H
S
H L
2S
16 0 g
0
g
2
0 g p p
2
设计截止滤光片的步骤: 1) 根据要求，决定选什么膜系结构； 2) 选择膜层材料； 3) 计算截止波长、截止带宽、通带； 4) 计算通带的透过率以及截止和过渡特性； 5) 检验这些参数是否满足要求，并且进一部修改设计或得
等效导纳
g(λ0/λ) E
(H:2.35, L:1.45)
0.5L H 0.5L
E
0.5H L 0.5H
0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
1.84
1.82 1.73 1.53 0.85 虚数-截止区 6.46 3.60 3.17 3.03 虚设
1.84
S
B M 11 M 21 1 C M M 12 22 g
S
其透过率公式为
T
0 B C 0 B C *
40 g
计算截止波长处透过率的关键：怎么从特征矩阵出发确定截 止波长？也就是说在截止波长处的特征矩阵有什么特征？
L L L s H ( H ) 2 2 2
运用对称周ຫໍສະໝຸດ Baidu结构等效折射率理论可以分析膜系透射带的特性。 对称周期结构等效为单层膜，这个等效的单层膜的折射率为等效 折射率，位相厚度为各个基本周期之和。
»长波通截止滤光片 (0.5H L 0.5H) s » 短波通截止滤光片 (0.5L H 0.5L) s