薄膜光学技术_第02章 06+07 偏振分光膜和消偏振薄膜
光学零件薄膜的分类方法
光学零件薄膜的分类方法光学零件薄膜是光学器件中重要的组成部分，广泛应用于光学仪器、光电子器件、光通信等领域。
根据其性质和功能的不同，光学零件薄膜可以分为多种类型，下面将从不同的角度对光学零件薄膜进行分类。
一、按照光学性质分类1. 反射膜：反射膜是将光线反射的薄膜，常用于镜片、反射镜等光学器件中。
其主要作用是将光线反射到特定的方向，具有高反射率和低散射率的特点。
2. 透射膜：透射膜是将光线透过的薄膜，常用于滤光器、透镜、光学滤光器等器件中。
透射膜可以根据需要实现特定波长的透射或滤波功能，具有高透射率和低反射率的特点。
3. 偏振膜：偏振膜是具有选择性透射或反射特定偏振方向光线的薄膜，常用于偏振片、偏振镜等器件中。
偏振膜可以将自然光中的非偏振光转化为偏振光，或者将特定偏振方向的光线滤除，具有良好的偏振效果。
二、按照薄膜材料分类1. 金属膜：金属膜是利用金属材料制备的薄膜，常用的金属包括铝、银、镀金等。
金属膜具有良好的导电性和反射性能，广泛应用于反射镜、反射板等光学器件中。
2. 介质膜：介质膜是利用非金属材料制备的薄膜，常用的材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝等。
介质膜具有良好的光学性能和机械性能，广泛应用于滤光器、透镜、偏振片等光学器件中。
三、按照功能分类1. 抗反射膜：抗反射膜是通过在薄膜表面形成一层或多层特殊结构来减少反射，提高透射率的薄膜。
抗反射膜广泛应用于光学镜片、太阳能电池板等器件中，可以减少光的损失，提高光能利用效率。
2. 增透膜：增透膜是通过在薄膜表面形成一层或多层特殊结构来增加透射，提高透射率的薄膜。
增透膜广泛应用于透镜、显示屏等器件中，可以增强透射光的亮度和清晰度。
3. 分光膜：分光膜是将入射光按照不同波长进行分离的薄膜，常用于光谱仪、分光计等光学仪器中。
分光膜可以根据需要将入射光分为不同的波长，实现光谱分析和光学测量。
四、按照制备方法分类1. 蒸发膜：蒸发膜是利用蒸发技术将材料蒸发沉积在基底上形成的薄膜。
光学薄膜技术第二章
光学薄膜技术第二章典型膜系介绍根据英作用可以将光学薄膜的类型简单的分为：1、 减反射膜或者叫增透膜2、 分束膜3、 反射膜4、 滤光片5、 苴她特殊应用的薄膜一、减反射膜（增透膜）在众多的光学系统中，一个相当重要的组成部分就是镜片上能降低反射的镀膜。
在很多应用领域中，增透 膜就是不可缺少的，否则，无法达到应用的要求。
就拿一个由18块透镜组成的35mm 的自动变焦的照相 机来说，假左每个玻璃与空气的界而有4%的反射，没有增透的镜头光透过率为23%,镀有一层膜（剩余的反射 为1、3%）的镜头光透过率为62、4%,镀多层膜（剩余的反射为0、5%）的为83、5%0大功率激光系统要求某些元件有极低的表而反射，以避免敏感元件受到不需要的反射光的破坏。
此外，宽 带增透膜可以提髙象质量、色平衡与作用距离,而使系统的全部性能增强。
当光线从折射率为n0的介质射入折射率为nl 的另一介质时，在两介质的分界而上就会产生光的反射, 如果介质没有吸收，分界而就是一光学表而,光线又就是垂直入射，则反射率R 为：R =巴二勺 透射率r = i- 帆+厲丿例，折射率为1、52的冕牌玻璃,每个表面的反射约为4、2強，折射率较髙的火仃玻璃表而的反射更为显著。
这种表而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，最后也达到像平而，使像的衬度降低，分辨率下 降，从而影响光学系统的成像质量。
减反射膜，又称增透膜，它的主要功能就是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表而的反射光，从而增加 这些元件的透光量,减少或消除系统的杂散光」最简单的增透膜就是单层膜，它就是镀在光学零件光学表而上的一层 率较低的介于空气折射率与光学元件折射率之间的薄膜。
以使某些颜色的 光在表而上的反射干涉相消，增加透射。
使用最普遍的介质膜材料为氟化镁, 折射率为1、38。
减反射膜可由简单的单层膜至二十层以上的多层膜系构成，单层膜能使某一波长的反射率实际为零，多 层膜则在某一波段具有实际为零的反射率。
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，第一章是薄膜光学特性计算基础，第二章介绍介质膜系及其应用，第三章介绍薄膜制造技术，第四章介绍光学薄膜制造工艺，第五章介绍薄膜材料及其性质，第六章介绍光学薄膜特性测试与分析。
课程目录第一章薄膜光学特性计算基础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及其应用2.1减反射膜2.2高反射膜2.3中性分束膜2.4截止滤光片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制造工艺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获得精确厚度的方法4.4获得均匀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.卢进军，刘卫国。
《光学薄膜技术》，西北工业大学出版社，2005.10;2.卢进军。
《光学薄膜技术》，电子工业出版社,2011.7;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,2007.3。
薄膜光学
G (1.5 L 0.5 H )
4
A
G (LH )
4
A
（4）通带的展宽与压缩
B）通带展宽 当基本周期为 （H, L)，则α1＝1，α2 ＝ 1 时，反射带间隔最大。若需要更大的 反射间隔，须采用多层膜，以 ABCBA 为
例。
C） 截止带的展宽
（1）吸收型元件与干涉型元件进行非相干叠加； （2）两个或多个干涉截止滤光片截止带衔接起来。
薄膜光学
学 院：航天学院 专 业：光学工程 授课教师：王 治 乐 联系方式：86414807-732
wangzhile@
薄膜光学授课提纲
§1 引言 §2 数理基础 §3 光学薄膜的特性计算 §4 光学薄膜的普遍定理 §5 光学薄膜设计方法 §6 减反射膜（增透膜） §7 反射膜的分析与设计 §8 分光膜分析与设计 §9 滤光片的分析与设计 §10 薄膜的应用
薄膜光学授课提纲
§1 引言 §2 数理基础 §3 光学薄膜的特性计算 §4 光学薄膜的普遍定理 §5 光学薄膜设计方法 §6 减反射膜（增透膜） §7 反射膜的分析与设计 §8 分光膜分析与设计 §9 滤光片的分析与设计 §10 薄膜的应用
§9 滤光片的分析与设计
9.1 基本概念
定义： 根据波长不同而进行分光的光学元件—滤光片 分类：
T%
100
50
0
0.1
0.4
0.7
1.0
2.0
3.0
（5）截止滤光片的应用
（1）彩色分光膜 （2）反热镜与冷光镜 （3）倾斜使用 a）截止带向短波移动 b）存在偏振效应
9.3 带通滤光片 （1）基本概念
a）定义：光谱特性曲线的透射带两侧邻接截 止区的滤光片叫带通滤光片。 b）分类 根据光谱特性： 窄带滤光片 宽带滤光片 根据构成： 介质干涉滤光片 金属滤光片 （金属＋介质层组成）
光学薄膜技术-前言
光 学 薄 膜 技 术——前言
光学薄膜的应用
光学薄膜在光学系统中的作用： 提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。 实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分 光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。 通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带 通滤光片、长波通、短波通滤光片。 实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等
光学薄膜技术
光 学 薄 膜 技 术
光学薄膜是附着在 光学零件表面的厚 度薄而均匀的介质 膜层。
光学薄膜技术
《光学薄膜技术》，作者：卢进军、刘卫国，西北工业大学 出版社。 《现代光学薄膜技术》，作者：唐晋发 、顾培夫，浙江大学 出版社
光学薄膜技术
参考书
光学薄膜技术，H.A.麦克劳德著，周九林、尹树百译，国防工业 出版社1974 应用光学薄膜，唐晋发、郑权著，上海科学技术出版社，1984 玻璃镀膜， H.K.普尔克尔著，仲永安等译，科学出版社，1988 光学薄膜原理，林永昌、卢维强著，国防工业出版社1990
光 学 薄 膜 技 术——前言
光学薄膜的应用 薄膜光学是物理光学的一个重要分 支，它研究的对象是膜层对光的反射、 透射、吸收以及位相特性、偏振效应等， 简而言之，它主要研究光在分层媒质中 的传播规律性。
光 学 薄 膜 技 术——前言
光学薄膜的应用
与镀膜技术密切相关的产业
镀膜眼镜
幕墙玻璃 滤光片
光 学 薄 膜 技 术——前言 薄膜光学通过近几十年的发展，在以下方面都有了长足 的进步：
1. 2. 3. 4. 5.
膜系设计 薄膜材料 测量技术 薄膜制备，包括制备方法以及控制手段 相关产业等等 但是，仍存在许多困难。 “我们这些在薄膜领域工作的人，在镀膜工艺曾经有 过较多的一时难以解释的失败和教训，这些失败往往涉 及已经充分研究过的、在一段时间内行之有效的技 术……对于诸如此类的困难，除了抱怨天气之外，往往 以运气不佳为理由，人们甚至能在镀膜车间看到祈求好 运的符标。” -----麦克劳德
可见光消偏振介质分光薄膜的研制
可见光消偏振介质分光薄膜的研制分光膜被广泛应用在各类的光电仪器、激光、光电显示设备和光存储等领域，并在分束镜应用中起到了至关重要的作用。
通常情况下分束镜总是倾斜着使用，它能方便地把入射光分离成反射光和透射光两部分。
在可见光范围内，透射和反射比为50/50的中性分束镜最为常用。
当分光膜用于光线倾斜入射时，不可避免地会产生偏振效应，可以利用偏振效应来设计偏振分光膜。
理想的消偏振分光膜，应该在一个较宽的波段范围内，使S偏振光和P偏振光具有相同的反射率和透射率，使入射角具有一个合理的范围，而且没有吸收。
Doak和Costich较早提出消偏振理论，但是可选择的工作波长和薄膜材料受到限制，而且工作波长和入射角的范围都非常有限，没有达到理想的消偏振效果。
该文利用Global Optimization和Needle合成法，设计并研制了在可见光范围420～680nm波段与40°～50°角度变化的介质消偏振分光膜。
1 膜系设计与材料选择1.1 偏振理论式中和分别为光在入射介质和膜层中的入射角，和分别为入射介质和膜层的折射率。
由此容易看出，（1）式是一个恒大于1的量，因此一个单层膜必然有偏振分离，其中。
对于一个确定的入射角而言入射介质折射率愈高，偏振分离也愈大，因而封闭在胶合棱镜中的膜层的偏振效应更为显著。
当时，，在波长位置将没有偏振分离。
1.2 高低折射率材料的选择在可见光波段常用的高折射率材料有Ta2O5、TiO2、Ti3O5、ZrO2，可选择的低折射率材料有SiO2和MgF2，由于材料折射率的色散强度随波长改变的特点，需要选择合适的镀膜材料，经过实验测试得到几种材料的折射率色散曲线如图1所示。
由图1可知，TiO2的折射率要高于Ta2O5的折射率，通过实验发现Ta2O5材料的镀制工艺没有TiO2稳定，故选择TiO2为高折射率材料。
这里为位相厚度，、分别为高低折射率材料的折射率，当为TiO2、为SiO2时当。
光学薄膜技术-02光学特性-2 (2)35页PPT
等效介质的等效光学导纳
写成 矩 k 0 H 0 E 0 阵 e 1 e i i形 1 e e i i k k 式 0 0 E E 1 1 2 2 ：
（3）同 理，E根 和H据的 切向分 量 在 2两 界侧面连续可写出2上 在： 界面
E12E12E2k0(E12E12)k0E12k0E12k0E2
若已知两种介质的折射率和光线入射角，就可以得到相
应的（修正）导纳，利用上式就可计算单一界面的反射率和 透射率。
等效界面思想
等效界面思想：任意光学多层膜，无论是介质薄膜或是金 属薄膜组合，都可以用一虚拟的等效界面代替，而且等效 界面的导纳为 Y H0 E0 ，如图1所示。
图1 多层膜的等效界面
等效介质：薄膜系统和基底组合而成。
等效介质的等效光学导纳
若要求出r，必须要先知道Y，下面即为等效光学导纳Y的推
导及计算。其基本过程为：
➢首先，根据边界条件，建立E0与E11 、H0与H11的联系； ➢然后，根据电磁波传播规律，建立E11 与 E12、H11与H12的联系； ➢之后，同样根据边界条件，建立E12 与 E2 、H12与H2的联系； ➢至此，就可以得到E0与E2 、H0与H2的联系（具体的数值关系与
将入射介质和等效介质之间的界面称为等效界面，即等效界面两
侧分别是入射介质和等效介质。
入射介质的折射率仍旧是N0，等效介质具有等效光学导纳Y。因
此，整个薄膜系统的反射率就是等效界面的反射率，等效界面的
反射率计算公式为：
2
R 0 Y
0 Y
单层薄膜的等效界面
单层薄膜的两个界面在数学上可以用一个等效的界面来表示，如 图2。膜层和基底组合的导纳是Y。
光学薄膜技术
单层介质膜的反射率和透射率
光学薄膜技术
a.金属膜：主要是作为反射镜和半反射镜用。在各种平面或曲面反射镜，或各式稜镜等，都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等 各种不同的材料。不同的材料在光谱上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可见光、近红外光有良好的反射率，是镀反射镜最常使用的材料之一。Ag膜在可见光和近红外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光泽，只能短暂的维持高反射率，所以只能用在内层反射用，或另加保护膜。
应用及市场前景:
光电信息产业中最有发展前景的通讯、显示和存储三大类产品都离不开光学薄膜，如投影机、背投影电视机、数码照相机、摄像机、DVD，以及光通讯中的DWDM、GFF滤光片等，光学薄膜的性能在很大程度上决定了这些产品的最终性能。光学薄膜正在突破传统的范畴，越来越广泛地渗透到从空间探测器、集成电路、生物芯片、激光器件、液晶显示到集成光学等各学科领域中，对科学技术的进步和全球经济的发展都起着重要的作用，研究光学薄膜物理特性及其技术已构成现代科技的一个分支——薄膜光学。光学薄膜技术水平已成为衡量一个国家光电信息等高新技术产用光波干涉原理，在镜片的表面镀上一层薄膜，厚度为1/4 波长的光学厚度，使光线不再只被玻璃—空气界面反射，而是空气—薄膜、薄膜—玻璃二个界面反射，因此产生干涉现象，可使反射光减少。若镀二层的抗反射膜，使反射率更低，但是镀一层或二层都有缺点：低反射率的波带不移宽，不能在可见光范围都达到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen三位首先发表以1/4一1/2一1/4波长光学厚度作三层抗反射膜可以得到宽波带低反射率的抗反射膜。多层抗反射膜除了宽波带的，也可做到窄波带的。也就是针对其一波长如氨氟雷射632.8nm波长，要求极高的透射，可使63Z.8nm这一波长透射率高达99.8%以上，用之於雷射仪器。但若需要对某一波长的光线有看极高的反射率需要用高低不同折射系数的材料反覆蒸镀数十层才可达到此效果。
分光膜
分光膜根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜。
分光膜主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜等几类。
波长分光膜又叫双色分光膜，顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。
这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片，所不同的是，波长分光膜不仅要考虑透过光而且要考虑反射光，二者都要求有一定形状的光谱曲线。
波长分光膜通常在一定入射角下使用，在这种情况下,由于偏振的影响，光谱曲线会发生畸变,为了克服这种影响，必须考虑薄膜的消偏振问题。
光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜，这种薄光学薄膜膜有时仅考虑某一波长，叫做单色分光膜；有时需要考虑一个光谱区域叫做宽带分光膜；用于可见光的宽带分光膜，又叫做中性分光膜。
这种膜也常在斜入射下应用，由于偏振的影响，二束光的偏振状态可以相差很多,在有些工作中，可以不考虑这种差别,但在另一些工作中（例如某些干涉仪），则要求两束光都是消偏振的，这就需要设计和制备消偏振膜。
偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的。
偏振分光膜可以分成棱镜型和平板型两种。
棱镜型偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应（见光在分界面上的折射和反射）。
当光束总是以布儒斯特角入射到两种材料界面时，则不论薄膜层数有多少，其水平方向振动的反射光总为零，而垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加，只要层数足够多，就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光，而反射光束基本上是垂直方向振动的光，从而达到偏振分光的目的，由于由空气入射不可能达到两种薄膜材料界面上的布儒斯特角，所以薄膜必须镀在棱镜上，这时入射介质不是空气而是玻璃。
平板型偏振膜主要是利用在斜入射时由电介质反射膜两个偏振分量的反射带带宽的不同而制成的。
一般高反射膜，随着入射角的增大，垂直分量的反射带宽逐渐增大，而平行分量的带宽逐渐减少。
选择垂直分量的高反射区、平行分量的高透过区为工作区则可构成透过平行分量反射垂直分量的偏振膜，这种偏振膜的入射角一般选择在基体的布儒斯特角附近。
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。
光学薄膜分类及应用
光学薄膜分类及应用光学薄膜是一种在基底材料上通过物理或化学方法积聚而成的薄膜，其厚度通常在几纳米到几微米之间。
光学薄膜广泛用于各种光学器件和光学系统中，包括太阳能电池、激光器、LED、光学传感器等。
根据其组成材料和特性，光学薄膜可以分为多种分类，下面将详细介绍几种常见的光学薄膜分类及其应用。
1. 反射膜反射膜是一种具有高反射率的光学薄膜，能够将入射光线反射回来，减少光的损耗。
根据反射膜的用途不同，其反射波段可以从紫外到红外，覆盖几乎整个光谱范围。
反射膜广泛应用于镜片、光学镜头、光学滤波器、太阳能电池等光学器件中，提高光学系统的效率。
2. 透射膜透射膜是一种能够将光线透过的光学薄膜，可以选择性地透射特定波长的光，形成滤光片或滤波器。
透射膜的应用非常广泛，可以用于光学滤波器、太阳眼镜、相机镜头等。
3. 偏振膜偏振膜是一种通过改变光线的偏振状态的光学薄膜，根据其厚度和材料的选择，可以实现不同的偏振效果。
偏振膜广泛应用于光学器件中，如液晶显示器、偏振镜、偏振滤波器等。
4. 防反膜防反膜是一种具有减少反射的特性的光学薄膜。
它可以用于减少光学系统中的反射损耗，提高透射率和光学系统的传输效率。
防反膜广泛应用于太阳能电池、照明器件、液晶显示器、摄像头等光学器件中。
5. 过滤膜过滤膜是一种能够选择性地过滤或传递特定波长的光的光学薄膜。
通过调整过滤膜的厚度和材料的组成，可以实现不同的滤光效果。
过滤膜广泛应用于光学滤波器、分光仪、激光器、光学传感器等光学器件中。
此外，还有二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、二氧化钛（TiO2）等材料的光学薄膜，它们具有较高的折射率、透明度和耐高温性能，广泛应用于光学器件的涂层和透镜等方面。
综上所述，光学薄膜根据其材料和性质的不同，可以分为反射膜、透射膜、偏振膜、防反膜和过滤膜等多种类型。
这些光学薄膜在各种光学器件和光学系统中发挥着重要作用，提高了光学系统的效率和性能。
薄膜光学PPT课件
Sol-Gel是一种制备光学薄膜的新方法，具有工艺简单、成本低等优点。该方法制备的薄 膜具有纯度高、均匀性好等优点，可广泛应用于各种光学器件的制造。
在新能源和光电器件中的应用前景
太阳能光伏电池
光学薄膜在太阳能光伏电池中有着广泛的应用，如减反射膜、抗反射膜等。通过使用高性能的光学薄膜，可以提高光 伏电池的光电转换效率和稳定性。
散射类型
瑞利散射、米氏散射、拉 曼散射等。
散射强度
与波长、散射颗粒或分子 的尺寸、形状和折射率有 关。
光的吸收和反射
光的吸收
光波通过介质时，能量 被介质吸收转化为热能 或其他形式的能量的现
象。
吸收系数
表示介质对不同波长光 的吸收能力，与物质的
性质和浓度有关。
反射现象
光波在介质表面发生方 向改变的现象，可分为
光电探测器
在光电探测器中，光学薄膜可以起到保护、增强光信号的作用。高性能的光学薄膜可以提高探测器的响应速度、灵敏 度和稳定性。
激光器
在激光器中，光学薄膜可以起到调制激光输出、提高激光质量的作用。新型的光学薄膜材料和制备技术 可以推动激光器技术的发展，为新能源和光电器件的应用提供更广阔的前景。
THANKS
干涉仪测试的原理基于光的干涉现象，通过将待测薄膜放置在干涉仪中，与标准参 考膜片进行干涉，通过测量干涉图谱的变化来计算薄膜的光学常数。
分光光度计测试
分光光度计测试是一种通过测量 光的吸收光谱来分析物质的方法， 广泛应用于薄膜的光学性能测试。
分光光度计测试可以测量薄膜的 吸收光谱、反射光谱和透射光谱， 从而获得薄膜的折射率、反射率、
新型制备技术的探索
化学气相沉积（CVD）
2-6偏振分束膜
胶合棱镜介质偏振分光膜
S偏振光的高反射可以通过迭加有效厚度为1/4 波长的多层膜堆来实现。
平板介质偏振分光膜
布儒斯特定律
当自然光入射到介质表面 时，反射光和折射光都是 部分偏振光。 反射光中振动方向垂直入 射面的成分比平行于入射 面的成分占优势； 折射光中振动方向平行入 射面的成分比垂直于入射 面的成分占优势；
即
2 2 n 2 2 H nL nG sin G 2 2 nH nL
胶合棱镜介质偏振分光膜
胶合棱镜介质偏振分光膜
设计思路： 可以先选定膜层，再根据其折射率，按上式计算， 确定棱镜折射率和入射角，选用相应的棱镜材料 也可以先选定棱镜折射率和入射角，再根据上式 确定相应折射率的膜层材料
osinro
o e
nosin45o=nesinre
re=52o , ro=39o
o e
于是
=52o-39o=13o
胶合棱镜介质偏振分光膜
棱镜介质偏振分光膜是利用布儒斯特法来实现分 光功能. 当入射角满足布儒斯特条件时，P偏振光的反射为 零，而S偏振光则部分反射，部分投射。 为了增加S偏振光的反射率，保持P偏振光透射率 为1，可以将两种材料交替沉积制成多层膜。 膜层在特定入射角条件下的有效光学厚度应等于 中心波长的1/4，当层数足够多时，S偏振光的反 射率接近于1，而P偏振光的透射率也接近于1。 因此对于自然光而言，在一定波长范围内可以得 到偏振度很高的薄膜偏振器件。
r0
ib r
2
当入射角为布儒斯特角时，反射光为振动方向垂 直入射面的s线偏振光，而折射光仍为振动方向 平行于入射面（p偏振）的成分占优势的部分偏 振光 要注意布儒斯特角与全反射角的区别 两者条件不同。全反射时对n1 、 n2 有要求； 而布儒斯特角无此要求； 入射角大于全反射角时都会发生全反射，但只 有入射角为布儒斯特角时反射光才是完全线偏振 光。
薄膜光学第二章
多层减反膜
双层减反膜要么能提高参考波长处的反射率但色中性差，要么 改善膜系的色中性但无法改善膜系反射率。多层减反膜系
多层减反膜系结构 膜层增加，有利于灵活选取膜的参数满足多项要求（反射率、 色中性等）。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 膜系特性
R1＝R2时，T0＝1。 如F<<1和T0＝1，T＝(1－F)。 剩余反射率最小值1－T0 ，最大值～1－T0 /(1＋F)。
所以对于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。在反射率 和带宽之间需统筹兼顾(精细度与反射率)。
2 f
双层膜：R
0 L2s /H2 0 L2s /H2
2
， L2 /H2＝0 /s
入射
反射
n0
界面
ns
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，适用与工作波段较窄的场合。
2) /2 ~/4膜堆
G2HLA 膜系：基质 /2
n0
ns
2
R 0 Y 0 Y
Y n2f / ns , ( / 4波长膜厚)
R
0s 0s
2 f
2 f
2
反射率为零的条件为 f 0s
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。
反射 界面
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）)。
薄膜光学技术-2-3 第2章 光学薄膜膜系设计及其应用
得偏振条件:
ns sin s
nH nL nH2 nL2
tg H
nL nH
21
arctg nL nH
30.422 , nG sin 45 nH sin
nG 2
2nL2nH 2 nL2 nH 2
2 1.382 2.352 1.382 2.352
1.68
22
多层分光膜G/ (HL) 8 /G 45度入射
19
偏振中性分光膜—布儒斯特角原理
θ1 n1 n2
θ2
1.0
R 增加S偏振 光的反射率
0.5
Rs
0
θB Rp
0
30
60
90
θ0
n1,n2界面反射率随入射角的变化
Rp=0的条件：
rp
n1 n1
cos 2 cos 2
n2 n2
cos 1 cos 1
tg(2 tg(2
1) 1)
0
1 2 90o
通常，光线从空气侧入射时，分光镜的反射率高， 所以，在使用分光镜时，一定要注意正确的使用方向。
8
2.3.2 介质-金属分束膜
理论基础：
金属膜对光的吸收不仅与金属自身的性质有关， 还与金属周围介质的性质有关。
方法：
在金属膜两边设计匹配膜堆，诱导出金属膜的最 大可能透射能力——势透射率。
9
金属分束膜的吸收损失与分光膜周围的介质有关，改变周围 的介质，可以减小吸收损失。
S/LH(2/3)L1.5HL2H/S
18
2.3.4偏振中性分光膜
偏振中性分光膜：
利用斜入射时光的偏振效应来实现50/50的 中性分光。
两点说明：
1）偏振中性分光膜只适应于自然光和圆偏振光的 中性分束；
薄膜光学技术_第02章 01 减反射膜
22
例如：
K9/MH1H2H3L/A nM=1.63, nH1=1.95, nH2=2.32, nH3=1.87,NL=1.38
nH1=1.95 nH3=1.87
0.379H20.215L0.379H2 0.288L0.384H20.288L
光学薄膜技术
Optical thin films and Technology
第二章 光学薄膜膜系设计及其应用
1
第二章：光学薄膜膜系及其应用
第一节 减反射膜 第二节 高反射膜 第三节 中性分束膜 第四节 干涉截止滤光片 第五节 带通滤光片 第六节 偏振分光膜
2
薄膜的分类及用途
3
薄膜的分类及用途
n3=1.71
n3=1.62
19
3.四层和四层以上增透膜的设计
通常遇到的问题：
a. 三层膜系的增透波段不够宽，或剩余反 射率还太高；
b. 满足设计要求的三种材料无法找全。
解决的办法： a. 优化三层母膜系G/M2HL/A中每层膜的折射率和 厚度，直至满足要求；可能出现现有膜料无法实 现的问题。 b. 以G/M2HL/A 为母膜系，将折射率设为定值， 调整膜层的厚度，并允许增加膜层层数，直到满 足要求。可能出现层数多以及极薄层的问题。
7
单层AR膜的光谱特点：
a. 对常用的多数
基底材料，满
单层减反射膜 G/L/A
1.52/1.38/1
足 n1 n0 nS 的膜料并不存
在，所以Rmin 0
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，
光学薄膜原理 ppt课件
401 (0 1)2
Tp
N1 N0
cos1 cos0
( cos0 cos1
20 )2 0 1
401 (0 1)2
小结
垂直入射
倾斜入射
r N0 N1 N0 N1
N0
R t 2N0 N0 N1
N1
T
R r 2 ( N0 N1 )2 N0 N1
r 0 1 0 1
ts
20 0 1
,tp
折射率与导纳
Refractive index
3.坡印廷矢量(能流密度)S:单位时间通过单位面积的 能量
S=E×H
积分平均值： S 1 Re(N )E 2
(3)
2
4.边界条件---切向分量连续
E0 tan= E1 tan , H0 tan= H1 tan ,
E0itan + E0rtan = E1t tan
Detector
薄膜在WDM技术中的应用
DWDM Filter: Mux, Demux, OADM ,OXC等
M-WDM Filter: CWDM, Channel separation 等
W-WDM Filter: 光网控制，光插分，光放大等
Interleaver: 与DWDM Filter串接，提高复用度
20 0 1
c os 0 c os1
R r 2 (0 1 )2 0 1
T
N1 N0
t2
4N0 N1 (N0 N1)2
T
1 0
ts2
401 (0 1)2
s N cos
p N / cos
第三节 单层薄膜的传输矩阵
E12
1 2 E2
1
21
光的偏振与光学薄膜
光的偏振与光学薄膜光是一种电磁波，由电场和磁场交替变化而形成。
光的偏振性质是指光波中电场矢量沿某一方向振动的特性。
光的偏振是光学中一个非常重要的概念，对于理解光的传播和相互作用有着重要的影响。
光波在空间中传播时，电场矢量的振动方向可以是任意的。
然而，在某些情况下，光波的电场矢量呈现出特定的振动方向，这种现象被称为偏振。
偏振光具有一定的方向性，与普通光相比，它们有着更加明确的传播规律与性质。
当光波从一个介质进入另一个介质时，会发生折射和反射。
光的偏振性质也会在这个过程中发生变化。
光学薄膜作为一种特殊的光学元件，可以对光的偏振性质进行调控和利用。
光学薄膜是由一层或多层具有特定光学性质的材料沉积在基底上形成的。
光学薄膜可以通过控制材料的厚度和折射率来实现对光的偏振性质的调控。
通过选择合适的材料和设计薄膜的结构，可以使得光在薄膜中传播时具有特定的偏振状态。
光学薄膜中的材料通常是具有不同折射率的介质或金属。
当光波从一个介质进入另一个介质时，其传播速度和传播方向会发生改变，这就是光的折射现象。
光学薄膜中的折射现象可以利用来控制光的偏振性质。
光在光学薄膜中的传播过程可以用波动光学理论来描述。
根据此理论，光可以被视为一种波动现象，光的振动方向可以用电场矢量来表示。
光波在光学薄膜中的传播可以看作是电场矢量沿着一定方向振动的过程。
当光射入光学薄膜时，根据折射定律，光波的传播速度和传播方向都会发生变化。
如果薄膜的设计满足一定条件，光波可以在薄膜中发生干涉现象，从而实现对光的偏振性质的调控。
通过选择合适的折射率和设计薄膜的厚度，可以使得光波在薄膜中的传播相位发生变化，从而形成干涉现象。
根据干涉现象的特点，可以利用光学薄膜实现对光的偏振状态的选择性增强或抑制，进而实现对光的偏振性质的调控和利用。
光的偏振性质在很多光学应用中具有重要的作用。
例如，在光通信技术中，偏振分立技术可以实现光信号的多路复用和解复用。
在显微镜技术中，偏振显微镜可以通过观察材料的偏振光传播特性来研究其结构与性质。
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全介质规则膜系在光学薄膜器件中的重要性
1）反射镜、激光谐振腔 ( LH )S
2）中性分束镜 G/ (HL) 8 /G、 G/2LHLHL/A
3）截止滤光片 4）带通滤光片
H 2
L
H 2
S
、
L 2
H
L 2
S
2 L 2 H 2 Lm 3 3 3
3
（2）(LH)9 stack
λmax 00 550nm
Rmax 0.9994
Rs-max 0.9994
Rp-max 0.9994
Δλs 480-650
Δλp 480-650
300 530nm 0.9992 0.9997 0.9987 440-630 460-620
500 510nm 0.9984 0.9999 0.9969 430-620 450-590
所谓消偏振就是使光学导纳的偏振分离量ΔY=1。 应当注意的是：一个完整的消偏振设计，既需要对
膜系进行，也需要对入射介质和基底介质进行。
16
2.7.2 宽波段消偏振
1.“金属-介质”组合膜系 例：G/H metal H/G 其中 metal —— Ag
Rp Rs
G| 1.18H Ag(19.2nm) 0.82L 0.02M|A
1. 例如:nH=2.35,nL=1.35, ns=1.52，根据上式计算棱镜 应有的角度θs=50.5° 2.例如:nH=2.35,nL=1.35 ,θs=45° ,则，ns=1.66。
8
中心波长处的反射率为：
R
ηs
ηs
ηH2 ηH2
ηs ηs
ηH ηH
G/(HL)m2H(LH)m/A
G /（HL）m2H(LH)2mL2H（LH ）m /G
A/LHLH760LHLHLHLH760LHLHLHLH760LHLHL/A
中心波长的意义； 间隔层厚度的意义；间隔层 个数的意义；膜层数的意义。
1
第二章 光学薄膜膜系设计及其应用
2.6+7 偏振分光膜和消偏振薄膜
ηL ηL
m1 2 m1
m为膜层的层数，并假定为奇数。
S-偏振光高反射区域的半宽度为：
g s
2
s
in
1
ηH ηH
ηL ηL
s s
1 1
9
10
2. 平板型偏振分光膜
在基于布儒斯特角入射的棱镜偏振镜中，各介质 的P-偏振光的有效折射率都是相同的，其间不存在 界面，因而P-偏振光有高的透射并不是干涉的结果 (不产生干涉)．
H:ZnS, L:MgF2, M:Al2O3 G:K9
17
2.7.2 宽波段消偏振
2. 受抑全反射棱镜
如图示，位于棱镜胶合面的单层介质膜，当折射率满
足 n1 n0 n2 ，且光线以等于或大于全反射临界角入射
时，通过调整膜层的厚度，由于膜层的作用，就会使全反射受
到抑制，得到没有偏振效应的各种透反比的分光效果。
600 500nm 0.9930 0.9999 0.9864 390-600 430-550
4
2. 6.1 偏振分束膜
1. 立方棱镜的偏振分光膜——布儒斯特角原理
利用光的偏振效应实现50／50中性分光。 原理：
①当入射角满足布儒斯持角条件时，即
tgθ=
n/ H
n L
，
rp r0p 0, rs 0
① tgH nL nH , nH sinH nLsinL =nG sin G
②实现偏振分光的条件：
nG sinG
nHnL
n
2 H
+n
2 L
12
7
立方棱镜偏振分光镜的设计方法有两种：
在给定nH和nL的情况下，就可以确定出膜层内的折射角θH和θL，
1. 选定棱镜的折射率ns，根据上式计算棱镜应有的角 度θs; 2.选定棱镜的角度(θs=45°)，然后计算棱镜应有的 折射率。
②当膜层数增加到足够多时，
rp 0, rs 1
依此，当自然光入射时，在一定的波长范围内，得 到50/50的透射和反射率比，
既可以作为良好的中性分光镜， 也可以用作偏振度很高的薄膜偏振器件。
5
偏振分光棱镜的结构就是在胶合面镀制HL多层膜。
6
棱镜偏振分光镜的设计：
根据布儒斯特角条件和折射定律确定膜层材料、光 线入射角和棱镜材料。
11
12
3. 金属栅偏振分光镜
原理： 当入射光的波长远大于栅距时，入射光中的电矢量 E
垂直于线栅的偏振光透过线栅，而电矢量 E平行于线栅 的偏振光则被线栅反射。
金属栅偏振器的主要优点是： 工作波段很宽； 全波段内偏振性好； 线栅用良导体制成，吸收可以忽略，抗光损伤阈值
高。所以，金属线栅偏振器是中，远红外区较理想的偏 振器 。
13
14
2.7 消偏振膜系
在许多光学系统中，偏振效应将带来偏振像差。 因此，消除偏振效应在许多光学系统中是必须的。
产生偏振效应的原因是有效光学导纳的分离。
定义s和p偏振分量有效导纳的偏振分离量为：
n p s
n cos n cos
1
cos2
1
1
n2 0
2
2-6 偏振和偏振薄膜 1. 薄膜的偏振效应
（1）. AR coating GHLA
λmin 00 550nm 300 520nm 450 480nm 600 440nm
Rmin/% 0.99 0.999 1.1 2.28
RS/% 0.99 0.81 0.39 0.08
RP/% 0.99 1.19 1.81 4.48
平板偏振分光镜是基于薄膜材料的P-偏振和S-偏 振的有效折射率不相等这一条件设计的，P-偏振光 的高透射率是通过干涉效应实现的．因此它们的工作 波段比较窄，优点是选择基片和薄膜材料有较大的灵 活性．
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ这种干涉型偏振镜的基本结构是长波通滤光片
G（0.5HL0.5H）SA。
当然，干涉型偏振分光镜也可以采用用胶合棱镜。
②封闭在胶合棱镜中膜层的偏振效应更严重。
15
2.7.1 单波长消偏振
由于①多层膜系的偏振效应来源于光学导纳的偏振分离，
②多层膜系的光学导纳是膜层厚度的复函数， ③多层膜系的光学导纳色散非常严重，所以多层膜系
的光学导纳的偏振分离量很难用一个显函数表达。 也就很难在宽波段实现消偏振设计。
目前，大多数消偏振设计都是针对光学导纳能够明 确用显函数表达的特殊波长进行的。
可以证明，受抑全反射消偏振分光入射角只与膜
层和入射介质的折射率有关，而与波长和膜层厚度
无关。即：
sin0
2 n1 n0 1 n1 n0 2
18
单层宽波段消偏振分光镜
19
sin 2 0
n2
显然： ①对独立的单层膜来说，Δn永远大于1，单层膜不可能消偏振； ②对分确离定越的小n0；和n，Δn随入射角θ0的减小而降低，即入射角越小，偏振
③对于确定θ0和n，Δn随入射介质n0增大而增大，偏振分离也越大； 因此，①消偏振只能对膜层与周围介质组合、或多层膜系来实现；