光学薄膜膜系设计及应用

Set: AAl=9%, ALH= 9%/2.3 = 4%, ALHLH= 4%/2.3 = 1.5%
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“金属—介质”组合存在的问题
A. 只在较小波段有增加反射率的作用， 而在很宽波段有减反作用；
B. 反射率无法接近100%，最高可 达96%；
C. 由于有吸收，不适用于激光系统。
全介质高反射膜的特点：
5
2. 金属-介质组合高反膜
目的：
A. 增强附着力
——在金属膜与玻璃之间增镀过渡层。
例： G Cr Au A B. 保护金属膜
G Al2O3 Ag A
——在金属膜表面加镀高硬度透明膜。
例：G Al SiOx A
G Al2O3 Ag Al2O3 SiO2 Al2O3 A
可见区：一氧化硅，三氧化二铝
g=2,4,6,．．．为中心的一系列波数区间．
1 2
m11
m22
1
的波长λ是高反射带与高透射带的拐点波长，
即：截止波长．
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H(LH)S 周期性多层膜的光谱特性
n0 n12 n0 n12
ns ns
2 2
25.5%
单层膜可实现的高反射率 一般不会超过50%。
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1 周期性膜堆的反射率
r0 r1 r2 r3 …… rk-1 rk
-π -π -3π -3π
-kπ -kπ
0 H
1 L
2 H
3
.
.
…
反射干涉加强:
r r0 r1 r2 r3 ..... rk
14
2. 周期性膜堆(LH)s的高反射带(位置)
由两层膜组成的基本周期的多层膜的特征矩阵为：
M
S
m11 m21
m12 m22
s
cosL
iL sin L
i
L c
sin os
L
L
cosH
iH sin
H
i H
sin
H
cosH
S
每个基本周期的特征矩阵为：
M
m11 m21
m12 m22
紫外区：氧化镁或者氟化锂。考虑保护材料要在紫外透 明（没有吸收）
6
C. 提高反射率
纯金属膜的反射率：
N n ik
垂直入射
r
n0 N n0 N
1 n2 k 2 (1 n)2 k 2
i
(1
2k n)2
k
2
R r r (1 n)2 k 2 (1 n)2 k 2
n越小越好， k越大越好
r0 , r1, r2 , r3....…..... rk
K-1 .
KH
入射光在光疏媒质中前进，
遇到光密媒质界面时，在掠 射或垂直入射2种情况下，在 反射过程中产生半波损失
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高反射膜基本结构： G/(HL)SH/A.
Y
(
nH2 nL2
) S nH2
/ nsub
G/(LH)SL/A.
Y
(
nL2 nH2
加镀(LH)m膜堆后的反射率：
R0
1
nH nL
1
nH nL
2m n ik 2
2m n ik
1 nH 1 nH
nL 2m n 2 nH nL 2m n 2 nH
nL 4m k 2 nL 4m k 2
特点：在一定波段 R RS，在此波段外 R RS ;
R nH nL R m .
银（Ag): 在可见和红外波段都具有高的反射率；倾斜使用
时，引入的偏振效应小。
暴露于空气中极易氧化而失去光泽；
与玻璃、SiO、MgF2等附着力较差。
解决办法：Al2O3+Ag+ Al2O3+SiOx
与基底之间的过渡层
与保护层之间的过渡层
2
金（Au): 在红外波段的反射率很高，常用作红外反射 镜；
与玻璃的附着力较差，常用Cr作为过渡层。
7
n0
λ/4 nH λ/4 nL
金属膜 nm
Y2 nL2 / nm
Y1 nL2 / Y2 nL2nm / nH2
例如：在波长为550nm处，金属铝的n-ik=0.82-i5.99， 其反射率约为91.6%
G| Al LH LH |Air
L- SiO2; H-TiO2 nH=2.2 nL=1.45, (nH/nL)2=2.3
解决方法：Ni (Ni-Cr) + Au+(一对TiO2/SiO2)或Bi2O3
与基底之间的过渡 层
保护层
3
金属反射膜的光谱特性
Ag
Al
Au
Cu
4
金属反射膜的特点
A. 高反射区宽； B. 偏振效应轻微； C. 膜层与基底附着性能差距很大：
Al ，Cr，Ni与玻璃附着力强； Au，Ag与玻璃附着力差； D. 膜层化学稳定性差，易被环境气体腐蚀； E. 机械性能差——软。
A. 全膜系由 H和L两种膜层构成. 例： GlH(LH)mlA B. 无吸收，反射率可达99.9%。
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2.2.2 介质高反射膜
在低折射率的基底上沉积一层高折射率的薄膜，可 以有效地提高反射率。
n0 n1=2.15 ns=1.52
n0
Y n12 2.152 3.04 ns 1.52
R
第2章 光学薄膜膜系设计及其应用 2.2 高反射膜
1
2.2.1. 金属高反膜
1.金属反射膜常用的材料有： 铝（Al)、银（Ag）、金（Au）等
铝（Al): 是唯一一种从紫外到红外波段都具有高反射率的金属
材料；在大气中，铝膜表面能生成Al2O3保护层。
解决办法：Al+MgF2（紫外）；Al+SiO（SiO2、Al2O3）（可 见红外波段）
) S nL2
/ nsub
A
2n0 kH
nH2 nL2
kL
A
2 nH2 kH n0 nH2
nL2kL nL2
膜系：G/(HL)SH/A= G/H (LH)S/A, 中心波长为λ0，此时有：
Y 0
nH nL
2S
nH2 nS
垂R直入11射时nn中HH 心nn波LL 22长ss λnn0HH22的反nnSS射率2 为Y：kk奇偶数数11222222
32 24 32 24
2k
S S 2k
nH nL , R (2S 1) , R
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2△g：随着层数的增加，反射率稳定增加的高反射带。
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S ,2g不变；S ，R和反射带外的振荡纹波 数目增加
G/(HL)4H/A
G/(HL)８H/A
G/(HL)16H/A
G/(HL)32H/A
cos
iL sin
L
L
i sin L cos L
L
cos H
iH sin H
i sin H cos H
H
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重要结论
满足：
Baidu Nhomakorabea1 2
m11
m22
1
的波长λ位于高反射带内；高反射带以g=1,3,5,．． 为中心，半宽度为△ｇ的一系列波数区间．
1 2
m11
m22
1
的波长λλ位于高透射带内；高透射带以