光学薄膜及其应用PPT课件
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9
薄膜的相位及位相薄膜 等效折射率、等效导纳和等效界面 薄膜的色散及色散补偿 薄膜的应力及应力控制
10
理想光学薄膜
光学薄膜
改变光束切向方向－薄膜波导 改变光束法向方向－光学薄膜
355nm
薄膜波导
1064nm 增透薄膜
高反射薄膜
11
理想光学薄膜
薄膜光性计算方法
等效界面法 矩阵法
等效界面法
光学薄膜 电学薄膜 半导体薄膜 磁性薄膜 生物薄膜
4
薄膜光学形成发展历史
17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Robert Boyle and Robert Hooke）
1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 1816 Fresnel 发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论
Rr2
a1c1a2c2 2a1c2a2c1 a12a22 2
2
T 1
a12 a22
14
光学薄膜吸收
材料吸收
共振吸收 单光子吸收 自由电子吸收 杂质吸收 色心吸收 声子吸收 多光子吸收
15
光学薄膜吸收
折射率由实数变为复数： n
nˆnik
折射角由实数变为复数： coˆsj COj RiCO j I
激光场分布的畸变函盖了以下几方面因素
薄膜膜层形变，引起结瘤内驻波场分布的变化 结瘤与薄膜连接的部分严重的几何变形导致相关区域
激光场的分布变化 凸起的结瘤形成一个微透镜，光照时会产生聚焦强区 从薄膜的应力出发，薄膜在结瘤区由几何形变产生应
力，而激光作用下，由于巨大的温度梯度又产生热致 内应力，薄膜在激光作用下的应力发展应该是形变应 力与热致应力之和。
反射 1934 Bauer用卤化物制备了减反薄膜 1934 Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜 1939 Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片
6
光学薄膜概况
薄膜特点
干涉原理，相干相长与相干相消
重要性
“有光就有膜” 涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，
22
光学薄膜非线性吸收及热力破坏
雪崩击穿破坏 多光子吸收破坏 光学薄膜的热力破坏
23
雪崩击穿
雪崩击穿的物理过程：由多光子离化的等多种过程。 在薄膜内产生少量的初始电子，在被声子散射延迟的激 光作用下，在导带中运动加速到阈值能量εi，迅速产生 光离化，从薄膜材料的价带中激发次级电子进入导带底 部，该电子交出相应的能量后,也下落到导带底部。位于 导带底部的电子再从激光中获取能量，如此周而复始使 电子密度雪崩式的增加，最终达到足够高的电子密度， 通过焦耳热摧毁晶格。
12
矩阵法
界面的透射及反射系数：
r0
n0 n0
n1 n1
t0
2n0 n0 n1
第一个界面处的电场关系：
E
0
E
0
＝
1 1
t0
r0
r0
1
E E
1
1
薄膜内部的电场关系：
E 1 e i1 E 1 e i1 E 2 E 2
n 1 E 1 e i1 n 1 E 1 e i1 n 2 E 2 n 2 E 2 薄膜内部电场方向符号表示
及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论 1817 Fraunhofer制成了第一块减反薄膜 1873 Maxwell提出了Maxwell方程（A Treatise on
Electricity and Magnetism）
5
1886 Rayleigh 证实了Fresnel反射定律 1899 Fabry-Perot 干涉仪 1932 Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部
光学系统，大型激光装置等
面临问题
涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特 性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉 积技术少，沉积过程控制水平不高等；
7
主要内容
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
8
光学薄膜一般性质
理想光学薄膜 光学薄膜吸收及散射 折射率不均匀性和折射率渐变薄膜 薄膜的各向异性和双折射薄膜 薄膜的偏振和消偏振特性
光学薄膜及其应用
2006年10月26日
1
主要内容
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 光学薄膜的激光损伤
2
主要内容
光学薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
3
薄膜概况
研究领域
薄膜物理 薄膜化源自文库 薄膜材料 薄膜力学
应用领域
13
矩阵法
依次类推：
E
0
E
0
=
1 meii
m ti
i0rieii
i0
可以得到：
rieii eii
E0 m 1a c
d bEm 01
t
Em1 E0
1 a
设： cc1ic2 , aa1ia2
则
ra1c1a2c2ia1c2a2c1
a1 2a2 2
tgr
a1c2 a2c1 a1c1 a2c2
等效导纳由实数变为复数；
反射系数和透射系数 …..
膜层厚度引起的位相差…..
16
光学薄膜吸收
反射系数 透射系数
r (n0n1)i(k0k1)
i (n0n1)i(k0k1)
t
2(n0 ik0)
i (n0 n1)i(k0 k1)
17
光学薄膜的缺陷破坏
杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个 过程从缺陷内部发生，在缺陷迅速升温到数千度的高温 时，杂质材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸 力向薄膜的外层发展，首先使膜层隆起继而把膜层冲掉 形成破坑，并在破坑的周边形成波浪式力学波。
20
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
结瘤缺陷一个重要的作用就是改变激光在结瘤区 内及其周围的场分布，在薄膜吸收不变的条件下，激 光场的局部加强导致局部吸收增加，局部吸收增加导 致局部温度上升，剧烈的温度梯度又导致薄膜内应力 的增加，这种应力与薄膜几何畸变引起的附加应力是 形成薄膜破坏的重要因素。
21
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
杂质缺陷不仅是直接热源，而且还是非线性过程的 薄弱环节，缺陷区域是初始电子易于发射的区域，这些 电子构成雪崩离化的初始电子从而大大降低薄膜的击穿 阈值。
18
光学薄膜的缺陷破坏
19
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
结瘤缺陷是由于基体表面或薄膜内部存在某种种子源。薄膜在种子上继 续沉积而形成的，它在薄膜内部形成一个锥体，在薄膜表面形成凸起，锥体 的形状和取向，凸起的高低与形态与种子源密切相关，也与沉积工艺和沉积 条件有关。
薄膜的相位及位相薄膜 等效折射率、等效导纳和等效界面 薄膜的色散及色散补偿 薄膜的应力及应力控制
10
理想光学薄膜
光学薄膜
改变光束切向方向－薄膜波导 改变光束法向方向－光学薄膜
355nm
薄膜波导
1064nm 增透薄膜
高反射薄膜
11
理想光学薄膜
薄膜光性计算方法
等效界面法 矩阵法
等效界面法
光学薄膜 电学薄膜 半导体薄膜 磁性薄膜 生物薄膜
4
薄膜光学形成发展历史
17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（Robert Boyle and Robert Hooke）
1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 1816 Fresnel 发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论
Rr2
a1c1a2c2 2a1c2a2c1 a12a22 2
2
T 1
a12 a22
14
光学薄膜吸收
材料吸收
共振吸收 单光子吸收 自由电子吸收 杂质吸收 色心吸收 声子吸收 多光子吸收
15
光学薄膜吸收
折射率由实数变为复数： n
nˆnik
折射角由实数变为复数： coˆsj COj RiCO j I
激光场分布的畸变函盖了以下几方面因素
薄膜膜层形变，引起结瘤内驻波场分布的变化 结瘤与薄膜连接的部分严重的几何变形导致相关区域
激光场的分布变化 凸起的结瘤形成一个微透镜，光照时会产生聚焦强区 从薄膜的应力出发，薄膜在结瘤区由几何形变产生应
力，而激光作用下，由于巨大的温度梯度又产生热致 内应力，薄膜在激光作用下的应力发展应该是形变应 力与热致应力之和。
反射 1934 Bauer用卤化物制备了减反薄膜 1934 Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜 1939 Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片
6
光学薄膜概况
薄膜特点
干涉原理，相干相长与相干相消
重要性
“有光就有膜” 涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，
22
光学薄膜非线性吸收及热力破坏
雪崩击穿破坏 多光子吸收破坏 光学薄膜的热力破坏
23
雪崩击穿
雪崩击穿的物理过程：由多光子离化的等多种过程。 在薄膜内产生少量的初始电子，在被声子散射延迟的激 光作用下，在导带中运动加速到阈值能量εi，迅速产生 光离化，从薄膜材料的价带中激发次级电子进入导带底 部，该电子交出相应的能量后,也下落到导带底部。位于 导带底部的电子再从激光中获取能量，如此周而复始使 电子密度雪崩式的增加，最终达到足够高的电子密度， 通过焦耳热摧毁晶格。
12
矩阵法
界面的透射及反射系数：
r0
n0 n0
n1 n1
t0
2n0 n0 n1
第一个界面处的电场关系：
E
0
E
0
＝
1 1
t0
r0
r0
1
E E
1
1
薄膜内部的电场关系：
E 1 e i1 E 1 e i1 E 2 E 2
n 1 E 1 e i1 n 1 E 1 e i1 n 2 E 2 n 2 E 2 薄膜内部电场方向符号表示
及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论 1817 Fraunhofer制成了第一块减反薄膜 1873 Maxwell提出了Maxwell方程（A Treatise on
Electricity and Magnetism）
5
1886 Rayleigh 证实了Fresnel反射定律 1899 Fabry-Perot 干涉仪 1932 Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部
光学系统，大型激光装置等
面临问题
涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特 性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉 积技术少，沉积过程控制水平不高等；
7
主要内容
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
8
光学薄膜一般性质
理想光学薄膜 光学薄膜吸收及散射 折射率不均匀性和折射率渐变薄膜 薄膜的各向异性和双折射薄膜 薄膜的偏振和消偏振特性
光学薄膜及其应用
2006年10月26日
1
主要内容
薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 光学薄膜的激光损伤
2
主要内容
光学薄膜概况 光学薄膜一般性质 光学薄膜在一些光学系统中的应用 激光对光学薄膜的破坏
3
薄膜概况
研究领域
薄膜物理 薄膜化源自文库 薄膜材料 薄膜力学
应用领域
13
矩阵法
依次类推：
E
0
E
0
=
1 meii
m ti
i0rieii
i0
可以得到：
rieii eii
E0 m 1a c
d bEm 01
t
Em1 E0
1 a
设： cc1ic2 , aa1ia2
则
ra1c1a2c2ia1c2a2c1
a1 2a2 2
tgr
a1c2 a2c1 a1c1 a2c2
等效导纳由实数变为复数；
反射系数和透射系数 …..
膜层厚度引起的位相差…..
16
光学薄膜吸收
反射系数 透射系数
r (n0n1)i(k0k1)
i (n0n1)i(k0k1)
t
2(n0 ik0)
i (n0 n1)i(k0 k1)
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光学薄膜的缺陷破坏
杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个 过程从缺陷内部发生，在缺陷迅速升温到数千度的高温 时，杂质材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸 力向薄膜的外层发展，首先使膜层隆起继而把膜层冲掉 形成破坑，并在破坑的周边形成波浪式力学波。
20
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
结瘤缺陷一个重要的作用就是改变激光在结瘤区 内及其周围的场分布，在薄膜吸收不变的条件下，激 光场的局部加强导致局部吸收增加，局部吸收增加导 致局部温度上升，剧烈的温度梯度又导致薄膜内应力 的增加，这种应力与薄膜几何畸变引起的附加应力是 形成薄膜破坏的重要因素。
21
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
杂质缺陷不仅是直接热源，而且还是非线性过程的 薄弱环节，缺陷区域是初始电子易于发射的区域，这些 电子构成雪崩离化的初始电子从而大大降低薄膜的击穿 阈值。
18
光学薄膜的缺陷破坏
19
结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用
结瘤缺陷是由于基体表面或薄膜内部存在某种种子源。薄膜在种子上继 续沉积而形成的，它在薄膜内部形成一个锥体，在薄膜表面形成凸起，锥体 的形状和取向，凸起的高低与形态与种子源密切相关，也与沉积工艺和沉积 条件有关。