入射角度对高反膜及干涉滤光片的影响

２ 模拟 与分析
取 Ｈ一 ２ ． ３ ４， Ｙ ／ Ｌ一 １ ． ３ ８， ｇ一 １ ． ５ ， ｎ ０— １，
１ 基 本 理 论
传统四分之一波长的多层介质高反膜 ， 它是 由高、 低折射率材料周期排列镀制在基底上 ， 每层 膜 的光学厚度是 。 ／ ４ 。 如果使介质膜 系两边的最 外层为高折射率层 ， 结构表示为 ： Ｇ （ ＨＬ ） ＨＡ， 其 中 Ｈ 和 Ｌ分别表示高、 低折射率膜层， 它们的折 射率分别为 和 ， Ｇ和 Ａ分别代表基片（ 玻璃）
第２ ６卷
第 ｌ期
大
学
物
理
实
验
Ｖｏ Ｉ ． ２ ６ Ｎｏ ．１ Ｆｅ ｂ ．２ ０ １ ３
２ ０ １ ３年 ２月
Ｐ Ｈ ＹＳ Ｉ ＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩ Ｍ ＥＮＴ ０Ｆ ＣｏＬＩ Ｅ ＧＥ
文章编号 ： １ ０ ０ ７ — ２ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ １ ２ — ０ ２
３ 结
ｇｔ ， ）
。
ＧＨ Ｌ ． ． ． Ｈ Ｌ（ ２ ｍＨ） ＬＨ…ＬＨ Ａ
（ ＝ ＝ ＝１ ， ２ ， ３ …… ）
（ 一 １ ， ２ ， ３ ……）
串 ＋ 一 入 审 Ｌ — 一
图 １ 性 能符 号 示 意 图
ＧＨＬＨ． ． ． 【 Ｈ（ ２ ｍＨ ） ＨＬ ． ． ＨＬＨＡ
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入 射 角 度对 高反 膜 及 干涉 滤 光 片 的影 响
方 魂 岳
（ 国 防科 技 大 学 ， 湖 南 长沙 ４ １ ０ ０ ７ ３ ）
摘
要： 利用 周期 性多层介 质膜 的特征矩阵方法 ， 采用 ＭＡ ＴＬ ＡＢ模拟计算了当入射光波并非垂 直
入射膜系时 ， 高反膜 反射 率和法布里 一珀罗干 涉滤 光片透 过率 的变化 。结果表 明 ， 随着 入射角 度 的增
《
入射角度对 高反膜及 干涉滤光片的影响
—
（ ３ ）
Ｃ
Ｏ
Ｓ
＞ 。 ： ： ： ， ， Ⅱ
ｇ（ ／ ）
图５
单 层 膜 透 射 光 路
图 ２ 反射 率曲线
因为Ａ Ｂ— ｔ ３ （ ２一 ｈ ／ ｃ ｏ ｓ ＆， ｔ ａ ｒ ｄ ２一 ＡＣ ／ ２ ＾， ７ ／ ＂ ｌ Ａ Ｄ
和空气 ， 它们的折射率分别为 和 ， Ｓ 代表周期 数， 则 膜系 的基本 周期 特征 矩 阵 Ｍ 为＿ ３
Ｍ—ｌ Ｌ
ｍ２ １ ｍ２ ２ ． Ｊ
ｌ
（ １ ）
当光 波垂 直入 射薄膜 时 ， 中心 波 长 。的反 射 率 为
Ｒ ２ 一［
］
由式（ ２ ） 可知 ， ｗ ／ ｎ 的比值愈大 ， 或层数 ｓ 越大 ， 则 中心波长 。 的反射率越高 。 从原理上说 ， 多层 周 期膜构 成 的高反 膜 系是利 用光 的干 涉效应 来增 加反射率的， 因此 Ｒ的数值是在一定的中心波长 条件下取值。 如果入射光波长偏离中 Ｄ 、 波长 ， 则 反射率要下降 ， 偏离越多下降越厉害。 法 布里 一珀罗干 涉滤光 片 是 由玻 璃基 底上 的 对称 ｏ ／ ４高 反膜 系 中间插 入 厚 度 为 。 ／ ２整 数 倍 的 间隔层 构成 的 ， 它 有两种 膜 系结构 ：
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ９ — ０ ６
计算高反膜反射率 以及干涉滤光片透过率随光线 入 射角度变化的曲线如 图 ２ 和图 ３ 所示 。 可见 ， 当人射
光波并非垂直 ＾ 射膜系时， 工作波长（ 高反膜具有最 高反射率的波长或者滤光片具有最高透过率的波 长） 偏离中心波长， 且向短波方面移动。 随着入射角 度的增加， 高反膜的工作波长向短波方向移动 ， 这是 因为光程发生改变， 影响光波的干涉而引起的。 如图 ４ 所示 ， 平面波从界面工 人射到介质 ２ 中， 对于Ａ 、 Ｂ 两 点而言， 它们所在波面的相位差为
一
２ ｈ ｔ ａ ｒ ｄ ２ ２ ｓ ｉ ｒ ｕ ９ ２— ２ ｈ ｎ ２ （ １ 一 ｃ ｏ ｓ ＃ ２ ） ／ ｃ ｏ ｓ ＆， 所以，
△一 ２ ｈ ｎ ２ ｃ ｏ ｓ ０ ２ 一 ａ ／ ２ 。 当入射 角 增 大 时 ， 光 程差 △ 反而 减小 ， 若要 维持 干涉 消长 的效 应 ， 相 当于 减 小 了， 所 以透过 率 曲线 向短波 方 向移动 。
加， 多层介 质膜 的工作波长向短波方向移动 。并 利用 光程 差的原理对这一现象进 行了分析 。 关 键 词： 高反膜 ； 干涉滤光 片； 光程差 文献标 志码 ： Ａ 中图分 类号 ： Ｏ ４ １ １ ． ２
光入射到光学零件 的表面要发射反 射和折 射， 不 同的光 学 系统 对 反 射率 和透 射 率 有不 同 的 要 求 。可 以通过 镀 膜 的办 法 ， 在 光学 零 件 表 面 用 化 学方 法或 者真 空溅射 的方 法涂 敷透 明 电介 质 或 金 属薄 膜 ， 利用 薄膜 的多 光 束 干 涉效 应 以改 变 反 射和折射的光强分布 ， 用于增加或者减少反射率 、 透过率， 调整光的相位等等［ １ 以 ］ 。 光学薄膜用途很广 ， 种类繁多。根据薄膜 的 功能 特点 ， 可 以归纳 为增透 膜 、 反射膜 、 滤 光膜 、 分 光膜 、 偏振 膜 、 电热膜 和保 护膜 七大类 ＿ ２ ］ 。增 透 膜 以增 加透 射 、 减 少 光 在 光学 表 面 的 反射 损 失 为 目 的， 使透 过光 学基底 的光 能量 增加 ； 反射 膜是 在光 学 基底 表面镀 敷 的金 属膜 或 全 介 质膜 ， 使 其 反 射 率大幅度提高； 滤光膜分为使特定波段的光通过 的带通滤光膜 ， 以特定波长为界 ， 使 光波一边截 止一 边通过 的截止 滤光 膜 和用 于减 弱光 强 的密 度滤 光 膜 。图 １ 为增透膜 、 反射膜和滤光膜 的性能符号 。