光电功能薄膜技术(研讨)光学薄膜基础124页PPT文档
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H 1N 1kE 1
在第一种介质中有正方向和反方向两种波
E0E0H0H0
H0N0kE0;H0N0kE0
平面电磁波理论—反射和折射定律
r E0 N0 N1 E0 N0 N1
r可以是正数、也可以是负 数（180度为相越变）
平面电磁波理论——反射和折射定律
对于倾斜入射：引进一个修正光纳η
两束光产生干涉的条件：
➢频率相同
➢振动方向一致 ➢位相相同或位相差恒定
麦克斯韦方程组
微分形式
积分形式
E——电场强度 矢量
D——电位移矢量 流矢量
H——磁场强度 B——磁感应强度 μ——磁导率
j——电流密度
jD——位移电
ρ ——电荷密度 ε ——介电常数 σ ——电导率
各向同性、均匀介质物质方程： D =ε E B =μ H j = σE
光学材料的基本属性
光学常数
折射率 n、消光系数 、吸收系数、极化率 、
光电导率
基本光学常数，复折射率 的实部和虚部。
nˆ
色散关系
“光学常数”，并非真正常数，入射光频率的函数——色 散关系。
洛伦兹色散理论——绝缘体和半导体 Drude色散理论——金属
薄膜光学的几个基本假设条件： ✓工作波段：光学 ✓薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级 ✓薄膜的面积与波长相比可认为无限大 ✓薄膜材料各向均匀、同性 ✓薄膜材料为非铁磁性材料 ✓光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播
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。
光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射 方向产生光的干涉现象，人们正是利用这种干涉现象，通过改变材料及其厚度等 特性来人为的控制光的干涉，根据需要来实现光能的重新分配。
三十年代中期德国的鲍尔和美国的斯特朗先后用真空蒸发方法制备了单 层减反射膜，这种简单的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地 应用。
折射率为1．52的玻璃敷有折射率为1．38的氟化镁薄膜后，单面的反射损失 可从4.2%减少到1．5%左右，例如7块平板系统镀膜后，在参考波长上总的 透射率可近似地估计为：
入射波、反射波、透射波的相位因子：
exp
i
i
t
2N 0
0
x
sin 0
z
cos0
exp
i
t
t
2N1
1
xt
t1 y
t
z
exp
i
tr
2N 0
0
xr
r
y
r
z
由 于 在 z 0处 ， 任 何 时 间 内足 始边 终界 满条 件
1i r t; 2相 位 中 对 应 x、的 y系 数 相 等
4 c
4
E i E c
E
i c
N 2E
平面电磁波理论——E和H的关系
N=n-ik 复折射率
N H ，这是N的另一种表达 rE
称为光学导纳
平面电磁 波理论
若 光 波r沿 ，， 所 确 定 的 方 向 传 播
E
E0
expit
2N
x
y
z
将 N c n ik 代入 2 可得
v
E
E 0 exp
1886年瑞利在英国皇家协会报告说：“失泽”的冕玻璃平板，其反射比 刚抛光更低原因是玻璃形成了薄薄的一层膜。1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章中写到，在使用几年后的普通物镜的火石玻璃透镜上 “失泽”现象是十分明显的。我们很高兴的是，能够使这种火石玻璃的拥有 者放心，通常用怀疑眼光看待的这层使玻璃“失泽”的薄膜，却正是观测者 的“挚友”，因为它增加了物镜的透射率。
i
t
2 Nx
E
E 0 exp
2 kx
exp
i
t
2 nx
距离：
2 k
使
E
降
0
为
1 / e,趋肤
nx : 称为光学厚度
效应
平面电磁波理论—— 坡印廷矢量
电磁波传播时，表示单位时间内通过单位面积的能矢量S,称为坡 印廷矢量，或能流密度
这表明电磁波坡印廷矢量和振幅平方及介质的光学导纳成正比。
平面电磁波理论——E和H的关系
对于沿
r , , 方向的平面波
E E 0 exp
i
t
2 N
x
y
z
H
H 0 exp
i
t
2 N
x
y
z
i
j
k
H
i 2 N r H
x
y
z
Hx
Hy
Hz
由麦克斯韦方程：
H 4 j 1 D
c
c t
H
i c
T＝(0．97)7＝80．7%．
未镀膜： T=(0.92)7=55.7%
这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25％的透射能量
应用于光学领域的薄膜可分成两大部分，第一部分是光学薄膜，第二 部分是光学波导及其相应器件，前者的特点是光横穿过薄膜而进行传播；后 者的特征是光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播，对于光学薄膜，在一块 基片上淀积五、六十层膜并非罕见，涂镀工艺是比较成熟的；而对光学波导， 则膜层层数一般不多，通常仅用一层膜，其镀制工艺仍处在发展初期。本课 程是前一情况。
N0r N1t 0
3N0 sin0 N0r N1t
平面电磁波理论——反射和折射定律
结论：
0 r N 0 sin 0 N1 sin 1
---菲涅尔折射定律 它不仅适用于介质，同样适用于金属。
平面电磁波理论——反射和折射定律
垂直入射的情况：E和H都与界面平行 由于第二种介质中没有反射波：H1=Ht E1=Et
仿照光纳定义， 的定义为：
H
tan
k
E
tan
;
H
tan
k
E
tan
a 对于 TM (横磁波） P 光 , 与于界面平行
E
tan
E
事实上，泰勒发展了一种用化学侵蚀产生“失泽”而制作化学减反膜 的方法。
目前制备光学应用的薄膜的主要方法是真空蒸发法和溅射法，后者在十 九世纪中叶就发现了，而前者可追朔到二十世纪初。但在1930年以前，它们 不能作为实用的镀膜方法，因为没有获得高真空的真正适用的抽气机，直到 1930年出现了油扩散泵—机械泵抽气系统以后，制造实用的真空镀膜机才成 为可能。
平面电磁波理论——单一界面的反射和折射 E和H的边界条件
在 1、2的界面做一个长方形封
闭曲线
长 l，宽 d很小，由麦克斯韦方程
：
E
•
dl
1 c
Ｂ ｔ
•ｄＳ
由图可得：
Ｅｔ１ － Ｅ
ｔ２
ｌ ＝
１ ｃ
Ｂｌｄ ｔ
Ｅｔ１＝Ｅｔ
同理可证明：Ｈ ｔ１＝Ｈ ｔ２
在界面上 E 和 H 的切向分量的连续
平面电磁波理论——反射和折射定律
在第一种介质中有正方向和反方向两种波
E0E0H0H0
H0N0kE0;H0N0kE0
平面电磁波理论—反射和折射定律
r E0 N0 N1 E0 N0 N1
r可以是正数、也可以是负 数（180度为相越变）
平面电磁波理论——反射和折射定律
对于倾斜入射：引进一个修正光纳η
两束光产生干涉的条件：
➢频率相同
➢振动方向一致 ➢位相相同或位相差恒定
麦克斯韦方程组
微分形式
积分形式
E——电场强度 矢量
D——电位移矢量 流矢量
H——磁场强度 B——磁感应强度 μ——磁导率
j——电流密度
jD——位移电
ρ ——电荷密度 ε ——介电常数 σ ——电导率
各向同性、均匀介质物质方程： D =ε E B =μ H j = σE
光学材料的基本属性
光学常数
折射率 n、消光系数 、吸收系数、极化率 、
光电导率
基本光学常数，复折射率 的实部和虚部。
nˆ
色散关系
“光学常数”，并非真正常数，入射光频率的函数——色 散关系。
洛伦兹色散理论——绝缘体和半导体 Drude色散理论——金属
薄膜光学的几个基本假设条件： ✓工作波段：光学 ✓薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级 ✓薄膜的面积与波长相比可认为无限大 ✓薄膜材料各向均匀、同性 ✓薄膜材料为非铁磁性材料 ✓光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播
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。
光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射 方向产生光的干涉现象，人们正是利用这种干涉现象，通过改变材料及其厚度等 特性来人为的控制光的干涉，根据需要来实现光能的重新分配。
三十年代中期德国的鲍尔和美国的斯特朗先后用真空蒸发方法制备了单 层减反射膜，这种简单的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地 应用。
折射率为1．52的玻璃敷有折射率为1．38的氟化镁薄膜后，单面的反射损失 可从4.2%减少到1．5%左右，例如7块平板系统镀膜后，在参考波长上总的 透射率可近似地估计为：
入射波、反射波、透射波的相位因子：
exp
i
i
t
2N 0
0
x
sin 0
z
cos0
exp
i
t
t
2N1
1
xt
t1 y
t
z
exp
i
tr
2N 0
0
xr
r
y
r
z
由 于 在 z 0处 ， 任 何 时 间 内足 始边 终界 满条 件
1i r t; 2相 位 中 对 应 x、的 y系 数 相 等
4 c
4
E i E c
E
i c
N 2E
平面电磁波理论——E和H的关系
N=n-ik 复折射率
N H ，这是N的另一种表达 rE
称为光学导纳
平面电磁 波理论
若 光 波r沿 ，， 所 确 定 的 方 向 传 播
E
E0
expit
2N
x
y
z
将 N c n ik 代入 2 可得
v
E
E 0 exp
1886年瑞利在英国皇家协会报告说：“失泽”的冕玻璃平板，其反射比 刚抛光更低原因是玻璃形成了薄薄的一层膜。1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章中写到，在使用几年后的普通物镜的火石玻璃透镜上 “失泽”现象是十分明显的。我们很高兴的是，能够使这种火石玻璃的拥有 者放心，通常用怀疑眼光看待的这层使玻璃“失泽”的薄膜，却正是观测者 的“挚友”，因为它增加了物镜的透射率。
i
t
2 Nx
E
E 0 exp
2 kx
exp
i
t
2 nx
距离：
2 k
使
E
降
0
为
1 / e,趋肤
nx : 称为光学厚度
效应
平面电磁波理论—— 坡印廷矢量
电磁波传播时，表示单位时间内通过单位面积的能矢量S,称为坡 印廷矢量，或能流密度
这表明电磁波坡印廷矢量和振幅平方及介质的光学导纳成正比。
平面电磁波理论——E和H的关系
对于沿
r , , 方向的平面波
E E 0 exp
i
t
2 N
x
y
z
H
H 0 exp
i
t
2 N
x
y
z
i
j
k
H
i 2 N r H
x
y
z
Hx
Hy
Hz
由麦克斯韦方程：
H 4 j 1 D
c
c t
H
i c
T＝(0．97)7＝80．7%．
未镀膜： T=(0.92)7=55.7%
这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25％的透射能量
应用于光学领域的薄膜可分成两大部分，第一部分是光学薄膜，第二 部分是光学波导及其相应器件，前者的特点是光横穿过薄膜而进行传播；后 者的特征是光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播，对于光学薄膜，在一块 基片上淀积五、六十层膜并非罕见，涂镀工艺是比较成熟的；而对光学波导， 则膜层层数一般不多，通常仅用一层膜，其镀制工艺仍处在发展初期。本课 程是前一情况。
N0r N1t 0
3N0 sin0 N0r N1t
平面电磁波理论——反射和折射定律
结论：
0 r N 0 sin 0 N1 sin 1
---菲涅尔折射定律 它不仅适用于介质，同样适用于金属。
平面电磁波理论——反射和折射定律
垂直入射的情况：E和H都与界面平行 由于第二种介质中没有反射波：H1=Ht E1=Et
仿照光纳定义， 的定义为：
H
tan
k
E
tan
;
H
tan
k
E
tan
a 对于 TM (横磁波） P 光 , 与于界面平行
E
tan
E
事实上，泰勒发展了一种用化学侵蚀产生“失泽”而制作化学减反膜 的方法。
目前制备光学应用的薄膜的主要方法是真空蒸发法和溅射法，后者在十 九世纪中叶就发现了，而前者可追朔到二十世纪初。但在1930年以前，它们 不能作为实用的镀膜方法，因为没有获得高真空的真正适用的抽气机，直到 1930年出现了油扩散泵—机械泵抽气系统以后，制造实用的真空镀膜机才成 为可能。
平面电磁波理论——单一界面的反射和折射 E和H的边界条件
在 1、2的界面做一个长方形封
闭曲线
长 l，宽 d很小，由麦克斯韦方程
：
E
•
dl
1 c
Ｂ ｔ
•ｄＳ
由图可得：
Ｅｔ１ － Ｅ
ｔ２
ｌ ＝
１ ｃ
Ｂｌｄ ｔ
Ｅｔ１＝Ｅｔ
同理可证明：Ｈ ｔ１＝Ｈ ｔ２
在界面上 E 和 H 的切向分量的连续
平面电磁波理论——反射和折射定律