典型膜系介绍课件.pptx

1、典型膜系介绍典型膜系介绍v增透膜增透膜v分光膜分光膜v反射膜反射膜v滤光片滤光片v特殊膜系特殊膜系一一.增透膜（减反射膜）增透膜（减反射膜）当当光线从折射率为光线从折射率为n0的介质射入折射率为的介质射入折射率为n1的另一介质时在两介质的分界面上的另一介质时在两介质的分界面上就会产生光的反射就会产生光的反射,如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率射，则反射率R为：为：RTnnnnR121010透透射射率率v透过率损失，像的亮度降低，影响作用距离等；透过率损失，像的亮度降低，影响作用距离等；v杂光影响，像的反衬度降低；

2、杂光影响，像的反衬度降低；目前已有很多不同类型的增透膜可供利用，以满足技术光学领域的极大部分需要。可是复杂的光学系统和激光光学，对减反射性能往往有特殊严格的要求。例如，大功率激光系统要求某些元件有极低的表面反射，以避免敏感元件受到不需要的反射的破坏，并且对于薄膜往往有激光阈值的要求。此外，宽带增透膜可以提高象质量、色平衡和作用距离，而使系统的全部性能增强，因此，生产实际的需要促使了减反射膜的不断发展。设计减反膜并没有完整的系统的方法，简捷的途径是用矢量法，并通过试行法得到较满意的结构，然后进行数值计算作精确校核，以消除矢量法所固有的近似影响。一一.增透膜（减反射膜）增透膜（减反射膜）矢量法矢量

3、法 对对于层数较少的减反射膜可以用矢量法作近似计算和设计，于层数较少的减反射膜可以用矢量法作近似计算和设计，这种方法有两个前提：这种方法有两个前提：v膜层没有吸收；膜层没有吸收；v在确定多层膜的特性时只考虑入射波在在确定多层膜的特性时只考虑入射波在每个每个界面界面的单次反射；的单次反射；矢量法矢量法 为为了避免在作矢量图时方向混乱了避免在作矢量图时方向混乱，可，可以规定：以规定：1 1 矢量的模矢量的模r1,r2,r3,r4r1,r2,r3,r4，正值为指向坐标原点，正值为指向坐标原点负值负值为离开原点为离开原点 2 2 矢量之间的夹角仅决定于膜层的光学厚度和所考矢量之间的夹角仅决定于膜层的光

4、学厚度和所考察的察的波波长长(即决定于膜层的位相厚度即决定于膜层的位相厚度)按逆时针方向旋转。按逆时针方向旋转。界面界面上的位相上的位相跃变已经包含在振幅反射系数的符号中，不必另作考虑跃变已经包含在振幅反射系数的符号中，不必另作考虑。1.1 单层增透膜单层增透膜单层增透膜是减少界面反射的最简单途径，单层增透膜是减少界面反射的最简单途径，如右图用矢量法分析：如右图用矢量法分析：2121210101,nnnnrnnnnr从矢量图上可以看到，合振幅矢量r随着r1和2之间的夹角2而变化合矢量端点的轨迹为一园周。当膜层的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的方向完全相反。1.1 单层增透膜单层增透

5、膜2012121101021nnnnnnnnnnnrr则则即即矢量法用来分析单层薄膜情况：矢量法用来分析单层薄膜情况：可见当厚度为某一波长可见当厚度为某一波长1/4，并且，并且r1=r2时剩余反射为零：时剩余反射为零：1.1 单层增透膜单层增透膜2221022102002211112111111221cossinsincosnnnnnnYnYnRnnBCYdniiBC其其中中：运用矩阵法分析运用矩阵法分析1/4波长厚度时的情况：波长厚度时的情况：1.1 单层增透膜单层增透膜1.1 单层增透膜单层增透膜 对对于激光工作物质材料表面则于激光工作物质材料表面则n n1 12 2=n=n0 0n n2

6、 2不再是不再是单层膜的零反射率和最小反射率的条件了。单层膜的零反射率和最小反射率的条件了。1.1 单层增透膜单层增透膜 单单层增透膜的出现，在历史上是一个重大的进展，直至层增透膜的出现，在历史上是一个重大的进展，直至今天仍广泛地用来满足一些简单的用途。但是它存在着两个今天仍广泛地用来满足一些简单的用途。但是它存在着两个主要的缺陷，首光对大多数应用来说剩余反射还显得太高，主要的缺陷，首光对大多数应用来说剩余反射还显得太高，此外，从未镀膜表面反射的光线，在色彩上仍保持中性而从此外，从未镀膜表面反射的光线，在色彩上仍保持中性而从镀膜表面反射的光线就不然，破坏了色的平衔其结果是不镀膜表面反射的光线就

7、不然，破坏了色的平衔其结果是不可能作出良好的色彩还原，作为变焦距镜头超广角镜头，大可能作出良好的色彩还原，作为变焦距镜头超广角镜头，大相对孔径等新型透镜系统中的镀层，那更是不能符合要求。相对孔径等新型透镜系统中的镀层，那更是不能符合要求。有有两个途径可以提高增透效果：两个途径可以提高增透效果：采用变折射率的所谓非均匀膜，它的折射率随着厚度的增采用变折射率的所谓非均匀膜，它的折射率随着厚度的增加呈连续的变化；加呈连续的变化；采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜；采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜；1.2 双层增透膜双层增透膜 对对于单层氟化镁膜来说冕牌玻璃的折射率是太低了。于单层氟

8、化镁膜来说冕牌玻璃的折射率是太低了。为此，我们可以在玻璃基片上先镀一层为此，我们可以在玻璃基片上先镀一层1/41/4波长厚的、折波长厚的、折射率为射率为n2n2的薄膜，这时对于来说薄膜和基片组合的系统的薄膜，这时对于来说薄膜和基片组合的系统可以用一折射率为可以用一折射率为Y=NY=N2 23 3/n/n3 3的假想基片来等价。显然，当的假想基片来等价。显然，当n n2 2nn3 3时，有时，有Y Yn n3 3也就是说，在玻璃基片上先镀一层高也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率的折射率的0 04 4波长厚的膜层后，基片的折射率好象从波长厚的膜层后，基片的折射率好象从n3n3提高到提高到Y=N

9、Y=N2 23 3/n/n3 3 ，然后镀上，然后镀上0 04 4波长厚的氟化镁膜波长厚的氟化镁膜层就能起到更好的增透效果。层就能起到更好的增透效果。构成构成0 04-4-0 04 4型增型增透膜，若使中心波长的反射率为零，应满足：透膜，若使中心波长的反射率为零，应满足：03201nnnnYn1.2 双层增透膜双层增透膜 当折射率完全满足以上关系的材料不能找到时，可以通过厚度的调整来达当折射率完全满足以上关系的材料不能找到时，可以通过厚度的调整来达到，如图所示，到，如图所示，n0、n3分别为入射介质和基片的折射率，分别为入射介质和基片的折射率，n1和和n2为折射率为折射率己确定的低折射率和高折

10、射率材料的膜层，己确定的低折射率和高折射率材料的膜层，1、2便是待定的膜层位相厚便是待定的膜层位相厚度，用矢量法进行分析度，用矢量法进行分析:)0()0()0(332323221212110101rnnnnrrnnnnrrnnnnr通通常常1.2 双层增透膜双层增透膜只有当矢量只有当矢量r1、r2和和r3组成封闭三角形才能使合矢量为零。因此只须以矢量组成封闭三角形才能使合矢量为零。因此只须以矢量r1的始点和终的始点和终点为圆心，分别以点为圆心，分别以r3和和r2为半径作两个园，两个园的交点就是满足合矢量为零条件的矢为半径作两个园，两个园的交点就是满足合矢量为零条件的矢量量r2和和r3头尾相接的

11、点，然后从矢量图上即可量得头尾相接的点，然后从矢量图上即可量得21、22的值。显然，图示的两种方的值。显然，图示的两种方式，都能使三角形封闭。解式，都能使三角形封闭。解(b)的膜层总厚度比解的膜层总厚度比解(a)的小，它对波长的敏感性也较小，的小，它对波长的敏感性也较小，所以通常取此解。所以通常取此解。用矢量法求出双层增透膜的各层厚度用矢量法求出双层增透膜的各层厚度0510152025400450500550600650700750800Antireflection Coating 550 nm%ReflectanceWavelength(nm)红线：红线：1.38H 0.61L兰线：兰线：0

12、.31H 2.77L NH=1.7 NL=1.461.2 双层增透膜双层增透膜 上上面讨论的面讨论的0 04-4-0 04 4 结构的结构的V V形膜只能在较窄的光形膜只能在较窄的光谱范围内有效地减反射，因此仅适宜于工作波段窄的系统中谱范围内有效地减反射，因此仅适宜于工作波段窄的系统中应用厚度为应用厚度为0 04-4-0 02 2型的双层增透膜，在中心波长型的双层增透膜，在中心波长0 0两侧，两侧，可望有两个反射率极小值，反射率曲线呈可望有两个反射率极小值，反射率曲线呈W W型，所型，所以也有把这种双层增膜称作为以也有把这种双层增膜称作为W W型膜的对于中心波长膜层和型膜的对于中心波长膜层和基

13、片组合的特征矩阵为基片组合的特征矩阵为1.2 双层增透膜双层增透膜3211133110020013222222111111/110010/022,2421cossinsincoscossinsincosnnBCYinnnininniCBiiiiBC1.2 双层增透膜双层增透膜显然，在中心波长处的反射率与单层膜相同。显然，在中心波长处的反射率与单层膜相同。1.2 双层增透膜双层增透膜012345400450500550600650700单层膜、/4-/4和/2-/2型双层增透膜理论曲线%ReflectanceWavelength(nm)1.2 三层增透膜三层增透膜 双双层增透膜的减反射性能比单层

14、增透膜要优越得，但它层增透膜的减反射性能比单层增透膜要优越得，但它并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点（并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点（1 1）剩余反射高；）剩余反射高；（2 2）带宽小。为了克服以上的缺点人们设计出了三层以及多）带宽小。为了克服以上的缺点人们设计出了三层以及多层增透膜。对于层增透膜。对于0 04-4-0 04 4 型的增透膜在中心波长处增型的增透膜在中心波长处增透效果好但是带宽较小透效果好但是带宽较小，0 04-4-0 02 2型的增透膜在一定型的增透膜在一定程度上展宽了带宽但是总体的减反射效果不理想，人们想到程度上展宽了带宽但是总体的减反射效果不理想，人们想到将它

15、们结合起来，设计出将它们结合起来，设计出0 0/4-/4-0 0/2-/2-0 0/4-/4-0 0型增透膜，型增透膜，不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。总总之，人们可以通过调整层数、厚度、材料来不断的优之，人们可以通过调整层数、厚度、材料来不断的优化设计，由于实际工作中化设计，由于实际工作中0 04 4的整数倍厚度容易控制，人的整数倍厚度容易控制，人们把全部由们把全部由0 04 4整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。之为非规整膜系。012345400450500550600650700K9基底上各种设计

16、的增透膜理论曲线比较%ReflectanceWavelength(nm)012345400500600700800900100011001200130014001500Antireflection coating at 532nm&1064nm%ReflectanceWavelength(nm)G.25453I.06773H.0459I.10938L.05389H.08113L.21788F Air I:1.7 H:2.3 L:1.46 F:1.38 高折射率基底材料的的减反射膜高折射率基底材料的的减反射膜 在可见区应用的大多数光学玻璃，通常在波长大于3微米以后就不再透明因此，在红外区经常采用

17、某些特种玻璃和晶体材料特别是半导体材料。半导体有很高的折射率，例如硅约为3.4而锗大约是4。这些半导体基片若不镀增透膜，就不可能广泛地使用这个问题不同于可见区，在可见区，其目的是将大约4%的反射损失减小到千分之几，而在红外区，则是将30%左右的反射损失减小为百分之几。一般说在红外区百分之几的损失是允许的，因而低折射率基片通常很少镀减反膜。红外材料镀膜从原理上讲同可见是一致的，只不过材料的选择余地较小。减反射膜的一个特殊应用减反射膜的一个特殊应用光学镀层应用于太阳能利用方面光学镀层应用于太阳能利用方面 太太阳能利用有光热转换、光热电转换和光电直接转换三种阳能利用有光热转换、光热电转换和光电直接转

18、换三种主要形式。前两种形式都要有一个选择性的吸收表面，。使之主要形式。前两种形式都要有一个选择性的吸收表面，。使之对太阳损射有最高的吸收而热辐射损失又最久以便有效地利用对太阳损射有最高的吸收而热辐射损失又最久以便有效地利用太阳能这一点利用光学镀层是容易实现的。如图表示入射在太阳能这一点利用光学镀层是容易实现的。如图表示入射在地球表面上的太阳光的光谱分布以及黑体在不同温度下辐射光地球表面上的太阳光的光谱分布以及黑体在不同温度下辐射光谱。从图上可以清控地看到达两个光谱之问存在着间隔谱。从图上可以清控地看到达两个光谱之问存在着间隔，对，对于于500K500K以下的黑体温度两者的边界波长大约在以下的黑

19、体温度两者的边界波长大约在2.52.5微米左右。由于微米左右。由于存在着这个间隔，就能做成这样的表面，既能有效地吸收太阳存在着这个间隔，就能做成这样的表面，既能有效地吸收太阳光而又不会在工作温度下把吸收的能量再发射出去光而又不会在工作温度下把吸收的能量再发射出去。减反射膜的一个特殊应用减反射膜的一个特殊应用光学镀层应用于太阳能利用方面光学镀层应用于太阳能利用方面 需需要这样的选择性吸收体：在要这样的选择性吸收体：在2.52.5微米以下波长区域有最高微米以下波长区域有最高的吸收率，但是对于长波长有低的发射率的吸收率，但是对于长波长有低的发射率。于。于是放置在太阳光中是放置在太阳光中的选择性吸收体

20、将达到比一般的黑体表面更高的温度的选择性吸收体将达到比一般的黑体表面更高的温度。由。由于热能于热能在高温比低温更宝贵在高温比低温更宝贵(这一点是很重要的这一点是很重要的)，在红外区有高反射的，在红外区有高反射的金属上沉积一薄的半导体层和一简单的减反射膜组成的系统能满金属上沉积一薄的半导体层和一简单的减反射膜组成的系统能满足这个要求，半导体层增加了太阳辐射的吸足这个要求，半导体层增加了太阳辐射的吸收率收率，但它对于红外，但它对于红外区是透明抵所以保持了红外区有高的反射率也即低的红外发射率，区是透明抵所以保持了红外区有高的反射率也即低的红外发射率，但由于半导体折射率较高，表面有可观的反射损率，因此

21、可以用但由于半导体折射率较高，表面有可观的反射损率，因此可以用减反膜减反膜来消除反射。来消除反射。减反射膜的一个特殊应用减反射膜的一个特殊应用光学镀层应用于太阳能利用方面光学镀层应用于太阳能利用方面减反射膜的一个特殊应用减反射膜的一个特殊应用光学镀层应用于太阳能利用方面光学镀层应用于太阳能利用方面使用增透膜的几个注意事项使用增透膜的几个注意事项使用的波长范围，单点还是宽光谱或一段光谱带一点；使用的波长范围，单点还是宽光谱或一段光谱带一点；例如可见区例如可见区(420nm-700nm)(420nm-700nm)，或红外（，或红外（3700nm-4800nm)3700nm-4800nm)，或可见区

22、加或可见区加1064nm1064nm等；等；剩余反射率指标；（平均或最大剩余反射率）剩余反射率指标；（平均或最大剩余反射率）使用角度或角度范围；使用角度或角度范围；使用环境；（有无三防要求等）使用环境；（有无三防要求等）有无激光阈值要求；有无激光阈值要求；分光膜分光膜 一一般讲分光膜可以分为分束膜和分色膜，后者是般讲分光膜可以分为分束膜和分色膜，后者是按颜色（波长）不同进行分光，本节主要讲分束膜，按颜色（波长）不同进行分光，本节主要讲分束膜，它把一束光分按比例成光谱成分相同的两束光它把一束光分按比例成光谱成分相同的两束光，也，也即即它在一定的波长区域内，如可见区内，对各波长具有它在一定的波长区

23、域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率、反射率比例，因而反射光和透射光不相同的透射率、反射率比例，因而反射光和透射光不具有颜色，并呈具有颜色，并呈中性中性。分光镜通常总是倾斜使用的，。分光镜通常总是倾斜使用的，它能把入射光分离成反射光和透射光两部分，对于不它能把入射光分离成反射光和透射光两部分，对于不同的用途分光镜往往有不同的透射率和反射率比同的用途分光镜往往有不同的透射率和反射率比T TR R。分光板的两种使用方式分束镜又可以按使用方式分为平板和棱镜分光两种分束镜又可以按使用方式分为平板和棱镜分光两种正确正确错误错误棱镜分光1.NPBSNon-polarising beam splitt

24、er2.PBSpolarising beam splitter金属分光镜金属分光镜金属分光镜是最常用的分光镜金属分光镜是最常用的分光镜AgAg膜：吸收小、中性差、稳定性差膜：吸收小、中性差、稳定性差 在一般场合下要求分光膜的吸收小，因而在用金属作为分在一般场合下要求分光膜的吸收小，因而在用金属作为分光膜时应选择光膜时应选择k kn n值大一些的材料在可见区，银是吸收最小值大一些的材料在可见区，银是吸收最小的一种金属膜，但中性稍差，在光谱的蓝色端反射率下降，的一种金属膜，但中性稍差，在光谱的蓝色端反射率下降，而且银的机械强度和化学稳定性都不好，一般只在胶合棱镜而且银的机械强度和化学稳定性都不好，

25、一般只在胶合棱镜中使用；中使用；AlAl膜和膜和CrCr也经常用作分光膜；也经常用作分光膜；AlAl膜也存在中性和牢固度的问题膜也存在中性和牢固度的问题CrCr膜的中性较好，一般在可见区的长波段比短波端透射高。膜的中性较好，一般在可见区的长波段比短波端透射高。镍铬合金（镍铬合金（80Ni-20Cr)80Ni-20Cr)在较宽的光谱范围内中性较好。在较宽的光谱范围内中性较好。金属分光镜金属分光镜11nm金属铬(Cr)在正反两个方向入射时的反射率金属中性分光G/11nm Cr膜/AirG/53nmZnS/11nm Cr膜/Air 金属分光镜金属分光镜金属分光镜的优缺点金属分光镜的优缺点优点：中性好

26、，光谱范围宽、偏振效应小、制作简单优点：中性好，光谱范围宽、偏振效应小、制作简单缺点：吸收大、激光阈值低缺点：吸收大、激光阈值低使用注意事项：光的入射方向使用注意事项：光的入射方向介质分光膜介质分光膜 在在某些情况下，不允许分光膜有明显的吸收，这时就必须某些情况下，不允许分光膜有明显的吸收，这时就必须使用全介质分光膜，其实一层高折射率材料就可以构成简单的使用全介质分光膜，其实一层高折射率材料就可以构成简单的分光膜。在透明基片分光膜。在透明基片n ng g上镀上一层上镀上一层1/41/4波长的高折射率的介质波长的高折射率的介质薄膜薄膜(n(n1 1)就能增加反射率，减小透射率，在中心波长附近一个

27、就能增加反射率，减小透射率，在中心波长附近一个相当宽的波长范围内这种膜的反射率随被长改变得非常缓相当宽的波长范围内这种膜的反射率随被长改变得非常缓慢中心波长处的反射率为一极大值，可由下式计算：慢中心波长处的反射率为一极大值，可由下式计算：coscos/2210210maxnSnPRgg分量：分量：而而分量：分量：0 04 4厚单层薄膜材料在厚单层薄膜材料在K9K9基片反射率随折射率的变化情况基片反射率随折射率的变化情况介质分光膜介质分光膜 一一般讲可见区透明材料的折射率都在般讲可见区透明材料的折射率都在2.52.5以下，要实现以下，要实现50%50%的反射，即使是单点也很难实现，而且单层膜的有

28、效宽度不够，的反射，即使是单点也很难实现，而且单层膜的有效宽度不够，所以经常使用的是多层介质膜。所以经常使用的是多层介质膜。H(LH)H(LH)n n是反射膜系，当层数不多是反射膜系，当层数不多时反射率不高，同时又有一定的透射率，加以适当的修正使得时反射率不高，同时又有一定的透射率，加以适当的修正使得在某一区域内有较好的中性，就可以成为一种分光膜。在某一区域内有较好的中性，就可以成为一种分光膜。0102030405060708090100200300400500600700800分光膜%TransmittanceWavelength(nm)单层ZnS膜与五层G/2LHLHL/Air结构膜系光谱

29、比较G-K9;L-MgF2;H-ZnS020406080100400450500550600650700750800K9基底上分光膜理论曲线%TransmittanceWavelength(nm)平板分光膜的偏振分离情况平板分光膜的偏振分离情况020406080100400450500550600650700K9棱镜分光膜理论曲线%TransmittanceWavelength(nm)棱镜分光膜的偏振分离情况棱镜分光膜的偏振分离情况介质分光膜介质分光膜介质分光膜的特点介质分光膜的特点优点：吸收小，几乎可以忽略优点：吸收小，几乎可以忽略缺点：光谱范围窄、偏振分离明显、角度效应明显缺点：光谱范围窄

30、、偏振分离明显、角度效应明显介质分光镜于金属分光镜的比较v 中性v 角度、偏振v 带宽v 其它反 射 膜 在光学薄膜中，反射膜和增透膜几乎同样重要，对于光学仪器中的反射统来说，由于单纯金属膜的特性大都已经满足常用要求，因而首先讨论金属反射膜，在某些应用中，若要求的反射率高于金属膜所能达到的数值则可在金属膜上加额外的介质膜以提高它们的反射率，最后介绍全介质多层反射膜，由于这种反射膜具有最大的反射率和最小的吸收率因而在激光应用中得到了广泛的使用。金属反射膜22222)1()1()(1)(1knknikniknR光线入射到金属上的反射率：当金属膜厚度达到一定程度的时候，基底的影响可以忽略，在一个比较

31、大的范围内反射率与厚度是基本无关的。0102030405060708090100-050010001500200025003000350040004500500055006000650070007500800085009000950010000不同厚度Al膜的反射对比%ReflectanceWavelength(nm)下图为1、2、4、8、16、32、64、128nm铝膜反射率的理论曲线金属的色散金属反射镜金属膜材料的选择原则:q 先考虑使用波段要求q 反射率要求q 使用环境q 制作成本等Al、Ag、Au、Pt金属膜材料的选择 铝：最常用，紫外、可见、红外 银：反射率最高，稳定性差 金：红外常

32、用、稳定 铂、铑：稳定、坚固金属膜的制作工艺q 温度、速度、厚度、真空度、蒸发角度q 连接层（内、外反射）q 保护层（透明波段）复杂的系统往往要求有足够的能量，右图是一个完全由反射镜组成的系统的能量情况。增强金属反射镜22222)1()1()(1)(1knknikniknR单一金属膜 在上面加两层1/4波长厚度的介质膜，假设紧贴金属的膜层折射率为n2，则在中心波长处的反射率可以由薄膜矩阵求得。24212221242122212221221222122110020012222221111111111)(/10/00/042,2421cossinsincoscossinsincosknnnnnkn

33、nnnniknnniknnnRiknnnBCYikninniinniCBikniiiiBC2421222124212221*11knnnnnknnnnnR22222)1()1()(1)(1knknikniknR当n1n2时比较两个反射率R*R01020304050607080901002002503003504004505005506006507007508008509009501000%ReflectanceWavelength(nm)Ag膜、Al膜及Al+LHLH膜光谱比较全介质反射膜 金属反射镜的吸收是始终存在的，使它在很多场合不能 应用，如有些高能激光膜，这时候需要全介质高反膜。由H/

34、L高低介质重复叠加可以对某一波段进行高反射。如（HL)sH/Glass结构的导纳：由反射率公式可知：S越大，反射率越大；nH/nL越大，反射越大。HLH导纳轨迹 理论上只要增加膜系的层数反射率可无限地接近于100%，实际上由于膜层中的吸收、散射损失，当膜系达到一定层数时继续加镀两层并不能提高其反率，有时甚至由于吸收、散射损失的增加而使反射率下降因此膜系中的吸收和散射损耗限制了介质膜系的最大层数。全介质反射膜0102030405060708090100400450500550600650700750800%ReflectanceWavelength(nm)57917层反射膜光谱 由上图可以看出最

35、高反射率随层数增加，而反射带宽并不增加 对于(HL)s型的反射膜我们试图通过分析它的基本周期来确定反射带宽。基本周期HL特征矩阵设为：反射带宽的确定22211211mmmmM 无无关关、与与，如如果果为为简简化化令令未未镀镀膜膜及及片片相相比比较较未未未未2112221110210012211210222111010*00*012221121122211211124)()(4211uuTTuuTuuuuTCBCBCBBCRTuuuuCBuuuuMukkkkkks则膜系的特征矩阵：2211221121121uumm则则可 证明当周期数增大，s趋近无限大时这时反射率随层数增加而增加，所以在反射区内

36、，当它小于1时反射率随层数关系不确定，故不是反射区，所以：1212211mm是反射区的边界HL的矩阵:cossinsincoscossinsincosLLHHinniinniMH、L都是1/4波长22222211222211cos1sin21cos21sin21cos21LHLHHLLHHLLHnnnnnnnnmmnnnnmm边边整整理理令令不不能能大大于于1称为相对波数称为相对波数/2242000gg相位厚度：中心波长处高反带的边界LHLHnnnngggg122sin2,2sincos,122边边边边边边因此因此反射带宽与H、L的折射率有关用相对波数表示带宽：gg11用波长表示带宽：gg11

37、02010200021/21/1/ggggg同样道理，在1/3、1/5、1/7、1/9处的反射带边界为：ggg5,3,1000500032525/5/923/3/gggggg波长带宽02040608010010020030040050060070080090010001100中心波长在900nm的标准反射膜%TransmittanceWavelength(nm)横坐标为波数（1/cm)横坐标为波长（nm）全介质反射膜的展宽 有些场合标准的反射膜反射带宽是不够用的，例如想用全介质的反射膜在整个可见区高反射，由于材料的限制，一组（HL)SH反射带宽是不够的。01020304050607080901

38、00400450500550600650700750800%ReflectanceWavelength(nm)两组反射膜G/(HL)8H/Air和G/1.2(HL)8H)/Air的两个膜系简单的叠加不行0102030405060708090100400450500550600650700750800%ReflectanceWavelength(nm)G/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.2(HLHLHLHLHLHLH/AirG/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.1L+1.2(HLHLHLHLHLHLH/Air全介质反射膜反射带展宽两个以上的标准反射膜系的叠加变厚度薄膜：算术递减几何

39、递减：稍好材料：ZnS、MgF2 公差：-0.02 公比：0.97金属反射镜金属反射镜01020304050607080901002002503003504004505005506006507007508008509009501000%ReflectanceWavelength(nm)Ag膜、膜、Al膜及膜及Al+LHLH膜光谱比较膜光谱比较增强金属膜增强金属膜全介质高反膜全介质高反膜 由1/4波长厚度的高低折射率材料交替构成的HLH.LH型膜系，其导纳可以由其特征矩阵较为容易的得到：GHSLHnnnnY22而反射率：200YnYnR层数s趋近无穷大，R趋近1。0102030405060708

40、090100400450500550600650700750800%ReflectanceWavelength(nm)57917层反射膜光谱层反射膜光谱 由上图可以看出最高反射率随层数增加，而反射带宽并不增加22cosLHLHnnnn边边边界条件：边界条件：LHLHnnnngggg122sin2,2sincos,122边边边边边边因此因此称为相对波数称为相对波数/2242000ggHLLHnnnng1sin2反射带宽：用相对波数表示带宽：gg11用波长表示带宽：gg1102010200021/21/1/ggggg000500032525/5/923/3/ggggggggg5,3,1波长带宽同样

41、道理，在1/3、1/5、1/7、1/9处的反射带边界为：全介质反射膜反射带展宽两个以上的标准反射膜系的叠加变厚度薄膜：算术递减几何递减：稍好如何减小反射带宽HLLHnnnng1sin202040608010010020030040050060070080090010001100中心波长在900nm的标准反射膜%TransmittanceWavelength(nm)红：G/(LF)50L/Air 绿：G/(7H 7F)5 7F/Air nH=2.3 nL=1.46 nF=1.38 0=550nm020406080100400450500550600650700不同膜系获得相同反射率以及相同带宽情

42、况对比%TransmittanceWavelength(nm)01020304050607080901004004505005506006507007508008509009501000负滤光片%TransmittanceWavelength(nm)负滤光片反射膜系中的电场分布反射膜系中的电场分布 当两列振幅相同的相干波沿相反方向传播时，叠加后便产生驻波。全介质高反膜系中沿正、反两个方向行进的平面电磁波满足相干条件，当反射率接近1时，满足驻波形成的条件；精确的计算可以用矩阵的方法进行；在高能激光反射膜中经常关心电场的分布情况G/(HL)8HAir 反射膜系的电场分布情况激光反射镜电场设计两个原

43、则两个原则滤光片滤光片q 干涉截止滤光片 q 窄带、带通滤光片q 金属滤光片q 负滤光片q 干涉截止滤光片 有些场合，人们利用反射膜截止某一段光谱，同时还要求另一段光谱透射。Long-pass or Short-pass Filters IR cut off filters Hot mirrors Cold mirrors Edge filters Dichroic Filters 一般称为前、后截止滤光片和 分色膜它们有着近似的膜系结构，使用方式有所不同。要求某一波长范围的光束高效透射而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射(或称抑制)的干涉截止滤光片有着广泛的应用（例如：电影放映机中的冷光镜）

44、，通常把抑制短波区、透射长波区的滤光片称为长波通滤光片。相反抑制长波区、透射短波区的截止滤光片就称为短波通滤光片。1透射曲线开始上升(或下降)时的波长以及此曲线上升(或下降)的许可斜率;2高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内许可的最小透射率;3具有低透射率的反射带(抑制带)的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率。干涉截止滤光片的几个重要指标 干涉截止滤光片的基本结构与前面讲的反射膜是一样的，都是HL四分之一波长的形式通带波纹的压缩通带波纹的压缩 可以看出标准的四分之一波长的反射膜在反射带以外，透射率是震荡的，或者说通带内由较大的波纹幅度，我们下面利用等效折射率的方法来分析，找到波

45、纹压缩的方法。HLLH型的膜系在最外端稍加变化则可以用（L/2HL/2)n或(H/2LH/2)n来替代。这样我们就可以用周期膜系的等效折射率的方法进行分析了。对于以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜，对于以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜，却具有单层膜特征矩阵的所有特点，在数学上存在着却具有单层膜特征矩阵的所有特点，在数学上存在着一个等效层，这为等效折射率理论奠定了基础。一个等效层，这为等效折射率理论奠定了基础。下面下面我们就以最简单的对称膜系我们就以最简单的对称膜系(pqp)为例说明对称膜系在为例说明对称膜系在数学上存在一个等效折射率的概念。这个称膜系的特数学上存在一个等效折射率的概念

46、。这个称膜系的特征矩阵为：征矩阵为：对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率 由由于对称膜系的待征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同于对称膜系的待征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的性质，可以假定以相似的形式来表示：的性质，可以假定以相似的形式来表示：对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率因此它可以用一层特殊的等效单层膜来描写，因此它可以用一层特殊的等效单层膜来描写，这层等效这层等效膜的折射率膜的折射率E E（等效折射率）和位相厚度（等效折射率）和位相厚度(等效位相厚度等效位相厚度)可以由下面方程求得：可以由下面方程求得：对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率对于某些波长范围对于某些波长范围M

47、M1111的绝对值大于的绝对值大于1 1 对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率对于M11的绝对值小于1的情况：上式表示一个周期性对称膜系在它的透射带中仍然存在有一个等效折射率，它和基本周期对称组合等效折射率E完全相同，并且它的等效位相厚度等于基本周期的等效位相厚度s倍L/2HL/2等效折射率H/2LH/2 对称膜系的等效折射率对称膜系的等效折射率通过对L/2HL/2和H/2LH/2两种基本型等效折射率分析可以得到L/2HL/2适合短波通 一种压缩波纹的简单的方法是选择合适的基本周期，通过改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变到更接近预期值，要使这种方法有成效，则要求光洁基片保持低的反射

48、率即基片应有低的折射率，在可见光区，玻璃是十分满意的基片材料，但是这种方法不能不加修改就用于红外区，例如用于硅板和锗板，更常用的方法是在多层膜的每一侧加镀匹配层，使它同基片以及入射介质匹配。020406080100500550600650700750800Lowpass Example&Highpass Example%TransmittanceWavelength(nm)通带的展宽与压缩 /4堆这种型式的长波通滤光片，其长波通带可以一直延伸至膜料和基片的吸收限宽度是足够的，但短波通滤光片因为有更高级次的截止区，所以它的通带宽度是有限的，在有些情况下例如某些类型的热反光镜，就要求宽得多的短波通

49、带，现在讨论短波通滤光片通带的展宽的问题。通过改变基本周期的结构形式，调整每层的折射率、厚度，使1212211mm的条件不满足，可以消除某些级次的反射带。光学薄膜的类型与符号1.减反膜2.滤光膜3 保护膜4 内反射5 外反射6 高反膜7 分束膜8 分色膜9 偏振膜10 导电膜小结：带通滤光片q 金属滤光片q 全介质滤光片q 双半波、三半波全介质滤光片q 金属诱导透射滤光片 最简单的薄膜窄带滤光片是根据法布里珀珞多光束干涉仪制成的，干涉膜系按最初的形式法布里-珀珞干涉仪是由两块相同的、间距为d的平行反射板组成(如图)，对于平行光线，除了一系列按相等波数间隔分开的很窄的透射带而外，其余所有波长的透

50、射率都很低。这个标准具可以代换成一个完全的薄膜组合两个金属反射层夹一个介质层，介质层取代间距d的位置，称为间隔层。法布里珀珞标准具iiiierret tterrt tettt2212132121211.有效界面法 膜系1、2之间的膜层为选定层，厚度为d，则：cos2 Nd考虑多光束干涉，透射系数：2cos211,121212221222122212212211222122122121rrrrttTerrttTerrerrerrtttTiiii设设：2cos221sin2121212用替代整理20sin1FTT212210221,)1()1(4,221RRRRTTTRRF得到：其中：滤光片的主要