光学增透和增反多层膜的设计与计算
最新《薄膜光学与技术》2012期末考试试题A-答案
2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能 达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度 为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分 别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反 射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个 反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 5、周期性对称膜系(pqp)s 的等效折射率和 基本周期/pqp 的等效折射率完 全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的s 倍 。 6、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底 的组合导纳为： s n n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ， 高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、镀膜室内真空度高表明气体压强 小 ，真空度低则气体压强 大 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采 用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜 层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。 13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在 500-700nm 范围内，可以选取的监控波长为 600 和 514.3 nm 。
光学系统设计七个例子
光学系统设计（Zemax初学手册） 蔡长青 ISUAL 计画团队 国立成功大学物理系 （第一版，1999年7月29日） 前言 整个中华卫星二号“红色精灵”科学酬载计画，其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。 这份初学手册提供初学者使用软体作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软体。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在Zemax E. E. 7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参与“红色精灵”计画，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，整个内容已在Zemax E. E. 8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册（共有七个习作）与后续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。（陈志隆注） (回内容纲目) 习作一：单镜片(Singlet) 你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data，产生ray fan，OPD，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行简单光学设计最佳化。 设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。 首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。 然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line 光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。也就是说，entrance pupil的大小就是aperture的大小。 回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按滑鼠，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面 (surface)，于是在STO栏上，选取insert cifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ 为0，STO为1，而IMA为3。 再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。又
单、双、多层增透膜的原理及应用
单、双、多层增透膜的原理及应用 （转载自网络并整理） ? 单层λ/4增透膜 λ/4的光学增透膜（下面讨论时光学元件用玻璃来代替, 初始入射介质用空气来代替）, 一般为在玻璃上镀一层光学厚度为λ/4的薄膜,且薄膜的折射率大于空气的折射率, 小于玻璃的折射率由菲涅耳公式知, 光线垂直人射时, 反射光在空气一薄膜界面和薄膜一玻璃界面都有半波损失设空气、镀膜、玻璃的折射率分别为n0,n1,n2 且n2>n1>n0定义R01,T01为空气-薄膜界面的反射率与透射率,R01，T01为薄膜-空气界面的反射率与透射率,R12，T12为薄膜-玻璃界面的反射率与透射率, R21，T21为玻璃-薄膜界面的反射率与透射率如图4-1所示示, 为了区分人射光线和反射光线, 这里将入射光线画成斜入射，图4-1中反射光线1和2的光程差为λ/2, 这样反射光便能完全相消由菲涅耳公式知道, 光垂直通过界面时, 反射率R 和透射率T 与折射率n 的关系为： 2 212 11221122 1 21221 122 101 00110012 1011001)(41) ()(41) (n n n n R T T n n n n R R n n n n R T T n n n n R R += -==+-==+= -==+-== 设人射光的光强为I0, 则反射光线1的光强I1=I0R0, 反射光线2的光强I2=I0I01R12T10。余下的反射光的光强中会出现反射率的平方, 因为反射率都比较小, 故可不再考虑。λ/4的光学增透膜使反射光线1与反射光线2的光程差为δ=2n1d1=λ/2, 故相位差为л, 由干涉理论知, 干涉后的光强为: 212010102121)(cos R T R I I I I I I p -=++=π 因为折射率n0,n1,n2比较接近，例如n0=1,n2=1.5的界面，T=96%，故可近似地取T01和T10为1，若使Ip 为0 ，则有R01=R12，即： 21 21220101)()( n n n n n n n n +-=+-
光学薄膜技术第三章 薄膜制造技术
第三章薄膜制造技术 光学薄膜可以采用物理汽相沉积（PVD)和化学液相沉积（CLD)两种工艺来获得。CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，废水废气对环境造成污染，已很少使用。 PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。 PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。 制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识 用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几个原子、分子的集合体（从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚。 在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在，那就会产生如下一些问题： ①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜； ②空气分子进入薄膜而形成杂质； ③空气中的活性分子与薄膜形成化合物； ④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成 化合物，从而不能进行正常的蒸发等等。 因此，必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个 过程称为抽气。空气压力低于一个大气压的状态称为真空， 而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空 室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备。制作 薄膜最重要的装备是真空设备． 真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备。二 者真空度不同，这两种真空设备的抽气系统基本上是相同 的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气 系统的材料也不同，下图是典型的高真空设备的原理图，制 作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类。 下图是超高真空设备的原理图，在原理上，它与高真空设备 没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性， 超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直 接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵（如钛吸气泵） 来辅助超高真空泵。 3.1 高真空镀膜机 1.真空系统 现代的光学薄膜制备都是在真空下获得的。普通所说的 真空镀膜，基本都是在高真空中进行的。 先进行(1)然后进行(2)。因为所有的（超）高真空泵只有在真空室的压力降低到一定程度时才能进行工作，而且在高真空泵（如油扩散泵）中，要把空气之类的分子排出，就必须使排气口的气体压力降低到一定程度。 小型镀膜机的真空系统 低真空机械泵+高真空油扩散泵+低温冷阱
增透膜的原理及应用
增透膜的原理及应用 陕西省安塞县安塞高级中学物理教研组贺军 摘要：在光学元件中，由于元件表面的反射作用而使光能损失，为了减少元件表面的反射损失，常在光学元件表面镀层透明介质薄膜,这种薄膜就叫增透膜。本文分别从能量守恒的角度对增透膜增加透射的原理给予定性分析；根据菲涅尔公式和折射定律对增透膜增加透射的原理给予定量解释；利用电动力学的电磁理论对增透膜增加透射的原理给予理论解释。同时对增透膜的研究和应用现状作一介绍。 关键词：增透膜；干涉；增透膜材料；镀膜技术 1前言 在日常生活中，人们对光学增透膜的理解，存在着一些模糊的观念。这些模糊的观念不仅在高中生中有，而且在大学生中也是存在的。例如，有不少人认为入射光从增透膜的上、下表面反射后形成两列反射光，因为光是以波的形式传播的，这两列反射光干涉相消，使整个反射光减弱或消失，从而使透射光增强，透射率增大。然而他们无法理解：反射回来的两列光不管是干涉相消还是干涉相长，反射光肯定是没有透射过去，因增加了一个反射面，反射回来的光应该是多了，透射过去的光应该是少了，这样的话，应当说增透膜不仅不能增透，而且要进一步减弱光的透射，怎么是增强透射呢？也有人对增透膜的属性和技术含量不甚了解，对它进行清洁时造成许多不必要的损坏。随着人类科学技术的飞速发展，增透膜的应用越来越广泛。因此，本文利用光学及其他物理学知识对增透膜原理给以全面深入的解释，同时对增透膜的研究和应用现状作一介绍。让人们对增透膜有一个全面深入的了解，进而排除在应用时的无知感和迷惑感。 2增透原理 2．1 定性分析 光学仪器中，光学元件表面的反射，不仅影响光学元件的通光能量；而且这些反射光还会在仪器中形成杂散光，影响光学仪器的成像质量。为了解决这些问题，通常在光学元件的表面镀上一定厚度的单层或多层膜，目的是为了减小元件表面的反射光，这样的膜叫光学增透膜（或减反膜）。 这里我们首先从能量守恒的角度对光学增透膜的增透原理给予分析。一般情况下，当光入射在给定的材料的光学元件的表面时，所产生的反射光与透射光能量确定，在不考虑吸收、散射等其他因素时，反射光与透射光的总能量等于入射光的能量。即满足能量守恒定律。当光学元件表面镀膜后，在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时，反射光和透射光与入射光仍满足能量守恒定律。而所镀膜的作用是使反射光与透射光的能量重新分配。对增透膜而言，分配的结果使反射光的能量减小，透射光的能量增大。由此可见，增透膜的作用使得光学元件表面反射光与透射光的能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大，反射光能量减小。光就有这样的特性：通过改变反射区的光强可以改变透射区的光强。 2．2 定量描述光从一种介质反射到另一种介质时，在两种介质的交界面上将发生反射和折射，把 反射光强度与入射光强度的比值叫做反射率。用表示，，和分别表示反射光和入射光的振幅。 设入射的光强度为1，则反射光的强度为，在不考虑吸收及散射情况下，折射光的强度为（1-ρ）。根据菲涅尔公式和折射定律可知：当入射角很小时，光从折射率n1的介质射向折射率n2介质，反射率 （1） 例如光线由很小的入射角从空气射入折射率为 1.8的介质时，则反射率为
蓝宝石衬底上增透膜
1.增透膜 蓝宝石衬底上增透膜 氧化硅(SiO2)膜具有熔点高、抗磨耐腐蚀、保护能力强、对光的散射吸收小等优良性能,使得SiO2非常适合用作提高蓝宝石高温强度及增透保护薄膜。 利用射频磁控反应溅射法制备出所设计的增透膜系。结果表明,蓝宝石衬底上镀单层及多层增透膜系后红外透过率明显提高;当蓝宝石衬底双面镀SiO2膜后,在 3~5um波段范围内,平均透过率达到96.43%,比未镀膜时的平均透过率87.01%提高了9.42%,满足了设计使用要求。 2.高反膜 制备出高性能的 193nm激光高反膜具有重要的应用价值。 在对不同材料组合高反膜性能分析比较的基础上,对应用于高反膜膜材料组合进
行了优化选择,以NdF3/AlF3为材料对,设计制备了193nm高反膜。193nm氟化物高反膜的反射率达到96%。 3.太阳能选择性吸收膜 太阳能选择性吸收膜要求在可见光及近红外波段反射率尽可能低(吸收比尽可能高),在红外波段反射率尽可能高(发射率尽可能低)。 AlCN太阳能选择性吸收薄膜的结构如图所示。它由玻璃基片上相继沉积的五层膜构成:最下面是一层非反应溅射沉积的足够厚的(200nm左右)铝金属膜。其上是反应溅射制备的成份渐变的四层AlCN薄膜,按从底层到表层的顺序,Al的含量逐渐减少,而N、C的含量逐渐增多,直到表层的介质膜。按此顺序,我们将这四层膜依次称为AlCN-1,AlCN-2,AlCN-3,AlCN-4。
4.光无源器件薄膜 光无源器件包括光纤连接器、光衰减器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光开关、光调制器等,它是光纤通信设备的重要组成部分,由于其工作原理遵循光线理论和电磁波理论,故薄膜器件部分的结构设计和工作原理与薄膜技术息息相关。 例如,大容量光纤通信要求光纤连接器插入损耗在0.1～0.5dB之间,平均值为 0.3dB,随着新技术、新工艺的应用可望降低到0.1dB,大大提高回波损耗。如果采用镀膜工艺在光纤连接器球面上镀增透膜,如SiO2、Ta2O5、MgF2、ZnO2、Al2O3、CeO2等使回波损耗提高到70dB以上。同时在插针的端面采用光集成工艺,镀上半透膜、减反膜和偏振膜,可以组成不同功能的多用插头。此外,波分复用器(WDM)在宽带高速光通信系统、接入网、全光网络等领域中有着广泛的应用前景。其中干涉膜型波分复用器采用的是由多层介质膜镀制成的截止滤波片或带通滤波片,如1310/1550nm的波分复用器用的是长波通和带通滤波膜,采用的膜料大多是SiO2和TiO2。当多层介质膜为超窄带滤波膜时,即可构成密集型波分复用器(DWDM),复用间隔可小至1nm。这种滤波片是在多腔微离子体条件下制备的高稳定带通滤波片,其波长随温度变化小于0.004nm/℃。 5.软X射线多层膜 制备软X射线多层膜最常用的有三种方法:电子束蒸发、离子束溅射以及磁控溅射。用DC和RF磁控溅射法制备出了波长小于10nm波段的Mo/B4C软X射线多层膜反射镜。掠入射X射线衍射仪的测量结果表明,磁控溅射法有很高的控制精度,制备出的 Mo/B4C软X射线多层膜周期结构非常好,表(界)面粗糙度非常小,约为0.4nm。
增透膜的原理及应用
增透膜的原理及应用 摘要：在光学元件中，由于元件表面的反射作用而使光能损失，为了减少元件表面的反射损失，常在光学元件表面镀层透明介质薄膜,这种薄膜就叫增透膜。本文分别从能量守恒的角度对增透膜增加透射的原理给予定性分析；根据菲涅尔公式和折射定律对增透膜增加透射的原理给予定量解释；利用电动力学的电磁理论对增透膜增加透射的原理给予理论解释。同时对增透膜的研究和应用现状作一介绍。 关键词：增透膜；干涉；增透膜材料；镀膜技术 1前言 在日常生活中，人们对光学增透膜的理解，存在着一些模糊的观念。这些模糊的观念不仅在高中生中有，而且在大学生中也是存在的。例如，有不少人认为入射光从增透膜的上、下表面反射后形成两列反射光，因为光是以波的形式传播的，这两列反射光干涉相消，使整个反射光减弱或消失，从而使透射光增强，透射率增大。然而他们无法理解：反射回来的两列光不管是干涉相消还是干涉相长，反射光肯定是没有透射过去，因增加了一个反射面，反射回来的光应该是多了，透射过去的光应该是少了，这样的话，应当说增透膜不仅不能增透，而且要进一步减弱光的透射，怎么是增强透射呢？也有人对增透膜的属性和技术含量不甚了解，对它进行清洁时造成许多不必要的损坏。随着人类科学技术的飞速发展，增透膜的应用越来越广泛。因此，本文利用光学及其他物理学知识对增透膜原理给以全面深入的解释，同时对增透膜的研究和应用现状作一介绍。让人们对增透膜有一个全面深入的了解，进而排除在应用时的无知感和迷惑感。 2增透原理 2．1 定性分析 光学仪器中，光学元件表面的反射，不仅影响光学元件的通光能量；而且这些反射光还会在仪器中形成杂散光，影响光学仪器的成像质量。为了解决这些问题，通常在光学元件的表面镀上一定厚度的单层或多层膜，目的是为了减小元件表面的反射光，这样的膜叫光学增透膜（或减反膜）。 这里我们首先从能量守恒的角度对光学增透膜的增透原理给予分析。一般情况下，当光入射在给定的材料的光学元件的表面时，所产生的反射光与透射光能量确定，在不考虑吸收、散射等其他因素时，反射光与透射光的总能量等于入射光的能量。即满足能量守恒定律。当光学元件表面镀膜后，在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时，反射光和透射光与入射光仍满足能量守恒定律。而所镀膜的作用是使反射光与透射光的能量重新分配。对增透膜而言，分配的结果使反射光的能量减小，透射光的能量增大。由此可见，增透膜的作用使得光学元件表面反射光与透射光的能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大，反射光能量减小。光就有这样的特性：通过改变反射区的光强可以改变透射区的光强。 2．2 定量描述
增透膜的厚度计算
增透膜的厚度计算 根据光的干涉原理，定量计算增透膜的厚度。 当某一频率光分为两束，在重新相遇时，若经过的光程差为kλ（k=0、1、2、3…），发生相长干涉，光被加强；若光程差为（2k+1）λ2（k=0、1、2、3…），发生相消干涉，光被减弱，变成暗纹。 某频率的光在真空中波长为λ，垂直射向某厚度为d的薄膜的折射率为n2，周围介质的折射率为n1、n3，且n1 Δx=（2n2d+λ2）-λ2=2n2d 当Δx=kλ，k=1、2、3…时，两反射光相叠加，反射光被加强，出现明纹。 当Δx=（2k+！）λ2，k=0、1、2、3…时，两反射光相叠加，相互削弱，出现暗纹，即 2n2d=（2k+1）λ2 d=2k+14n2λ 当k=0时，增透膜的厚度最小，最小值为 dmin=14 λn2 注意到λn2是光在介质中的波长14，即增透膜的最小厚度是光在介质中波长的。这正是高中物理课本中的结论。 以下是两个具体的例子。 例1、一台照相机的镜头折射率为1.50，表面上涂敷一层折射率为1.38的增透膜，即MgF2，若使镜头对人眼和照相机底片最敏感的黄绿光（λ=550nm）反射最小，试求增透膜的最小厚度d是多少？ 假设光是垂直入射。 解、设增透膜的厚度为d，空气、增透膜和玻璃的折射率分别为n1、n2、n3，入射光1在增透膜的上、下表面上的反射光2、3的光程差为Δx=2n2d，如果要使反射光消失，须满足 Δx=2n2d=（2k+1）2λ （k=0、1、2、3…）
增透膜的厚度为 d=2k+14n2λ 当k=0时，增透膜的厚度最小，最小厚度是 dmin=λ4n2=550×10-94×1.38m =9.96×10-8m. 由于反射光中缺少了黄绿光，所以，镜头呈淡紫色。 例2、为了减少从玻璃表面反射光的成分，在玻璃表面敷一层薄膜，即增透膜，增透膜的折射率小于玻璃的折射率。当入射光包含波长为λ1=700nm和λ2=420nm情况下，为使这两种波长的反射光被最大限度减弱，在玻璃表面上敷有折射率为n=43的增透膜，假设这两种光在增透膜中折射率基本相同皆为n。则这种增透膜的最小厚度是多少？ 解、设增透膜的厚度为d，若使波长为λ1的反射光消失应满足 2nd=2k1+12λ1 ① 其中k1=0、1、2、3… 若使波长为λ2的反射光消失，应满足 2nd=2k2+12λ2 ② 其中k2=0、1、2、3…，由①②两式可得 3k2=5k1+1 ③ 显然，当k1=1、k2=2时，波长为λ1、λ2的入射光在增透膜的前后表面反射光的相位差都是π，叠加时，都会产生相消干涉，增透膜的最小厚度为 dmin=34nλ1=916×700nm =394nm.
常见光学仿真设计软件
1.APSS.v 2.1.Winall.Cracked 光子学设计软件，可用于光材料、器件、波导和光路等的设计 2.ASAP.v7.14/7.5/8.0.Winall.cracked/Full 世界各地的光学工程师都公认ASAPTM（Advanced Systems Analysis Program，高级系统分析程序）为光学系统定量分析的业界标准。 注：另附9张光源库 3.Pics3d.v200 4.1.28.winall.cracked 电子.光学激光2D/3D有限元分析及模形化装置软件 https://www.360docs.net/doc/1410212680.html,stip.v2004.1.28.winall.cracked 半导体激光装置2D模拟软件 5.Apsys.2D/3D.v2004.1.28.winall.cracked 激光二极管3D模拟器 6.PROCOM.v2004.1.2.winall.cracked 化合物半导体模拟软件 7.Zemax.v2003.winall.cracked/EE ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起。 8.ZEBASE Zemax镜头数据库 9.OSLO.v6.24.winall.licensed/Premium OSLO 是一套处理光学系统的布局和优化的代表性光学设计软件。最主要的，它是用来决定光学系统中最佳的组件大小和外型，例如照相机、客户产品、通讯系统、军事 /外太空应用以及科学仪器等。除此之外，它也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软件工具。 10.TracePro.v324.winall.licensed/Expert TracePro 是一套能进行常规光学分析、设计照明系统、分析辐射度和亮度的软件。它是第一套以符合工业标准的ACIS(固体模型绘图软件)为核心所发展出来的光学软件，是一个结合真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件，它可将真实立体模型及光学分析紧紧结合起来，其绘图界面非常地简单易学。 11.Lensview.UPS.winall.cracked LensVIEW 为搜集在美国以及日本专利局申请有案的光学设计的数据库，囊括超过 18,000个多样化的光学设计实例，支持Zemax，OSLO，Code V等光学设计软件。 12.Code V.v940.winall.licensed CODE V是美国著名的Optical Research Associates公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。 13.LightTools.v4.0/sr1.winall.cracked LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中
光学设计中增透膜的设计与分析
用于玻璃和塑料基底上的增透膜 在众多的光学系统中，一个相当重要的组成部分是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中，增透膜是不可缺少的，否则，无法达到应用的要求。 就拿一个由18块透镜组成的35mm的自动变焦的照相机来说，假定每个玻璃和空气的界面有4%的反射，没有增透的镜头光透过率为27%，镀有一层膜（剩余的反射为1.3%）的镜头光透过率为66%，镀多层膜（剩余的反射为0.5%）的为85%。 在这篇文章中，列举了一些简单的增透膜和使用的材料。值得注意的是由于玻璃可以被高温加热，而塑料不能，因此，对玻璃和塑料必须选用不同的膜料和膜层设计。 用于玻璃基底的增透膜 经典的单层增透膜由一薄层MgF2构成，MgF2在510nm时的折射率为n=1.38，需要的膜厚为d=92nm。因此，在510nm波长时膜层有一个光学密度（厚度）n*d为1/4的波长。镀在加热到250-300°C 的玻璃基底上的MgF2，不但牢固，稳定，并且相当方便，经济，直接使用蒸发船便可。 想得到更低的反射率，最简单的方法是镀一层CeF3和一层MgF2（各为1/4的光学厚度），可用蒸发船。图1是单层和2层膜的反射曲线。2层膜的优点是在可见光范围的中段有更低的反射率，缺点在于在红，蓝端的反射率上升过快。由于2层膜的效果不理想，为了达到理想的效果，必须使用3层或多层膜。iIvc4 3YV% 经典的3层膜由一层1/4光学厚度的中折射率物质（1.6-1.7)，一层1/2光学厚度的高折射率物质(2.0-2.2)和一层1/4光学厚度的低折射率物质组成。最常用的是Al2O3，ZrO2和MgF2。图1显示在整个光学敏感段（410-680nm）的反射率低于0.5%。 3层增透膜的膜料选择 膜料对膜层效果有决定性的影响。除了理想的折射率，每次镀膜时稳定的折射率，均匀的膜层，低吸收性，牢固性，稳定性也非常重要。 MgF2是最常用的第三层低折射率物质。但是，由于塑料不能被高温加热，用MgF2会使膜层变软和不稳定，此时，SiO2是最佳的选择。 Al2O3是最常用的第一层中折射率物质。它的膜层从红外到紫外线有相当高的透过率，十分牢固，稳定，并且每次镀膜时有稳定的折射率。 ZrO2通常被用作第二层高折射率物质。它的优点是从250到7000nm有宽广的透过率，并且，膜层牢固，稳定。但是，每次镀膜时呈现不同的折射率，也就是折射率会随着膜厚的增加而降低，这种现象可能和它的特殊晶体结构有关。图2显示了在五个单独的膜层中ZrO2不同的折射率。我们可以看到和和同次性的膜料相比，折射率有急剧的上升，特别是在中段。ZrO2的另一个缺点是在蒸发是它只是部分的溶解，因此，很难得到均匀的膜厚。 为了减少单体氧化物的这些缺点，可以使用混合氧化物。这些混合料可以根据客户不同的折射率需要来生产。德国默克公司根据客户大量的实际使用情况和多年的膜料生产经验，研制开发了一系列的混合料：H1，高折射率，2.1-2.15 H2，高折射率，2.1-2.15 H4，高折射率，2.1-2.15 M1，中折射率，1.65-1.7 H1,H2和H4可以被用来生产高折射率的膜层，在250°C的基底上2.1-2.15的折射率具有同次性。M1可以被用来生产中折射率得膜层。H1,H4和M1也能镀在未经加热的基底上，折射率会降低。 H1在从可见光到紫外的波段内有相当高的透过率，在360nm左右有吸收。但是，同ZrO2一样，无法从溶解的状态下被蒸发，因此较难得到比较均匀的膜层。H2在可见光的波段内有很高的透过率，但是在380nm时有截止吸收，这意味着当镀膜条件不理想时，1/2光学厚度的末曾在400nm时会有0.5%的吸收。H2的优点在于它能从溶解的状态下被蒸发，因此有良好的同次性和均匀的膜厚。 H4在可见光的波段内有很高的透过率，像H1一样，在360n左右有吸收。它也能从溶解的状态下被蒸发，具有良好的同次性和均匀的膜厚。 图3显示了用ZrO2(n=2.05)和上述混合料(n=2.15)的3层增透膜的反射曲线得比较。从中可以看出用
《薄膜光学与技术》期末测验试题A答案
《薄膜光学与技术》期末测验试题A答案
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2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 5、周期性对称膜系(pqp)s 的等效折射率和 基本周期/pqp 的等效折射率完全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的s 倍 。 6、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底的组合导纳为： s n n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ，高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、镀膜室内真空度高表明气体压强 小 ，真空度低则气体压强 大 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。 13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在
滤波片的增透膜作用及原理分析
在日常生活中，人们对光学增透膜的理解，存在着一些模糊的观念。这些模糊的观念不仅在高中生中有，而且在大学生中也是存在的。例如，有不少人认为入射光从增透膜的上、下表面反射后形成两列反射光，因为光是以波的形式传播的，这两列反射光干涉相消，使整个反射光减弱或消失，从而使透射光增强，透射率增大。然而他们无法理解：反射回来的两列光不管是干涉相消还是干涉相长，反射光肯定是没有透射过去，因增加了一个反射面，反射回来的光应该是多了，透射过去的光应该是少了，这样的话，应当说增透膜不仅不能增透，而且要进一步减弱光的透射，怎么是增强透射呢？也有人对增透膜的属性和技术含量不甚了解，对它进行清洁时造成许多不必要的损坏。随着人类科学技术的飞速发展，增透膜的应用越来越广泛。因此，本文利用光学及其他物理学知识对增透膜原理给以全面深入的解释，同时对增透膜的研究和应用现状作一介绍。让人们对增透膜有一个全面深入的了解，进而排除在应用时的无知感和迷惑感。 2增透原理 2．1 定性分析 光学仪器中，光学元件表面的反射，不仅影响光学元件的通光能量；而且这些反射光还会在仪器中形成杂散光，影响光学仪器的成像质量。为了解决这些问题，通常在光学元件的表面镀上一定厚度的单层或多层膜，目的是为了减小元件表面的反射光，这样的膜叫光学增透膜（或减反膜）。 这里我们首先从能量守恒的角度对光学增透膜的增透原理给予分析。一般情况下，当光入射在给定的材料的光学元件的表面时，所产生的反射光与透射光能量确定，在不考虑吸收、散射等其他因素时，反射光与透射光的总能量等于入射光的能量。即满足能量守恒定律。当光学元件表面镀膜后，在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时，反射光和透射光与入射光仍满足能量守恒定律。而所镀膜的作用是使反射光与透射光的能量重新分配。对增透膜而言，分配的结果使反射光的能量减小，透射光的能量增大。由此可见，增透膜的作用使得光学元件表面反射光与透射光的能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大，反射光能量减小。光就有这样的特性：通过改变反射区的光强可以改变透射区的光强。 2．2 定量描述 光从一种介质反射到另一种介质时，在两种介质的交界面上将发生反射和折射，把反射 光强度与入射光强度的比值叫做反射率。用表示，，和分别表示反射光和入射光的振幅。 设入射的光强度为1，则反射光的强度为，在不考虑吸收及散射情况下，折射光的 的介强度为（1-ρ）。根据菲涅尔公式和折射定律可知：当入射角很小时，光从折射率n 1 质射向折射率n 介质，反射率 2
增透膜与高反膜
增透膜与高反膜 薄膜干涉使用扩展光源，虽然相干性不好，但因能在明亮环境观察，所以实用价值高。利用上述原理可以测定薄膜的厚度e或光波波长λ。在光学器件上镀上一层厚度为d的薄膜，使强度相等的两束反射光（或透射光）的光程差δ满足干涉加强（δ=kλ）或减弱（δ=(k+1/2) λ）条件，可以提高光学器件的透射率或反射率。增加透射率（即透射光的光程差δ=kλ）的薄膜叫增透膜，增加反射率（即反射光的光程差δ=kλ）的薄膜叫高反膜。增透膜和高反膜常用在光学仪器的镜头上。由于相邻两束光的强度不等，实际常采用多层膜，使高反膜的反射率达99%以上。 减反射膜 涂敷在透明光学元件表面、用来消除或减弱反射光以达增透目的的光学薄膜。又称增透膜。最简单的减反射膜是单层介质膜，其折射率一般介于空气折射率和光学元件折射率之间，使用最普遍的介质膜材料为氟化镁。减反射膜的工作原理是基于薄膜干涉原理。入射光在介质膜两表面反射后得两束相干光，选择折射率适当的介质膜材料，可使两束相干光的振幅接近相等，再控制薄膜厚度，使两相干光的光程差满足干涉极小条件，此时反射光能量将完全消除或大大减弱。反射能量的大小是由光波在介质膜表面的边界条件确定，适当条件下可完全没有反射光或只有很弱的反射光。单层减反射膜只能对某个波长和它附近的较窄波段内的光波起增透作用，为在较宽的光谱范围达到更有效的增透效果，常使用多层介质膜。常见的多层膜系统是玻璃-高折射率材料低折射率材料-空气，简称gHLa系统。H层通常用二氧化锆（n＝2.1）、二氧化钛（n＝2.40）和硫化锌（n＝2.32）等，L层一般用氟化镁（n＝1.38）等。 减反射膜广泛用于各种光学元件的表面处理，例如照相机镜头上涂减反射膜后，可减少由反射引起的杂散光并显著增加像的亮度。
减反射膜
减反射膜（增透膜）工作原理 光具有波粒二相性，即从微观上既可以把它理解成一种波、又可以把他理解成一束高速运动的粒子（注意，这里可千万别把它理解成一种简单的波和一种简单的粒子。它们都是微观上来讲的。红光波的波长=0.750微米紫光波长=0.400微米。而一个光子的质量是 6.63E-34 千克. 如此看来他们都远远不是我们所想想的那种宏观波和粒子.) 增透膜的原理是把光当成一种波来考虑的，因为光波和机械波一样也具有干涉的性质。 在镜头前面涂上一层增透膜(一般是"氟化钙",微溶于水),如果膜的厚度等于红光（注意：这里说的是红光）在增透膜中波长的四分之一时,那么在这层膜的两侧反射回去的红光就会发生干涉,从而相互抵消,你在镜头前将看不到一点反光,因为这束红光已经全部穿过镜头了. 为什么我从来没有看到没有反光的镜头? 原因很简单,因为可见光有“红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫”七种颜色，而膜的厚度是唯一的，所以只能照顾到一种颜色的光让它完全进入镜头，一般情况下都是让绿光全部进入的，这种情况下，你在可见光中看到的镜头反光其颜色就是蓝紫色，因为这反射光中已经没有了绿光。膜的厚度也可以根据镜头的色彩特性来决定。 定义及其设计： 二十世纪三十年代发现的增透膜促进了薄膜光学的早期发展．对于技术光学的推动来说，在所有的光学薄膜中，增透膜也起着最重要的作用．直至今天，就其生产的总量来说，它仍然超过所有其他的薄膜因此，研究增透膜的设计和制备教术，对于生产实践有着重要的意义． 我们都知道，当光线从折射率n0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，光线又是垂直入射，则反射率R为透射率为 投射率为： 例如，折射率为1。52的冕牌玻璃，每个表面的反射约为4．2％左右。折射率较高的火石玻璃，则表面反射更为显著．这种表面反射造成了两个严重的后果：光能量损失，使象的亮度降低；表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也到达象平面，使象的衬度降低，从而影响系统的成象质量，特别是电视、电影摄影镜头等复杂系统，都包台了很多个与空气相邻的表面，如不敷上增透膜将完全不能应用． 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．此外，宽带增透膜提高了象质量、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． 在比较复杂的光学系统中，入射光的能量往往因多次反射而损失。例如，高级照相机的镜头有六、七个透镜组成。反射损失的光能约占入射光能的一半，同时反射的杂散光还要影响成像的质量。为了减少入射光能在透镜玻璃表面上反射时所引起的损失，常在镜面上镀一层厚度均匀的透明薄膜（常用氟化镁MgF2，其折射率为1.38，介于玻璃与空气之间），利用薄膜的干涉使反射光能减到最小，这样的薄膜称为增透膜。 现在我们来看一下简单的单层增透膜。设膜的厚度为e，当光垂直入射时，薄膜两表面反射光的光程差为2ne，由于在膜的上、下表面反射时都有相位突变，结果没有附加的相位差，两反射光干涉相消时应满足：
使用ZEMAX设计的典型实例分析
使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。
大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。 序列性系统需定义视场角(field of view)、波长范围（wavelength range）和表面数据（surface date）。序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径(system aperture)。系统孔径，常指入瞳(entrance pupil) 或孔径光栏（STO），它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其它参数函数
光学薄膜完整版
光学薄膜技术复习提纲 闭卷考试 120分钟 考试时间：17周周三下午3:00---5:00（12月30号）题型：选择题（10*2）填空题（10题24分）判断题（10题）简答题（4题24分）综合题（2题22分,计算1题，论述1题）考试内容包含课本与课件，简答和综合题包含作业和例题 1、判断题 1. 光束斜入射到膜堆时，S－偏振光的反射率总是比p－偏振光的反射率高（正确） 2. 对称膜系可以完全等效单层膜（错误，仅在通带中有类似特性） 3. 对于吸收介质，只要引入复折射率，进行复数运算，那么就可以完全使用无吸收 时的公式（正确） 4. 膜层的特征矩阵有两种表达方式：导纳矩阵和菲涅尔系数矩阵（错误） 5. 简单周期性多层膜，在其透射带内R<<1（错误） 6. 在斜入射情况下，带通滤光片S－偏振光的带宽比p－偏振光的带宽为大（正确） 7. 在包含吸收介质时，光在正反两个入射方向上的透过率是一样的（正确） 8. 发生全反射时，光的能量将不进入第二介质（错误） 9. 斜入射时，银反射膜的偏振效应比铝反射膜大（Al：0.64-i5.50，Ag：0.050- i2.87）（错误，因为银的折射率远小于铝） 10. 高反射介质膜的截止深度是指在截止波长处的反射率（错误，是指截止带中心处 的反射率） 第1章薄膜光学特性计算基础 1、干涉原理：同频率光波的复振幅矢量叠加。 2、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。 3、薄膜干涉原理：层状物质的平行界面对光的多次反射和折 射，导致同频率光波的多光束干涉叠加。 4、光学薄膜：薄到可以产生干涉现象的膜层、膜堆或膜系。 5、麦克斯韦方程组： 6、物质方程： 7、光学导纳： 8、菲涅尔系数：菲涅尔系数就是界面上的振幅反射系数和振幅 透射系数。 9、特征矩阵：表征薄膜特性的矩阵，仅包含薄膜的特征参数 10、虚设层：当膜层厚度对于中心波长来说是或其整数倍时，该 层存在对于中心波长处的透过率/反射率无影响，因此称为虚 设层。但该层其他波长处的透过率/反射率还是有影响的。