光学薄膜技术第二章课件

典型膜系介绍

根据其作用可以将光学薄膜的类型简单的分为：

1、减反射膜或者叫增透膜

2、分束膜

3、反射膜

4、滤光片

5、其他特殊应用的薄膜

一. 减反射膜（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23%，镀有一层膜（剩余的反射为%）的镜头光透过率为%，镀多层膜（剩余的反射为%）的为%。

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光的破坏。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。

当光线从折射率为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：

例，折射率为的冕牌玻璃，每个表面的反射约为%，折射率较高的火石玻璃表面的反射更为显著。 这种表面反射造成了两个严重的后果：

①光能量损失，使像的亮度降低；

②表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也达到像平面，使像的衬度降低，分辨率下降，从而影响光学系统的成像质量。

减反射膜，又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。

最简单的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低

的介于空气折射率和光学元件折射率之间的薄膜。以使某些颜色的单色光在表面

R T n n n n R -=???? ??+-=12

1010透射率

上的反射干涉相消，增加透射。使用最普遍的介质膜材料为氟化镁，它的折射率为。

减反射膜可由简单的单层膜至二十层以上的多层膜系构成，单层膜能使某一波长的反射率实际为零，多层膜则在某一波段具有实际为零的反射率。

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。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

为了减少表面反射率，就在玻璃表面上镀上一层低折射率的薄膜。

理想的单层增透膜的条件是，膜层的光学厚度为四分之一波长，其折射率为入射介质和基片折射率乘积的平方根。

在可见区，使用得最普遍的是折射率为左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率为，但是至今能利用的薄膜的最低折射率是(氟化镁)。这虽然不很理想，但也得到了相当的改进。

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。

为了在较宽的光谱范围达到更有效的增透效果，常采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。

双层减反射膜

从上面晶体镀MgF2增透膜的例中可以看到，为了达到全增透的效果，ｎ０＝ｎ１2／ｎ２，则要求将基底的折射率提高到（n1=，n2=）。

怎么办

先沉积一层折射率为光学厚度为λ0/４的薄膜，而后再镀MgF2单层膜，就能达到全增透的要求。

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G︱HL︱A系统。H层通常用二氧化锆（ n＝）、二氧化钛（n＝）和硫化锌（n＝）等；L层一般用氟化镁（n＝）等。

1、双层λ0/4膜堆

对于单层氟化镁膜来说，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λ0/4厚的、折射率为n2的薄膜，这时对于波长λ0来说，薄膜和基片组合的系统可以用一折射率为Y= n22 /n3的假想基片来等价。

显然，当n2＞n3时，有Y＞n3，也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率的λ0/4厚的膜层后，基片的折射率从n3提高到n22/n3，然后再镀上λ0/4厚的氟化镁膜就能起到更好的增透效果。构成λ0／4—λ0／4型增透膜。

但对于偏离λ0的波长，表面反射增加，反射率曲线呈V字形，所以也有把这种λ0/4－λ0/4双层增透膜称为V形膜的。

在限定两层膜的厚度都是λ0/4的前提下，欲使波长λ0的反射光减至零，它们的折射率应满足如下关系：

p22公式

如果外层膜确定用折射率n1为的氟化镁，则内层膜的折射率n2取决于基片材料n3。见公式（2）。

上面讨论的λ0／4－λ0／4 结构的V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应用。

2、λ0/2－λ0/4膜堆 G︱2HL︱A

厚度为λ0／2－λ0／4型的双层增透膜，在中心波长λ0两侧，可望有两个反射率极小值，反射率曲线呈W型，所以也把这种双层增膜称作为W型膜。

同一个G︱2HL︱A膜系的减反射效果随着基底折射率的不同而大不相同。欲获得好的减反射效果，膜层折射率应当随着基底折射率的不同而进行调整。同样，同一个折射率的基底，膜层折射率变化时，减反射效果也大不相同。

多层减反射膜

双层增透膜的减反射性能比单层增透膜要优越得多，但它并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点：（1）剩余反射高；

（2）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λ0／4-λ0／4 型的增透膜（V型膜）在中心波长处增透效果好但是带宽较小，λ0／2-λ0／4

型的增透膜（W型膜）在一定程度上展宽了带宽但是总体的减反射效果不理想，人们想到将它们结合起来，设计出λ0/4-λ0/4-λ0/4等型增透膜，不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。

λ0／4-λ0／2 W型膜在低反射区的中央有一个的凸峰，为了降低这个反射率的凸峰，又要保持半波长层的光滑光谱特性的作用，可以将半波长层分成折射率稍稍不同的两个1/4波长层。

也可以在双层V型膜的基础上构造多层减反射膜，例如在λ0／4-λ0／4 V型膜的中间插入半波长的光滑层，得到典型的λ0／4—λ0／2—λ0／4 三层减反射膜结构。

总之，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λ0／4的整数倍厚度容易控制，人们把全部由λ0／4整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。

对于不同折射率的基片，要用不同折射率的薄膜材料，通常是通过改变内层膜的折射率来实现匹配的。书本p24图2-6列出了各种不同折射率基片上的三层增透膜的反射率曲线。

对于折射率低于的基片，λ0／4-λ0／2-λ0／4 型三层减反射膜是合适的；而对于折射率大于的基片，λ0／4-λ0／2-λ0／2 型三层减反射膜更为合适。

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，而锗大约是4，碲化铅是。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。

前面关于单层增透膜的考虑，也同样完全适用于高折射率基片。锗、硅、砷化镓、砷化铟、及锑化铟基片，都可用单层硫化锌、二氧化铈或一氧化硅有效地增透。同样地，V型双层增透膜的设计理论，也可用于高折射率基片。

二、高反射膜

在光学薄膜中，反射膜和增透膜几乎同样重要，高反射膜是构成激光谐振腔的重要部件之一，同时

在激光的发射和转折中也用高反射膜作反射器，所以反射膜是激光技术中很重要的组成部分。

对于光学仪器中的反射系统来说，由于单纯金属膜的特性大都已经满足常用要求，因而我们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 p25

在光学工程中，人们先将比金属更容易获得高光洁度的玻璃抛光，再将金属镀制在抛光玻璃表面形成金属高反射镜。镀制金属反射膜常用的材料有铝（Al）、银（Ag）、金（Au）等，它们的分光反射率曲线如书p27图2-9。

银膜在可见区和红外区都有很高的反射率，而且在倾斜使用时引入的偏振效应也最小。但是蒸发的银膜用作前表面镜镀层时却因下列两个原因受到严重限制：它与基片的粘附性很差；同时易于受到硫化物的影响而失去光泽。

金膜在红外区的反射率很高，它的强度和稳定性比银膜好，所以常用它作为红外反射镜。金膜与玻璃基片的附着性较差，为此常用鉻膜作为衬底层。

银膜在可见区和红外区都有很高的反射率，而且在倾斜使用时引入的偏振效应也最小。但是蒸发的银膜用作前表面镜镀层时却因下列两个原因受到严重限制：它与基片的粘附性很差；同时易于受到硫化物的影响而失去光泽。

曾试图使用蒸发的一氧化硅或氟化镁作为保护膜，但由于它们与银的粘附性很差，没有获得成功。所以通常仅用于短期使用的场合或作为后表面镜的镀层。

由于多数金属膜都比较软，容易损坏所以常常在金属膜外面加一层保护膜，这样既能改进强度，又能保护金属膜不受大气侵蚀。最常用的铝保护膜是一氧化硅，此外，氧化铝也常作为铝保护膜。作为紫外反射镜的铝膜不能用一氧化硅或氧化铝作保护膜，因为它们在紫外区有显著的吸收。镀制紫外高反射镜比镀

制可见区和红外区的高反射镜要困难得多。用氟化镁（镀层很牢固）和氟化锂（镀层强度较差）作为防止铝氧化的保护膜，在紫外区得到了成功的应用。

总结金属反射膜四点特性

1、高反射波段非常宽阔，可以覆盖几乎全部光谱范围，当然，就每一种具体的金属而言，它都有自己最佳的反射波段。

2、各种金属膜层与基底的附着能力有较大差距。如Al、Cr、Ni（镍）与玻璃附着牢固；而Au、Ag与玻璃

附着能力很差。

3、金属膜层的化学稳定性较差，易被环境气体腐蚀。

4、膜层软，易划伤。

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：红外常用、稳定

铂、铑：稳定、牢固

多层介质高反射膜 p30

上一节所述的金属反射膜包含较大的吸收损失，对于高性能的多光束干涉仪中的反射膜以及激光器谐振腔的反射镜，要求更高的反射率和尽可能小的吸收损失。在折射率为ng的基片上镀以光学厚度为λ0/4的高折射率（n1）的膜层后，光线垂直入射的反射率为：

用高、低折射率交替的，每层λ0/4厚的介质多层膜能够得到更高的反射率。这是因为从膜系所有界面上反射的光束，当它们回到前表面时具有相同位相，从而产生相长干涉。对这样一组介质膜系，在理论上可望得到十分接近于100%的反射率。

如果nH和nL是高、低折射率层的折射率，并使介质膜系两边的最外层为高折射率层，其每层的厚度均为λ0/4，当光束由空气中垂直入射时，中心波长λ0的反射率，也即极大值反射率为

式中，n g基片的折射率，2S+1是多层膜的层数。n H和n L比值愈大，则反射率愈高。

当膜系的反射率很高时，额外加镀两层将使膜系的透射率缩小(n L/n H) 倍。理论上只要增加膜系的层数，反射率可无限地接近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射率。有时甚至由于吸收、散射的增加，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。

上图表示一个典型的λ/4介质膜系的特性。可以看出，存在着一个随着层数的增加，反射率稳定地增加的高反射带宽度2△g 。这个宽度是有限的，在高反射带的两边，反射率陡然降落为小的振荡着的数值。继续增加层数，并不影响高反射带的宽度，只是增大了反射带内的反射率以及带外的振荡数目。

因此，厚度均为λ0/4的介质高反射膜，其高反射带宽度仅取决高、低折射率层的折射率比值，而与层数无关。

展宽高反射带的多层介质膜

λ/4膜堆所能得到的高反射区Δg仅取决于膜料折射率之比值（p31公式）。在可见光区域能找到的有实用价值的材料中，折射率最大的不超过，而最小的不小于，在红外区域中，最大折射率也不超过。因此单个λ/4多层膜的高反射区是有限的。在很多应用中，高反射区域不够宽广，不能满足使用要求。因而发展了一些方法以展宽其高反射带的宽度。

展宽高反射带的宽度的方法

方法一使膜系相继各层的厚度形成规则递增或递减。其目的在于确保对十分宽的区域内的任何波长λ，膜系中都有足够多的膜层，其光学厚度十分接近λ/4，以给出对λ的高反射率。

方法二、在一个λ/4多层膜上，叠加另一个中心波长不同的多层膜。必须注意的是，如果每个多层膜都是由奇数层构成，并且最外层的折射率相同，那么在叠加之后，将在展宽了的高反射带的中心出现透射率峰值。这个峰值的出现，是因为两个多层膜的作用。见书p33图2-18

曲线A和曲线B是测得的两个λ/4多层高反射膜的反射率，每个膜有相同的奇数层，并且都起止于高折射率层。曲线C表示由这两个多层膜叠加合成的膜系的实测反射率。在两个多层膜之间，加进一层厚度为1/4平均波长的低折射率层，如曲线D所示，透射峰完全消失，得到宽阔平顶的反射率曲线。

光线倾斜入射时，反射带将有所变化：反射带整体向短波方向移动，总反射曲线两端陡度变差。

三、中性分束膜

中性分束镜能够在一定波段内把一束光按比例分成光谱成分相同的两束光，也即它在一定的波长区域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率和反射率之比值——透反比。因而反射光和透射光不带有颜色，呈色中性。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。

对于不同的用途，分光镜往往有不同的透反比T／R。大部份是要求T/R=1，即透反比50／50的中性分束镜是最常用的。对分光膜的另一个要求则是分光性能呈中性，也就是要求在一定波长范围内，T/R比值不随波长变化。分光膜主要有二种类型：一是金属分光膜；二是介质分光膜。

分束镜又可以按使用方式分为平板和棱镜分光两种：

1、把膜层镀在透明的平板玻璃上。P34图2-19（a）

2、把膜层镀在45°的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜，构成胶合立方体。P34图2-19（b）

胶合立方体分光镜的优点是，在仪器中装调方便，而且由于膜层不是暴露在空气中，不易损坏腐蚀，因而

对膜层材料的机械、化学稳定性要求较低。但是胶合立方体分光镜的偏振效应较大。

金属中性分光镜 P34

金属分光镜是最常用的分光镜。金属分光膜的优点：a、呈中性。b、用于制备不同透、反比值的分光膜。c、金属分光膜与基底结合很牢固。

Ag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。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，而且银的机械强度和化学稳定性都不好，一般只在胶合棱镜中使用。

Al膜和Cr也经常用作分光膜；

Al膜也存在中性和牢固度的问题;

Cr膜的中性较好，其机械强度和化学稳定性都非常好，它的分光曲线比较平坦，在可见区域，一般长

波端的反射率比短波端高10%左右。

镍铬合金（80Ni-20Cr) 在μ ~5μ的宽阔的波长范围内，显示出非常平坦的分光特性。并且机械强

度和化学稳定性都非常好。

金属膜分光镜的一个共同的缺点是吸收损失较大，降低了分光的效率。分光镜的反射率和入射光的方向有关。从空气侧入射测得的反射率要比从玻璃侧入射测得的要高，而透射率与光的传播方向无关。因而从空气侧入射时的吸收比从玻璃侧入射时的吸收要小得多。因此必须注意金属分光膜的正确安置。

因为分光镜的吸收损失和分光膜周围的介质有关，因此也可以通过改变周围的介质，使吸收损失减小。例如，在玻璃基板上先镀一层λ/4 硫化锌膜，然后镀上鉻膜，就可使分光镜的吸收显著减小。在T和R近似相等的条件下，只镀一层鉻膜的分光镜的T+R约为60%，而增加一层λ/4膜后，T+R可提高至82%左右。

介质分光膜 P35

介质膜分光镜与金属分光镜相比较，因为介质膜的吸收小到可以忽略的程度，所以分光效率高，这是介质分光镜的优点，但是介质膜的特性对波长较敏感，给中性分光带来困难；同时，一般介质膜分光镜的偏振相应较大，这也是它的不足之处。

在透明基片ng上镀上一层λ/4的高折射率的介质薄膜(n1)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波长改变得非常缓慢

一般讲可见区透明材料的折射率都在以下，对自然光要达到50/50的分光，单层膜是困难的，它仅适用于

反射率要求较低的场合。所以必须使用多层介质膜。对于平板分光镜通常可采用G︱HLHL︱A

或G︱2LHLHL︱A，其中A为空气，G为折射率ng=的基片，H、L是有效厚度为λ0/4、折射率分别为和的高、低折射率薄膜。P37图2-22

在某些光学系统中，由于平板分光镜的背面反射造成双像并引进像差，因此必须采用胶合立方体分光镜，并且采用多层介质薄膜。对于结构如 G︱HLH︱G这样的三层膜系统，nH=; nL= 时，它的中心波

长的反射率约为50%，但是膜层具有强烈的选择性，反射光和透射光带有明显的色彩。

为了得到中性程度好、R/T接近于1的介质膜立方体分光镜，可以增加薄膜层数，并且通过逐步修改膜系，设计出特性良好的分光镜。第一步：基于λ0/4膜系，采用G︱HLHL︱G和G︱LHLHL︱G 等膜系。

胶合棱镜的折射率ng=；高折射率材料nH=的硫化锌;低折射率材料nL=的氟化镁。这种分光镜的反射光为绿色，而透射光呈红色。

第二步：提高光谱两端的反射率，从而达到改善中性的目的。在第一步中增加λ0/2厚度的膜层。这样，除中心波长外，其余波长的反射率都有不同程度的增长。可以增加2L层，如G︱2LHLHL︱G和

G︱2LHLH2L︱G等。光谱两端的反射率有所提高，但不十分显著，所以2L层适宜于作微小的调整。

若要作较大程度的调整，则需增加2H层，例如G︱HLHL2H︱G 、G︱LHLHL2H︱G和

G︱2LHLHL2H︱G等。

G︱HLHL2H︱G波长420~680nm反射率差值小于%；

G︱LHLHL2H︱G波长420~690nm反射率差值小于%；

G︱2LHLHL2H︱G波长410~700nm反射率差值小于%；

而且R/T接近1，这对于许多实际应用已经能够满足要求。

小结棱镜胶合的分光镜的膜系：

A、G|HLHL2H|G;

B、G|LHLHL2H|G;

C、G|2LHLHL2H|G。

在这三种膜系中，A是基本的膜系。B、C是对A修改后的膜系，在基底一侧度上一层L或2L，可以使R/T比值更加趋近于1。这是因为这里的L或2L层在膜系中起到平滑光谱的作用，而2H层在这里起到对长短波侧曲线的反射率或透射率有所提高或有所降低以达到增宽中性范围的目的。

为了使分光镜的透反比基本上符合50/50的要求，还可进一步修改设计。修改后的分光镜仍应保持良好的中性。修改方法可以用一中间折射率的λ0/4M膜代替一高折射率膜层，使反射率得到适当的调整。为了避免应用第三种材料，也可采用减小nH /nL比值的方法，使整个可见区的反射率曲线下降。此外，还可用破

坏λ0/4膜系的方法，达到调整的目的。例如，G︱LHLHL2H︱G → G︱LH L HL2H︱G

图中分光曲线在R=50%附近振荡，基本上达到了修改的目的。

在某些系统中，为了提供最佳的中性，或调整实际测量与计算之间的微小差异，在实验的基础上，还可通过修改最后一层λ0/2厚的硫化锌膜的厚度的简单办法来进行调整、补偿，例如上述膜系进一步改进为

G︱LH L HL H︱G后，蓝端的反射率下降%左右。反之也可提高蓝端的反射，降低红端的反射率。

3.3偏振中性分束棱镜

偏振中性分束棱镜是利用斜入射时光的偏振，实现50/50中性分光。

原理：

对于折射率不同的两种介质的分界面 nH︱nL ，当入射角满足布儒斯特角条件时，即tgθH=n L/n H，P—偏振光的反射为零，而S—偏振光则部分反射，部分透射。为了增加S—偏振光的反射率，保持P—偏振光的透射率接近于1，可以将两种材料交替沉积制成多层膜。

当层数足够多时，S—偏振光的反射率接近于1，P—偏振光的透射率接近于1，因而对于自然光而言，在一定的波长范围内，可以得到50/50的透反比，是良好的中性分光镜，也是偏振度很高的薄膜偏振镜。

布儒斯特角条件： tgθH = nL/nH

折射定律： nHsinθH = nLsinθL = ngsinθg

如果给定膜层的折射率nL和nH，也即确定了膜层的折射角θL 和θH 。有两种途径可以实现全偏振条件：

①选定棱镜的折射率ng ，计算棱镜应有的角度θg

②选定棱镜的角度（θg=45°较方便），然后计算玻璃应有的折射率。

如当薄膜的折射率为和，棱镜角为45°，这时玻璃的折射率应为。相反，若棱镜的折射

率，膜料的折射率为和,则满足布儒斯特角条件的棱镜内入射角是°。

提醒:对于不同的高低折射率材料,则要求用不同折射率的玻璃材料来制作棱镜,方能达到全偏振分光的目

的。

在偏振分光膜的每个界面上，入射角都必须满足布儒斯特角条件。因而，如果以空气作为入射介质，对于常用的介质材料，要使光线在膜层内的入射角满足布儒斯特角条件，则在空气中的入射角必将大于90°，因此这组双层膜系必须封入胶合棱镜内。

对于介质分光镜来说， P—偏振分量的反射率通常总是低于S—偏振分量的反射率，在立方体分光镜中，这种偏振效应更是显著。以致这种分光镜在对偏振效应限制较严的场合不能使用，而必须应用金属膜的分光镜。

归纳金属、介质分束镜的优缺点：

金属分束镜

优点：中性好，光谱范围宽，偏振效应小，制作简单

缺点：吸收大

使用注意事项：光的入射方向

介质分束镜

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

四、截止滤光片

概述

所谓截止滤光片是指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等）。

通常我们把抑制短波区、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。

吸收截止滤光片应用最广泛，可以由颜色玻璃、晶体、烧结多孔明胶、无机和有机液体以及吸收薄膜制成。其主要优点是使用简单，对入射角不敏感，造价便宜适中。但吸收型截止滤光片的截止波长不是随便可以移动的。本节主要介绍薄膜干涉型截止滤光片。

下图表示长波通和短波通滤光片的典型特性曲线： p39图

干涉截止滤光片的几个重要指标：

1．透射曲线开始上升(或下降)时的波长以及透过率T=50%的点落在某一波长的范围内（λ0±△λ）；2．高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内允许的最小透射率；

3．截止带的光谱宽度，以及在此截止带内所允许最大的透过率。

干涉截止滤光片的基本膜系类型是λ/4周期性

膜堆（LH）。图中所示为λ/4多层膜的透射率曲线形状。它既可以用作截止长波的短波通滤光片，也

可以用作截止短波的长波通滤光片。只要改变监控膜层厚度的波长，截止限的位置是可以移动的。

图2-31中明显的特点是通带透射率的既深又多的波纹。干涉截止滤光片膜系设计的主要任务就是消除和减小通带波纹。

如果对λ/4多层膜作简单的修改，在λ/4多层膜的每一侧加一个λ/8膜层即可。如果原膜系起止于高折射率层，则要求加一对低折射率层，否则刚好相反。

通带波纹的压缩

压缩带通波纹有许多不同的途径，最简单的是选取一个组合膜。组合，其中nH =，

nL=，在玻璃上给出一个良好的长波通滤光片；而组合具有较好的短波通滤光片特性。图2-34

一种压缩波纹的简单的方法是改变基本周期内的膜层厚度，则要求光洁基片保持低的反射率即基片应有低的折射率，所以，这种方法对于K9玻璃系列是比较有效的。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。

举例：若短波通滤光片的技术要求为：

HR：780 —— 930nm R＞99%

HT：496 —— 664nm T＞95%

HR代表高反；HT代表高透。

我们需采用短波通的膜系：

上面的短波通膜系改变为：

nG|15(H2L)HL|n0

nH =(TiO2)；nL =(SiO2)；nG =

二图比较，通带中的波纹有较大的压缩，从496nm—664mn通带

内的波纹趋向于0，波纹压缩是十分理想的。

在膜系的基底侧与入射的空气侧，加上匹配层，以起到压缩通带波纹的作用。

我们上面讲到短波通膜系nG|15(H2L)HL|n0的最外二层HL实际上是空气侧的匹配膜系，这样可以使通带的波纹比较小；若去掉空气侧的匹配层，则通带内的波迅速加剧，以致无法使用。所以，这二层显然是十分关键的匹配层。但是我们从图5-6中可以得到，在靠近截止带侧的通带中有三个比较大的反射次峰存在。这往往会影响到干涉截止滤光片在实际中的应用，为此，需尽量想办

法降低反射峰的负面影响。为了达到这目的。我们在短波通滤光片主

膜系的二侧加上匹配层，基底侧的匹配层为，而在空气侧加上2L匹配

层，膜系可设计成：nG|(2HL)2L|n0

nH = nL = nG =

通带长波侧的次峰由于原来的三个减少到一个，而且664—720nm波段的通带透过率显然提高到接近于100%，而且波纹有很大的压缩，波纹趋向于0。496—664nm波段，虽然波纹比图5-6有增加，但其Tav仍然可达到95%左右与图5-6持平。短波侧通带440nm附近的反射次峰有所减弱。

截止滤光片的应用

从数量上讲，干涉型截止滤光片的应用数量仅次于减反射膜；从种类上讲，干涉型截止滤光片的应用类型是所有光学薄膜器件中最多的。

1、彩色分光膜

在彩色技术中使用的二向色镜是反射和透射光谱均被利用的长波通或短波通滤光片。它的作用是将一束光分离为不同颜色的几束光。

二向色镜一般都是倾斜使用的，这就不可避免地带来偏振影响，造成彩色还原的失真。对于各种技术的不同应用场合，彩色分光元件可以设计成平板型和棱镜型。

解决棱镜式分光元件偏振效应的方法是合理设计分光棱镜的形式，尽可能减小光束在膜面上的入射角。一般入射角降到°，再结合其他减偏手段，可以得到低色偏的棱镜分光元件。

彩色扩印机及彩色放大机的彩色头中使用的分光元件是在入射角为0°时使用的，右下图给出了一套红绿蓝三原色滤光片的设计光谱特性。

五、带通滤光片 p46

带通滤光片是指在一定的波段内，只有中间一小段是高透射率

的通带，而在通带的两侧是高反射率的截止带。

滤光片的主要参数：

λ0 ——中心波长或称峰值波长；

Tmax——中心波长透射率，也即峰值透射率；

2△λ——透过率为峰值透过率一半的波长宽度，也称通带半宽度，有时也用2△λ/λ0表示相对半宽度。图2-46

带通滤光片有两种形式:

1、由一个长波通膜系和一个短波通膜系的重叠通带波段形成带通滤光片的通带。

光谱特性：较宽的截止带；较深的截止深度；但通带不够窄；常用于宽带通滤光片。

但那些相对半宽度小于l5%或更窄的干涉滤光片上述的方法就做不到了，它们需要用其它原理设计。

2、法布里—珀珞干涉仪形式的滤光膜系

光谱特性：很窄的通带；较窄的截止带；截止深度不深；大多数情况下需要配合使用截止滤光片来拓宽截止带和增加截止深度。

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，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，这个标准具可以代换成一个薄膜组合。图2-45

现在将它们代换成薄膜的组合：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。这种代换有两点不同：第一，滤光片的全部膜层（包括二个反射膜）是镀在同一基片玻璃上的，所以滤光片的各层膜是基片面型的临摹品，因此F—P干涉滤光片中基片面型一般不会影响滤光片的光学性能，但我们知道，在F—P标准具中，两反射板的面型不同是会严重影响标准具的光学性能的。第二，滤光片的间隔层是折射率大于1的介质膜，标准具的间隔层是折射率等于1的空气。而且标准具的间隔d不容易做得很小，因此标准具一般是高干涉级次的，而滤光片则可以把间隔层做到一级次干涉。

F—P干涉滤光片的反射膜可以是金属膜，我们称它为金属—介质F—P干涉滤光片；反射膜也可以是全介质膜，称之为全介质F—P干涉滤光片。

F—P滤光片的特性

R1、R2、T1、T2分别表示两反射板的反射率和透射率，φ1、φ2为反射板的反射相移，δ为间隔层的位相厚度。

通带半宽度：公式2-10

相对半宽度：公式2-11

峰值透过率：公式2-12

①当反射膜没有吸收、散射损失而且反射膜完全对称时，即T1=T2=1-R1=1-R2，R1=R2时，Tmax=1；

②当两个反射膜完全对称，且有散射、吸收存在时：峰值透过率公式2-13

R12、T12、A12分别表示两反射膜的反射率、透射率和吸收率。

两个反射膜的不对称性对峰值透过率的影响：公式2-15

两个反射膜不对称的F—P滤光片的峰值透过率图：图2-47

两个反射膜的不对称性影响F—P滤光片的峰值透过率，但是极不敏感。甚至在两个反射膜的透射率相差两倍时，峰值透过率仍然还有75%。

讨论：在实际上存在吸收、散射的情况下，反射膜的透射率愈低，吸收、散射愈大，则峰值透射率愈低。

例如T12＝,A12=,Tmax＝50%左右。这时如果A12增至，则Tmax降至30%左右。这足以说明法布里—珀珞滤光片对膜层的吸收、散射损失是极其敏感的。

对于金属—介质F—P干涉滤光片，由于金属反射膜的固有吸收，这种滤光片的峰值反射率不可能做得太高，一般以35%～40%为宜。

金属—介质F—P滤光片中最好的金属反射膜通常采用铝膜和银膜。这种滤光片的相对半宽度常取1～8%，可见光区应用的滤光片半宽度控制在5～10nm，峰值透过率30～40%；若要求半宽度比较窄，峰值透射率可控制在20%；若要求一个较深的抑制带，可以考虑把两个同样的滤光片胶合起来，在紫外区常常这样做。

上图给出了这种类型的许多滤光片的透射率的实测曲线。其中曲线6是两块滤光片胶合后的测量曲线，其余均为单块滤光片的测量曲线。

制备金属一介质F—P滤光片并不困难，主要应该尽快地把金属蒸镀到冷基片上。监控膜层可以用三块比较片，每块监控一层膜。蒸镀之后膜层应尽快地与盖片玻璃胶合，并注意用环氧树脂胶封边，以防水气的侵害。在短于波长300nm的紫外区，有少数几种适用的胶合剂，而在波长200nm以下一种也没有，因而滤光片不能胶以盖片。

这时可用一层极薄的氧化镁来保护最外面的金属膜，选定这层膜的厚度，使它成为金属膜的减反射膜。也有人在盖片玻璃与膜之间加一个垫圈，外面用环氧胶封边，在盖片玻璃与膜之间留一个小的空气层来解决没有适用胶合剂的问题。

由P60式（），滤光片通带的半宽度取决于干涉级次和反射膜的反射率。

干涉级次越高（即间隔层愈厚），反射膜的反射率愈高，则半宽度愈小，滤光片透射光的单色性愈好。

全介质法布里-珀珞滤光片

由于金属膜吸收比较大，限制了滤光片性能的进一步提高，所以如果用λ／4全介质反射膜系取代金属反射膜，则可以大大提高F-P滤光片的性能。

对于高折射率间隔层，半宽度2△λ公式2-19

对于低折射率间隔层，半宽度2△λ公式2-20

由于全介质多层反射膜只在有限的区域是有效的，因此滤光片透射率峰值的两边会出现旁通带。在大多数应用中，必须将它们抑制掉。

短波旁通带只要在滤光片上叠加一块长波通吸收玻璃滤

光片很容易去掉。但是不容易得到短波通吸收滤光片，有

些短波通吸收滤光片虽然能抑制长波旁通带，但短波方面

的透射率太低，大大降低了整个滤光片的峰值透射率。

法布里-珀珞滤光片的应用

长期以来，法布里一珀珞干涉型膜系作为获得窄带通滤光片的惟一途径，在光学波段得到了广泛的应用。特别是近几年光纤通信DWDM技术中，采用法布里一珀珞干涉型光学超窄带滤光片扩展单根光纤的信道容量，使光学超窄带滤光片的应用和制造技术水平上升到一个绝无仅有的颠峰状态。

宽带通滤光片

在光学工程中，并不是所有需要带通滤光片的地方都希望通带越窄越好，还有一部分需要是宽带通滤光片。即，在有些光学系统中需要在限定的某一波段是高透过率，两边是高抑制的截止区。

具有较宽透射带的滤光片，通常可以用短波通和长波通滤光片组合而成。

截止滤光片膜系可以镀在分立的基底上，若干不同截止波长的

截止滤光片组成一套具有不同半宽度和峰值波长的宽带滤光片。但是这样组成的宽带滤光片，不适用于成

像系统，因为膜系之间的多次反射会造成双像。为消除双像，必须把整个薄膜滤光片都镀在基底的同一侧。P83应用：强光防护用诱导滤光片