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

1.3%）的镜头光透过率为 6

2.4% ,镀多层膜（剩余的反射为 0.5%）的为8

3.5%。

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：

（ ￥

R= % _山透射率T =1 —R I no +∏ι J

例，折射率为1.52的冕牌玻璃，每个表面的反射约为 4.2%,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。

A 、— 1

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 ——A 丽—

—Ms .FI

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

4 ^

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 1.38。

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。

1.1单层减反射膜

R= -------------

n 1 - 1

r≡≡l -S8

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 1.62左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率为 1.28,但是至今能利用的薄膜的最低折射率是 1.38（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。

1.2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，n o = n 12/n 2,则要求将基底的

折射率1.65 提高到1.9 （n 1=1.38 , n2=1.9）。

怎么办？

先沉积一层折射率为1.77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一高折射率材料一低折射率材料一空气，简称G I HL I A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。

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：UI= V（rk^∕ιιJ ns （1）

或Ih= Iii √n√ιιΓ⑵

p22公式

如果外层膜确定用折射率n1为1.38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、λ 0/2 - λ 0/4 膜堆G I 2HL I 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 I 2HL I 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。1.3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λo/ 4- λo/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1.63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1.66 的基片，λ

0/4- λ0/ 2- λ0/2型三层减反射膜更为合适。

1.4 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 3.4，而锗大约是4，碲

化铅是5.5。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。

2.1 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

2.2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

I- (na∕nι) ιs(I?!∕ιιτ)

1+(∏B∕∏L^” (naVih)

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。

2.3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 2.6,而最小的不小于1.3，在红外区域中，最大折射率也不

超过6.0。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。

3.1 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0.24 μ~5 μ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。

3.2 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。