增透膜与全反膜设计
光学增透和增反多层膜的设计与计算
Material Sciences 材料科学, 2017, 7(1), 78-87Published Online January 2017 in Hans. /journal/ms /10.12677/ms.2017.71011文章引用: 连松友, 余云鹏, 林舜辉, 林钢, 徐从康, 王江涌. 光学增透和增反多层膜的设计与计算[J]. 材料科学,The Design and Calculation of Optical Anti-Reflected and Reflected Multilayer FilmSongyou Lian 1, Yunpeng Yu 1, Shunhui Lin 1, Gang Lin 2, Congkang Xu 3, Jiangyong Wang 11Shantou University, Shantou Guangdong2Shantou Goworld-Display Co., Ltd., Shantou Guangdong 3Wuxi Shumatianke New Energy Technology Co., Ltd., Wuxi JiangsuReceived: Dec. 28th , 2016; accepted: Jan. 13th , 2017; published: Jan. 16th, 2017Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractThis paper gives a brief introduction about the four methods for the structural design of the opti-cal multilayer films, such as the alternated high and low refractive index method, the symmetrical imitated method, the periodic method and the gradient method. Three methods for calculation of the multilayered optical properties are reviewed, including the recursive method, the Fresnel coefficient matrix method and the characteristic matrix method. These three methods are applied to calculate the reflectivity of the anti-reflected and the reflected multilayer film. By using the re-cursive method, the reflectivity of the anti-reflected multilayer film is obtained as a function of the film thickness and refractive index.KeywordsOptical Multilayer Film, Design Concept, Fresnel Formula, The Optical Properties, The Recursive Method光学增透和增反多层膜的设计与计算连松友1，余云鹏1，林舜辉1，林 钢2，徐从康3，王江涌11汕头大学，广东 汕头Open Access连松友 等2汕头超声显示器有限公司，广东 汕头3无锡舒玛天科新能源技术有限公司，江苏 无锡收稿日期：2016年12月28日；录用日期：2017年1月13日；发布日期：2017年1月16日摘 要本文概括了四种常用的光学增透和增反多层膜结构的设计理念，如高低折射率交替设计、对称等效法、周期性薄膜设计、渐变式薄膜设计等。
相机镜头增透膜原理
相机镜头增透膜原理
相机镜头增透膜是一种用于镜头表面的特殊涂层，目的是减少光的反射和提高透射率，从而增加镜头对光线的传输效率。
增透膜的原理主要包括两个部分：反射镀膜和透射镀膜。
反射镀膜是指在镜头表面涂覆一层包含反射性质的材料，主要用于减少光线的反射。
根据光的干涉现象，反射镀膜可以通过控制膜的厚度，使得反射光的相位与入射光的相位产生干涉，从而使得波长相同的光之间发生干涉，减少反射光的强度。
这样一来，更多的光线就能够透过镜头而不被反射，提高镜头的透光率。
透射镀膜是指在反射镀膜的基础上，进一步涂覆一层透明的材料，主要用于减少光线的折射和散射。
透射镀膜的设计主要考虑到光线在介质界面传播时发生反射和折射的现象，通过调整涂层的厚度和折射率，可以使得折射光尽可能地与入射光保持一致的方向，从而减少光线的散射和折射损失。
综合以上两种涂层的作用，相机镜头增透膜能够减少光线的反射和散射损失，提高透射率，使得更多的光线能够透过镜头，从而提高图像的亮度、对比度和清晰度。
增透膜和增反膜
增透膜和增反膜
新型复合材料—增透膜和增反膜是一种复合材料，它采用可以调节透射率的半导体混合物作为基础，通过控制半导体的透射率，将高度可调的红外信号调整为非视觉频率。
这种新型复合材料能够有效地过滤或调节，包含紫外线、可见光、近红外和红外等光线。
增透膜，为膜状复合材料，具有耐强烈温和酸碱性介质，以及抗潮湿和抗老化能力等特点，是目前视觉处理中开展光控制应用最理想的材料之一。
同时，增透膜还具有很强的保护作用，能够有效地保护外部射线，达到良好的光控调整效果。
另一方面，增反膜是一种新型纤维增强微结构，是一种复合材料，能够提供很强的光控制作用、有良好的弹性和耐久性、表面透光性能以及保护环境的功能。
增反膜的材料具有非常高的柔韧性，可以实现极端变形，并保持稳定，利用该材料可以有效地抑制紫外线、可见光和近红外等，以达到光控制调节的目的。
综上所述，增透膜和增反膜作为新型复合材料，在光控制调节方面都具有很强的优势，它们可以控制紫外线、可见光、近红外和红外等射线辐射，能够有效地阻断射线，达到调节光信号的目的。
并且，它们具有抗潮湿和抗老化的能力，也能有效保护环境，在视觉处理中有着广泛的应用前景。
增透膜与全反膜设计23页PPT
设计减反膜（双层膜）：
设计高反膜（6对膜）：
激光 327.67nm TiO2 + 560.23nm SiO2
InP
TiO2
SiO2
激光
其中1155.65nm Ta2O5 1465.31nm SiO2 1300nm反射率达到90%
1.低折射率材料主要有SiO2、MgF2等，其中SiO2 具 有很高的机械性能 ，它也具有好的重复性及简单的制
备工艺。因而选用 SiO2 为低折射率材料 。 2. 高折射率材料主要有TiO2、ZrO2、Ti2O5等，其中 TiO2 的牢固性好，因而选用TiO2为高折射率材料。
背景设置
设计膜系为：S |1 H 1 L 1 H 1 L| A
目录
➢ 半导体激光端面的镀膜条件 ➢ 半导体激光端面减反膜设计与优化 ➢ 半导体激光端面全反膜设计与优化
一、半导体激光端面的镀膜条件
计算光学膜，给出膜层材料、膜层数目、厚度、特性 激光材料的折射率为n0≈3.3737 介质膜材料： SiO2、 Ta2O5、Al2O3、TiO2中选择 介质膜 考虑复折射率
二、半导体激光端面减反膜设计与优化
减反膜系设计的基本原则：
（1）在给定基底材料的前提 下，通过较少的层数 ，实现
尽可能高的透过率。
（2）考虑镀膜材料之间及其 与基底材料之间的匹配 ，避 免应力的集中，保证膜层与
基底之间结合牢固。
膜系材料的选择
为了获得性质稳定、高致密性且高激光损伤阈值的光学薄膜， 需要考虑膜料的一些性质，包括膜料的纯度、光学机械特性、 化学特性等，从而选择出合适的膜料以及匹配的蒸发技术。
大功率半导体激光器高反射腔面膜通常采Ta2O5/SiO2、Si/Al2O3、 HfO2/SiO2等膜系。本实验采用 Ta2O5/SiO2膜系做器件的高反膜。
光学增透和增反多层膜的设计与计算
光学增透和增反多层膜的设计与计算
光学增透和增反多层膜是光学工程领域的一种经典技术，可以为光学仪器提供高透过率和低反射率的表面光学性能。
这里我们将对这种技术的设计和计算过程进行一步步的阐述：
第一步：定义所需的光学性能参数。
在开始设计光学增透和增反多层膜之前，需要明确所需的光学性能参数，如透过率、反射率和波段数量等。
这些参数将直接影响多层膜的设计和计算。
第二步：选择多层膜材料和结构。
选择多层膜材料和结构非常重要，因为它们直接影响到光学性能参数。
常用的多层膜材料包括二氧化硅、氟化镁等，而不同的结构形式如“Fabry-Perot”型结构和“Rugate”型结构等都可以实现不同的光学性能。
第三步：计算多层膜的“4N+2”厚度规律。
在多层膜设计中，计算膜层厚度非常关键，这可以通过“4N+2”厚度规律来完成。
这个规律的原理是在每一膜层的两端添加1/4波长薄膜，以构成一个光学全反射器，从而实现最低反射率。
第四步：进行光学性能模拟和优化。
设计和计算结束后，需要进行光学性能模拟和优化，这将有助于确定实际的透过率和反射率等光学性能参数，并进行所需光学性能的优化。
第五步：多层膜的制备和测试。
最后，需要将所设计的多层膜进行制备，并进行透过率和反射率等光学性能测试，以验证所设计的多层膜光学性能参数是否与计算结果相匹配。
总之，光学增透和增反多层膜的设计和计算是一项技术含量较高的工艺，但可以为光学仪器等提供高透过率和低反射率的表面性能，因此在实际应用中具有重要的价值。
增透膜和增反膜原理
增透膜和增反膜原理
增透膜和增反膜是一种用于光学器件和光电器件的涂层技术。
这两种薄膜有着相反的光学特性，而它们的原理基本相同，都是通过光学干涉现象达到所要求的光学效果。
增透膜的原理是利用光学干涉现象来提高透光率。
当光在两种介质之间传播时，会发生折射和反射。
如果在这两种介质之间形成一层具有特定折射率和厚度的薄膜，入射光就会在这个薄膜上发生多次反射和透射。
通过调节膜层的厚度和折射率，可以使得特定波长的光在膜层上发生干涉现象，进而增强该波长的透射。
这样，增透膜就能够提高特定波长光的透过率，达到增透效果。
相反，增反膜的原理正好相反。
增反膜的目的是减少特定波长的光的透过率。
通过将具有特定折射率和厚度的薄膜沉积在基底上，入射光会在薄膜和基底之间发生反射和透射，从而形成干涉现象。
通过调节膜层的厚度和折射率，可以使得特定波长的光在增反膜中发生干涉，导致该波长的反射增强，而透射减弱。
这样，增反膜就能够减少特定波长光的透过率，达到增反效果。
增透膜和增反膜的制备通常采用物理气相沉积或化学气相沉积等薄膜沉积技术。
通过控制沉积过程中的沉积速率和膜层厚度，可以实现不同波长的增透或增反效果。
这些薄膜广泛应用于光学镜片、太阳能电池板、半导体激光器等光学器件中，提高了光学器件的性能和效率。
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。
高中物理增透膜和增反膜原理
高中物理增透膜和增反膜原理
一、什么是增透膜和增反膜
增透膜和增反膜是一种特殊的光学薄膜，用于改善光学设备中镜片或
滤片的光学性能。
增透膜可以增加透射光线，使图像更加清晰、鲜明。
而增反膜则减少光的反射，可以降低反光、提高对比度，使影像更加
亮丽、细腻。
二、增透膜的原理
增透膜是由多层纳米膜所组成，通过对独立的各层膜进行精密设计，
以达到增加透射光线的目的。
它的主要原理是在光线垂直入射后，在
多层介质的交错的反射层之间，使得光波发生干涉，并使得一部分光
波叠加，增加透射率。
三、增反膜的原理
增反膜是通过在镜面或滤镜上涂覆特殊的光学膜，使得光线经过增反
膜后，其反射率下降，透射率提高。
主要原理是通过对膜层的设计，
使光波在涂层表面和涂层与基板之间反复反射，从而使表面的反射损
失减少。
四、应用领域
增透膜和增反膜广泛应用于各类光学设备中，如摄像机、望远镜、照
相机、显微镜以及各种显示屏幕等。
在这些设备中，增透膜和增反膜
都可以提高影像的清晰度和亮度、降低反光度，为用户带来更好的观
感体验。
五、总结
增透膜和增反膜的出现使得光学设备的性能有了长足的进步，通过对
光学膜层的精密设计和制备，光学膜的透射率和反射率得到了有效的
提高，能够更好地满足人们对光学设备清晰度和透射率的需求。
未来，随着技术的不断进步，相信增透膜和增反膜在越来越多的领域中会得
到应用和发展。
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选择这些材料的原因如下： SiO2折射率约为1.5 ，在工作波长上 消光系数足够小，呈均匀的微粒生长，膜层结构为无定型态，具 有较高的激光损伤阈值，被认 为 是 一 种 比 较 理 想 的 低 折 射 率 材 料。 Ta2O5 的折射率在 2.0-2.2， 膜层致密度极高，填充密度趋于1， 激光破坏阈值略高于 TiO2，同时该膜系对 GaAs 材料的粘附性很 好。 同时其工艺相对简单 重复性好 并且能达到 我们对透射率的要求
5对膜 系方案
6对膜 系方案
膜层设计方案
理论反射率结果
5对膜系方案反射率结果
6对膜系方案反射率结果
全反射设计优化目标
全反射膜层设计优化方案
5对膜系方案
6对膜系方案
全反射膜层设计模拟结果
5对膜系方案
6对膜系方案
5对膜系方案
6对膜系方案
二、半导体激光端面减反膜设计与优化
减反膜系设计的基本原则：
（1）在给定基底材料的前提 下，通过较少的层数 ，实现
尽可能高的透过率。
（2）考虑镀膜材料之间及其 与基底材料之间的匹配 ，避 免应力的集中，保证膜层与
基底之间结合牢固。
为了获得性质稳定、高致密性且高激光损伤阈值的光学薄膜， 需要考虑膜料的一些性质，包括膜料的纯度、光学机械特性、 化学特性等，从而选择出合适的膜料以及匹配的蒸发技术。
1.低折射率材料主要有SiO2、MgF2等，其中SiO2 具 有很高的机械性能 ，它也具有好的重复性及简单的制
备工艺。因而选用 SiO2 为低折射率材料 。
2. 高折射率材料主要有TiO2、ZrO2、Ti2O5等，其中 TiO2 的牢固性好，因而选用TiO2为高折射率材料。
背景设置
设计膜系为：S |1 H 1 L 1 H 1 L| A
其中 H代表高折射率材料 ZrO2的 1/4中心波长的光学厚度, L代表低折射 率材料 SiO2的 1/4中心波长的光学厚度。
理论反射率曲线图
镀膜前
镀膜后
减反射设计优化目标
减反膜膜层设计优化方案
优化后设计膜系为：S |0.6633 H 1.5991 L 1.6052 H 0.9170 L| A
减反膜设计优化后测试结果
镀膜中应注意要点
1)基底表面清 真空 室之前先对膜 料进行预融。
3)均匀性控制： 主要有离子源、 光纤在真空室 内摆放的位置 及膜料的蒸发
角度。
4)工艺参数： 控制温度、真 空度、氧分压
等。
三、半导体激光端面全反膜设计与优化
增透膜与全反膜设计
➢ 半导体激光端面的镀膜条件 ➢ 半导体激光端面减反膜设计与优化 ➢ 半导体激光端面全反膜设计与优化
计算光学膜，给出膜层材料、膜层数目、厚度、特性 激光材料的折射率为n0≈3.3737 介质膜材料： SiO2、 Ta2O5、Al2O3、TiO2中选择 介质膜 考虑复折射率
达到如下要求： 1、减反射膜 在1250nm~1350nm整个波段，反射率小于1%。 设计时候考虑各层膜厚的均匀性为±3%，即设计为100nm的 膜可能长出来为97~103nm之间，考虑这个容差，使得整个膜 的减反射都小于1%。即透过率达到99%。 2、高反膜 在同样的不均匀性情况下，1250nm~1350nm的 反射率均为88~92%之间。