薄膜光学理论与膜系设计
薄膜光学课程设计
光学薄膜课程设计学生姓名学号指导老师年月增透膜1. 参数要求:在1300-1600nm波段中，设计一个垂直入射时透射率为99.9%的膜系。
2. 材料：ZrO2（H）、Al2O3（M）、MgF2（L）3. 基础膜系：G| M 2H L |A优化膜系：G| 0.100H 0.742M 2.198H 1.061L |A4. 曲线图：设计波长为1450nm，采用针式优化。
5. 膜厚控制方法：采用光控的方法对膜厚进行控制。
高反膜1.参数要求：在1300-1600nm波段中，设计一个垂直入射时反射率为99.9%的膜系。
2.材料：TiO2（H）、SiO2（L）3.基础膜系：G| (HL)^12 H |A优化膜系：G| (HL)^12 0.792H |A4.曲线图：设计波长为1450nm。
5.膜厚控制方法：采用光控的方法对膜厚进行控制。
分光膜1.参数要求：在1300-1600nm波段中，设计一个45度角入射时透射率为50%的膜系。
2.材料：TiO2（H）、SiO2（L）3.基础膜系：G| (HL)^4 |A优化膜系：G| 0.382H 0.512L 0.873H 0.942L 0.972H 1.382L 0.721H 0.980L |A 4.曲线图：设计波长为1450nm，入射角为45度。
5. 膜厚控制方法：采用光控的方法对膜厚进行控制。
短波通干涉截止滤光片1.参数要求：光线垂直入射时，在1300-1450nm波段通过，透射率为99%；在1450-1600nm波段截止。
2. 材料：TiO2（H）、SiO2（L）3.基础膜系：G| 0.87LHL (0.5L H 0.5L)^18 0.7LHL |A优化膜系：G| 1.110L 1.292H 1.132L 0.900H 1.116L 1.020H 1.055L (HL)^14 1.000H1.170L 0.911H 1.192L 0.987H 0.619L |A4.曲线图：设计波长为1653nm。
光学薄膜的工作原理及光学性能分析
光学薄膜的工作原理及光学性能分析一、引言光学薄膜是一种非常重要的光学材料，具有广泛的应用领域，如光学器件、光伏电池、激光技术等。
本文将重点介绍光学薄膜的工作原理以及对其光学性能的分析。
二、光学薄膜的工作原理光学薄膜是由一层或多层透明材料组成的膜层结构，在光学上表现出特定的光学性质。
其工作原理主要涉及薄膜的干涉效应和反射、透射等光学过程。
1. 干涉效应光学薄膜的干涉效应是指光波在不同介质之间反射、透射时，发生相位差导致光波叠加出现干涉现象。
光学薄膜利用干涉效应控制特定波长的光的传播，实现光的反射增强或衰减。
2. 反射和透射光学薄膜的反射和透射性能取决于入射光波的波长和薄膜的光学参数。
当入射光波与薄膜的折射率不同，一部分光波将发生反射，其反射强度与入射波和薄膜参数有关。
另一部分光波将透过薄膜，其透射强度也与入射波和薄膜参数有关。
三、光学薄膜的光学性能分析光学薄膜的光学性能分析是指对其反射、透射、吸收等光学特性进行定量研究。
1. 反射率与透射率的测量反射率和透射率是评价光学薄膜性能的重要指标。
可以通过光谱测量，通过测量入射光、反射光和透射光的强度，计算得到反射率和透射率。
2. 全波段光学性能分析除了对特定波长的光学性能分析外，还需要对光学薄膜在全波段范围内的性能进行研究。
这可以通过利用光学薄膜在不同波长下的反射和透射特性，进行光学模拟和仿真计算得到。
3. 色散性能研究光学薄膜的色散性能是指其折射率随波长的变化关系。
色散性能对光学器件的性能和应用有重要影响。
可以通过光谱色散测量系统测量得到光学薄膜的色散曲线。
4. 热稳定性分析光学薄膜在高温环境下的性能稳定性也是重要的考量指标。
可以通过热循环测试和热稳定性测量仪等设备，对光学薄膜的热稳定性进行评估和分析。
四、光学薄膜的应用光学薄膜由于其独特的光学性质和广泛的应用领域，得到了广泛的应用。
1. 光学器件光学薄膜在光学器件中广泛应用，如反射镜、透镜、滤光片等。
薄膜光学技术-2-1第2章 光学薄膜膜系设计及其应用
很难实现零反
射。
b. V形减反射效
果，只能在某
个孤立波长点
实现最小反射，
0 50n0m,设计波长，中心 参波 考长 波， 长 色中性差；
8
2.1.2 双层减反射膜
目的: 克服单层膜存在的两个问题.
1. 双层 0 4 膜堆
分析:
由单层0
4 增透膜的反射率计算公式
R n 0 Y 2n 0 Y 2
20
C 替代层技术 等效定律
任意一个周期性对称膜系都存在一个 单层膜与之等效。
等效折射率就是基本周期的等效折射 率；等效相位厚度等于基本周期的等 效相位厚度的周期数倍。
T 0 1 1 R 1R 1 2R 2,
4 R F 1 R 2,R R 1 R 2
n2=2.05
n3=1.71 ns=1.52
R1 R2
1 2 2 2 n 2 d 2 1 2 2 2 4 0 1 2 2 2 0
R1min
2.051.382 2.051.382
G/2HL/A
缺点： 明显的反 射峰（中 心波长）
13
2.1.3 多层减反射薄膜的设计
目的：实现更宽波段更低的剩余反射率。
多层膜的基础是三
层增透膜堆
。
更多层GM 的2增H透L膜A堆大多
是以此三层增透膜堆为
雏形改良发展而成。
GM2HLA
母膜系
14
n0=1
n1=1.38
T T 01 F si2 n
层膜都低。
18
2. GM2HLA的调优方法
——各层膜参数对膜系总体性能的影响规律: a. 改变(N2 d2)，可使T移到不同的波长； b. 改变N1 、 N3 、 d1 、 d3 、中任何一个，可 改变减反射带宽（波段宽度）和T-λ曲线波形。
4-1光学薄膜系统设计
Au P P 接近于Ag
P P B
一般要求
紫外区 反射率 可见区 红外区
硬度 附着力 稳定性 制备工艺
银膜用作玻璃的前表面镀层:
当银膜作为玻璃后表面的内反射镀层时，通常是在银膜 的外面镀一层铜，再镀一层铬，然后刷上保护漆，以防 止反射镜的“银变”。
增强金属反射镜
金属的复折射率可写为 n ik ，光在空气中垂直入射时，其 反射率为 2 1 (n ik ) (1 n 2 ) k 2 R 1 (n ik ) (1 n 2 ) k 2
y0 y sub
,V型膜
双层 λ0/4λ0 y1 /4 y2 λ 0/4 λ 0/2 三层 λ 0/4 λ 0/2 λ 0/4 λ 0/4 λ 0/2 λ 0/2 y1 y2 y1 y2 y3 y1 y2 y3
( y1 / y2 ) 2 y0 / ysub
λ /2虚设，在λ 0反射率等于λ 0/4单层;可有二个零反射波 长，W型膜 零反射条件：y0 y3 用于ysub <1.65
一、试探法：
初始结构 计算机数值计算 修改设计参数 计算机数值计算
二、光学自动设计方法
半自动设计 全自动设计（无需初始结构）
初始结构的光谱特性
通过某种数学方法 改进结构的光谱特性 修改膜层结构 —) 理想的光谱特性 变小 评价函数
—) 理想的光谱特性 评价函数
评价函数：
F ( x)
评价函数
n越小越好，k越大越好
倾斜入射:
N n ik r
0 0
p
here, 0
n0 s , 0 n0 cos 0 cos 0
p
N , s N cos 1 cos 1
《光学薄膜膜系设计》课件
，常用的测量方法有光谱椭偏仪法和光谱反射法等。
03
光学薄膜设计方法
膜系设计的基本原则
光学性能原则
薄膜的光学性能应满足设计要求，如 反射、透射、偏振等特性。
物理化学稳定性原则
薄膜应具有优良的物理和化学稳定性 ，能够经受环境因素的影响，如温度 、湿度、紫外线等。
机械强度原则
薄膜应具有足够的机械强度，能够承 受加工和使用过程中的应力。
干涉色散
由于薄膜干涉作用，不同波长的光 波会产生不同的相位差，导致不同 的干涉效果，从而产生色散现象。
薄膜的光学常数
光学常数定义
01
描述介质对光波的折射率、消光系数等光学性质的一组参数。
薄膜的光学常数
02
对于光学薄膜，其光学常数包括折射率、消光系数、热光系数
等。
光学常数测量
03
通过测量光波在薄膜中的传播特性，可以获得薄膜的光学常数
反射膜的应用案例
总结词
反射膜主要用于将特定波段的光反射回原介质，常用于聚光镜、太阳能集热器等领域。
详细描述
反射膜具有高反射率和宽光谱特性，被广泛应用于太阳能利用和照明工程中。通过将反 射膜镀在金属镜面上，可以大大提高光的反射效率，从而实现高效聚光和散热。此外，
反射膜还用于制作装饰性和广告用反射镜面。
干涉现象
当两束或多束相干光波相遇时，会因相位差而产生明暗相间的干 涉条纹。
干涉条件
为了产生稳定的干涉现象，需要满足相干波源、相同频率、相同 方向和相同振动情况等条件。
薄膜的干涉效应
薄膜干涉原理
当光波入射到薄膜表面时，会因 反射和折射而产生干涉现象。
薄膜干涉类型
根据光波在薄膜中传播路径的不同 ，可分为前表面反射干涉和后表面 反射干涉。
第三章 薄膜光学基础理论1
S
D ds d
S
B ds 0
B ds L E dl t S D j ds L H dl t S
波动方程的解
麦克斯韦方程的微分形式：
(1) (2) (3) (4)
对4式两端对时间求导数，则
N 2 H =i E (13) 2 c
(15)
H z H y ( H ) x = y z 2 N 2 N = i s0 y H z i s0 z H y
2 N = i (S0 H ) x
2 N (S0 H ) y
N 2 将(13)式 H =i E 代入(16)式， 2 c
i t 2 nx
说明在导电介质（ 0，因而k 0）是一个衰减波， 消光系数k 是介质吸收电磁波能量的度量。 时，振幅衰减到原来的1 e 2 k 【介质内产生的电流将波的能量转换为热能】 当x =
光学导纳
对 E E0 e
2 kx
e
i t 2 nx
S EH
E E0e
H H 0e
i t x
= E eit x E eit
0 0
i t
:电振动的初相；实数部分 E E0 cos(t ) : 磁振动的初相；实数部分 H H 0 cos(t )
坡印廷矢量：
瞬时值忽大忽小 一个周期的平均值是定值 定义坡印廷矢量的平均值为光强度I
1 T I E0 H 0 cos(t ) cos(t ) d t T 0 1 = E0 H 0 cos( ) 2 ( EH * )的实数部分为 Re( EH * )= Re E0 eit H 0 e it E0 H 0 cos( ) I 1 Re( EH * ) 2
薄膜光学技术_第02章 03 中性分光膜
1.68
22
多层分光膜G/ (HL) 8 /G 45度入射
基片折射率1.66， 2.38，1.35
23
例题
在硅基底（折射率3.5）上镀3微米到5微米的 分光膜，角度为45，分光比为1：1，材料为硫 化锌和氟化镁，计算4微米处的反射率？
多层分光膜 G/(HL)82H/G 45度入射 基片折射率3.5， 膜层折射率2.38，1.35 设计波长4600
25
M
p
M HpM Lp
c os H
i Hp sin H cos L
8
i
Hp
sin L
iHp sin H cos H iLp sin L cos L
Ms
M Hs M Ls
c os H
iHs sin H
i Hs
0
1 2 90o
所以有： n1 cos 1 n2 cos 2
又因为： n1 sin 2 n2 sin 1
消去θ2,得Rp=0的入射角θ1=θB
B arctgn2 n1
θB叫布儒斯特角或偏振角。 20
增加S偏振 光的反射率 H,L同时满足布儒斯特角， nH nL 对p分量有效折射率相等: cos H cos L 并符合折射定律: nH sin H nL sin L ns sin s
sin H
c os L
cos H iLs sin L
i Hs
sin
L
8
cosL
Yp
Cp Bp
, Ys
Cs Bs
Rs
光学薄膜膜系设计方法
光学薄膜膜系设计方法光学薄膜啊，就像给光学元件穿上了一层特制的小衣服。
那这膜系设计呢，就像是精心挑选衣服的款式和布料。
一种常见的方法是基于经验的设计。
这就好比咱做饭，一开始照着老菜谱做。
那些有经验的工程师啊，他们经过好多好多的实践，知道在哪些情况下用哪种薄膜材料组合比较好。
比如说，要是想让光更多地透过，可能就会想到某些透光度高的材料，像氟化镁之类的。
他们心里有个小本本，记着不同材料在不同光学环境下的表现，就这么凭经验先搭出个大概的框架来。
还有一种是计算机辅助设计。
这个就很酷炫啦。
现在科技这么发达，计算机就像个超级聪明的小助手。
我们把光学薄膜需要达到的各种要求，比如反射率要多少、透过率要多少之类的参数输进去。
然后计算机就开始它的魔法之旅啦。
它会根据内置的算法，算出各种可能的膜系结构。
这就像是我们在网上搜衣服，输入自己的尺码、喜欢的风格，然后出来一堆推荐一样。
不过呢，计算机算出来的结果也不是完全就可以拿来用的，还得经过人工的分析和调整。
在设计膜系的时候啊，材料的选择可太重要啦。
就像我们挑衣服的布料，得考虑它的质地、颜色、功能啥的。
对于光学薄膜材料，我们要关注它的折射率、吸收率这些特性。
不同的折射率会让光在薄膜里的传播路径发生不同的变化。
要是选错了材料，那这个光学薄膜可能就达不到我们想要的效果啦，就像穿错了衣服去参加活动，会很尴尬的呢。
另外，膜层的厚度也是个关键因素。
这厚度就像衣服的厚度一样，得刚刚好。
如果膜层太厚或者太薄，光的干涉效果就会受到影响。
比如说，要是想通过干涉来增强反射，那膜层厚度就必须得精确控制，差一点点都不行哦。
光学薄膜膜系设计不是一件简单的事儿，但是只要我们掌握了这些方法，就像掌握了搭配时尚穿搭的秘诀一样，就能设计出很棒的光学薄膜啦。
宝子们，是不是感觉还挺有趣的呢？。
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参 4 (杨妹清 )
TN253
2008043273
三光纤补偿式位移传感器的研究 = Study of tri2fiber op tical
disp lacement sensor w ith intensity compensation [刊 ,中 ] /李 710032 ) ) ,王晓
sol2gel technique [刊 ,中 ] /袁兆林 (电子科技大学物理电子
学院. 四川 ,成都 ( 610054 ) ) ,祖小涛 … / /半导体光电. %
2008, 29 (2). % 2122216
利用溶胶 2凝胶法在 (0001) A l2O3 衬底上制备了 A l/ Zn 原子比为 1%的 ZnO ∶A l薄膜 ,将能量 56 keV、剂量 1 ×
果和测量结果一致 ,两根接收光纤各自的线性范围较小 ,
补偿后的三光纤位移传感器不仅能改善测量的线性度 ,而
且能在一定程度上放大传感器的线性测量范围 。图 5参 6
(严寒 )
饶云江 … / /中国激光. % 2007, 34 (12). % 166021664 介绍了一种利用波长为 800 nm 的飞秒激光脉冲在普 通单模光纤 ( SM F) 上刻蚀出微 型光纤法布里 2珀罗干涉 (M EFP I)传感器的方法 。该方法通过计算机控制就可以 进行任意腔长的微型光纤法布里 2珀罗干涉传感器的制 作 。实验研究了光纤法布里 2珀罗传感器的应变和温度特 性 ,结果表明 ,在 0～350με的应变范围内 ,干涉条纹波长 相对于应变的灵敏度为 0. 006 nm /με,线性度达 99. 69% ; 在 20～100 ℃的温度范围内 ,该光纤法布里 2珀罗传感器具 有较小的负温度特性 ,干涉条纹往短波方向漂移了 0. 15 nm。图 7参 11 (严寒 )
薄膜光学
薄膜光学理论与膜系设计
O484. 1
2008043278
硒化锌基底 3～12 μm 渐变折射率红外增透膜的设计 =
Gradient2index thin film design of infrared film s on ZnSe sub2
— 26—
strate for 3～12μm [刊 ,中 ] /鄢秋荣 (中科院光电所. 四川 , 成都 (610209) ) ,黄伟 … / /激光与红外. % 2008, 38 (2). %
7 nm 范围内的波长线性解 调 , 测量波长分辨率为 0. 01 nm。图 6参 12 (于晓光 )
TN253
2008043272
光纤陀螺中的关键技术分析 = Analysis of key technique in
fiber op tic gyro [刊 ,中 ] /郝婕 (空军工程大学电讯工程学
增大而增强 。Nb膜应力先随薄膜厚度增大而增大 ,后随
薄膜厚度的增大有所减小 。图 6表 1参 22 (于晓光 )
O484. 4
2008043281
退火对 N离子注入 ZnO ∶A l薄膜性能的影响 = Effects of
annealing on p roperties of N 2imp lanted ZnO ∶A l thin film s by
的 Mo /B4 C膜并测量了其反射率 ,在波长 7. 03 nm 处 ,Mo / B4 C多层膜的近正入射反射率为 21. 0%。图 5参 13 (于晓 光)
O484. 1
2008043280
膜厚对直流磁控溅射 Nb 薄膜微结构的影响 = Effects of
thickness on m icrostructure and p roperties of Nb film s deposi2
确和可靠的优点 。图 3参 12 (严寒 )
TN253
2008043275
飞秒激光加工的微型光纤法布里 2珀罗干涉传感器 =M i2
cromachining of an in2fiber extrinsic Fabry2Perot interferomet2
ric sensor by using a fem tosecond laser[刊 ,中 ] /王维 (重庆
线 ,构造了新的 Q 函数和用逐次近似的方法修正膜层的折 射率轮廓图 ,能有效地减小与期望透射率曲线的偏差 ,再 给膜层加上五次方多项式匹配层与空气和基底两侧界面 相匹配 。所得渐变折射率增透膜在设计波段平均透射率 达到 95%。图 6参 9 (于晓光 )
O484. 1
2008043279
高反射率 M o / B4 C 多层膜设计及制备 = Design and fabri2 cation of high reflectivity Mo /B4 C multilayer m irrors[刊 ,中 ] / 张慧晶 (同济大学精密光学工程技术研究所 ,物理系. 上海
敏 … / /应用激光. % 2007, 27 (5). % 3752377
研究了一种基于光纤网络的结构承载位置判别的方
法 ,分析了检测系统的工作原理 ,进行了光纤智能结构承
载位置判别实验 ,做出光纤网络输出光强与加载量的变化
曲线图并进行了分析讨论 ,实验数据与理论分析能较好地
符合 。结果表明 ,这种承载位置的判别方法具有快速 、准
1017 ions/ cm2 的 N 离子注入到薄膜中 。离子注入后 ,样品
在 500～900 ℃氮气气氛中退火 ,研究了退火温度对薄膜
性能的影响 。结果显示 ,在 800 ℃以下退火 ,随退火温度
提高 ,薄膜结晶性能逐渐变好 ;在 600 ℃以上退火 ,随退火
温度提高 ,紫外近带边发光峰 (NBE)和缺陷相关的深能级
定时传感器 ,研制了涡轮机高速旋转叶片振动监测系统 , 能够高效地收集叶尖定时信号 ,配合后续的光电转换 、数 据采集和数据分析 ,实现了高速旋转叶片的实时振动检 测 。在现场高速模拟转子的实时监测实验中 ,该系统的工 作性能良好 ,得到的结果与同时进行监测的应变片实验结 果基本一致 ,分析的异步振动阶次和频率也基本符合 。图 4表 1参 9 (严寒 )
600 nm 的 Nb薄膜 ,对薄膜的沉积速率 、表面形貌 、晶体结 构进行了研究 ,分析了其应力和择优取向 。原子力显微镜
图像显示 Nb膜表面光滑 、致密 ,均方根粗糙度达到 0. 1 nm 量级 。X射线小角衍射给出了薄膜的晶格结构 、晶粒尺寸
和应力情况 。分析表明薄膜为多晶体心立方结构 ( bcc) , 在 (110)晶面方向存在明显的择优取向 ,且随着薄膜厚度
1772180 叙述了傅里叶合成方法的原理和该方法用于 ZnSe基 底 3～12 m 红外增透膜的设计 。通过反傅里叶变换期望 的光谱特性曲线得到渐变折射率膜层 。用薄膜特征矩阵 的方法计算细分成很薄的多层均匀膜层的光谱透过率曲
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值反射率为 33. 29%。采用恒功率模式直流磁控溅射方法
制作 Mo /B4 C多层膜 。通过在 Mo /B4 C多层膜与基底之间 增加 15 nm厚的 Cr粘附层 ,提高多层膜与基底的粘附力 。
另外 ,还采用调整多层膜 Gamma值的方法减小其内应力 ,
调整后多层膜结构周期为 3. 59 nm ,Mo膜厚 1. 97 nm , B4 C 膜厚 1. 62 nm ,峰值反射率 26. 34%。制备了膜对数为 150
等 15个误差系数 。图 2表 2参 14 (严寒 )
其他
TN253
2008043274
一种基于光纤的智能结构承 载 位 置 监 测 与 分 析 研 究 =
Load monitoring of fiber op tic smart structure [刊 ,中 ] /郭林
峰 (南京航空航天大学理学院. 江苏 ,南京 (210096) ) ,赵志
颖 / /西安工业大学学报. % 2007, 27 (5). % 4132415, 425
研究了三光纤补偿式位移传感器的原理和性能 ,根据
光纤出射端面的近似光强分布 ,数值计算了三光纤传感器
中接收光纤接收光强与位移的关系和补偿后的输出特性 ,
并对此输出特性进行了实验测量 。结果表明 ,数值计算结
可见光发光带都逐渐增强 ; 600℃退火时 ,样品的电阻率仅 为 83Ω ·cm。图 4表 1参 25 (于晓光 )
thermal2op tical p roperties of vanadium oxide film s[刊 ,中 ] /杨 爱国 (兰州大学物理学院. 甘肃 ,兰州 ( 730000 ) ) ,杨子健 … / /半导体光电. % 2008, 29 (2). % 2002202, 207 以石英片为基底材料 ,采用直流 /射频磁控共溅射方 法制备了掺 A l和掺 Ti的氧化钒薄膜 ,探索了用这种方法 制备掺杂氧化钒薄膜的工艺条件 ,对所制备的氧化钒薄膜 进行了热光性能测试 ,并利用能带理论对测试结果进行分 析 。结果表明 ,在氧化钒薄膜中掺入 Ti比掺入 A l对薄膜 的热光性质的改变所起的作用更为明显 。增大 Ti杂质的 含量对薄膜的电阻 2温度特性 、相变温度 ,以及相变滞豫区 的改善比较明显 ,而掺 A l引起的变化规律与此相反 。图 3 表 1参 10 (于晓光 )
(200092) ) ,张众 …/ /强激光与粒子束. % 2008, 20 (1). % 67270
运用遗传算法优化设计了 Mo /B4 C多层膜结构 。入射 光入射角度取 10°时 ,设计的理想多层膜膜对数为 150,周
期为 3. 59 nm, Gamma值 (Mo膜厚与周期的比值 )为 0. 41,峰
% 60265
提出一种光纤陀螺 IMU 的六位置旋转现场高精度标