光学薄膜膜系设计及其应用
《光学薄膜设计理论》课件
总结词
随着光电器件的发展，光学薄膜的应用领域也在不断 扩展。新型光电器件对光学薄膜的要求更高，需要不 断探索新的应用领域和场景。
详细描述
光学薄膜在新型光电器件中具有广泛的应用前景。例 如，在激光器、太阳能电池、光电传感器等领域中， 光学薄膜可以起到增益介质、反射镜、滤光片、保护 膜等作用。此外，随着光电器件的微型化和集成化发 展，光学薄膜的应用场景也在不断扩展，如光子晶体 、微纳光学器件等。这些新型光电器件的发展将进一 步推动光学薄膜技术的进步和应用领域的拓展。
薄膜的均质膜系法
总结词
将多层薄膜视为一个整体，并使用均质膜系法来计算反射、透射和吸收系数的方 法。
详细描述
均质膜系法是一种更精确的光学薄膜设计方法。它将多层薄膜视为一个整体，并 使用均质膜系法来计算反射、透射和吸收系数。这种方法适用于薄膜层数较多、 折射率变化较大的情况，能够更准确地模拟薄膜的光学性能。
光的波动理论概述
光的波动理论认为光是一种波动现象，具有振动 、传播和干涉等特性。
波动方程的推导
通过麦克斯韦方程组推导出波动方程，描述光波 在介质中的传播规律。
波前的概念
光的波动理论中引入了波前的概念，用于描述光 波的相位和振幅。
光的干涉理论
光的干涉现象
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，产生明 暗相间的干涉条纹的现象。
按制备方法分类
03
物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法等。
光学薄膜的应用
光学仪器
照相机、望远镜、显微镜等。
光电子
激光器、光探测器、光放大器等。
通信
光纤、光波导、光放大器等。
摄影
滤镜、镜头镀膜等。
02
光学薄膜设计基础
光学多层膜的设计及应用
光学多层膜的设计及应用光学多层膜是一种在光学器件中广泛应用的技术，主要用于制造反射镜、透镜等光学元件。
相对于传统的单层涂层技术，多层膜具有更高的反射率和透过率，并且在不同波长下具有良好的光学性能，被广泛应用于军事、航空航天、医疗、消费电子等领域。
光学多层膜的设计主要是基于光学干涉原理。
当光线穿过两层不同介质的交界面时，会发生反射和折射。
通过改变不同膜材料、不同厚度和不同折射率的膜层组合方式，可以调节反射和透过的光线的波长和强度，达到所需的光学性能。
因此，设计优良的多层膜体系是一项关键的技术。
为了更好地理解多层膜的设计和应用，下面将分别从多层膜的组成、设计原理和典型应用三个方面来进行讨论。
多层膜的组成一般情况下，多层膜由几十个到几百个薄膜层组成。
薄膜层可以是金属、二氧化硅、氟化物等不同的材料。
不同的材料之间存在着不同的折射率和反射率，通过设计不同的膜系列可以达到不同的光学性能。
在多层膜中，主要存在两种类型的层：光子低能带反射层（Bragg镜）和倾斜反射膜。
Bragg镜是一种由模拟布拉格衍射效应的多层膜，透过它的光线会与多层膜中的膜层产生衍射，从而形成一种特定的光子带隙，只有在该频段内的光线才会被反射或透射。
倾斜反射膜是一种在膜面方向倾斜的膜层，它可以大幅度提高反射率并减少多层膜的厚度，使得多层膜的光学性能更张弛自如。
多层膜的设计原理多层膜的设计原理基于膜层的布拉格反射机制和反射镜堆积的形式，由此可以得出多层膜的必要条件：膜层厚度达到布拉格衍射连续性，即为波长的整数倍；反射镜的层数较大，同时材料应采取高折射率材料与低折射率材料的堆积，以提高反射镜的反射系数。
多层膜的设计工艺可以通过计算机模拟软件进行设计和优化。
在计算设计之前，需要详细了解材料的光学性能，包括折射率、衰减系数和散射率等。
然后，通过模拟计算来确定不同膜层的厚度、材料和堆积方式，以最大化所需的光学性能。
有了设计出优良的多层膜之后，还需要进行膜层的沉积，其中，主流的沉积技术是物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。
光学薄膜的发展及应用前景
光学薄膜的发展及应用前景光学薄膜是一种通过沉积一层或多层材料形成的具有特定光学性质的薄膜，广泛应用于光学器件、太阳能电池、显示器、激光器等领域。
随着科学技术的发展和对光学性能要求的不断提高，光学薄膜的研究与应用呈现出迅猛发展的趋势。
本文将从光学薄膜的发展历程、主要应用领域以及未来的应用前景等方面进行探讨。
光学薄膜的发展历程可以追溯到20世纪初，当时人们开始使用化学气相沉积法来生长薄膜，开创了现代光学薄膜技术的先河。
20世纪50年代，光学薄膜技术得到了快速发展，特别是在太阳能电池、激光器和光学涂层等方面的应用有了重要突破。
随着薄膜材料和技术的不断进步，光学薄膜的性能和应用范围也得到了大幅提升。
光学薄膜在光学器件领域广泛应用，如反射镜、透镜、窗片等。
通过合理设计和优化光学薄膜的层序和材料组成，可以实现高透射、高反射、准相位匹配等特性。
这些特性成为眼镜、相机镜头、显微镜等光学器件中不可或缺的部分，有效提高了光学系统的性能和成像质量。
此外，光学薄膜在显示器领域也发挥着重要作用。
通过在显示器背光板、滤光片和触摸屏等部件上应用光学薄膜，可以增强显示器的颜色饱和度、对比度和亮度等方面的性能。
光学薄膜的应用可以提高显示器的显示效果，提供更好的视觉体验。
光学薄膜在激光器技术中也具有广泛的应用。
激光器的工作原理要求光在谐振腔中的来回传播尽可能多的次数，而光学薄膜通过提供高反射和高透射的特性，增强了激光器的能量转换效率和光束质量。
此外，光学薄膜还可用于激光器输出功率的控制，通过调节薄膜的反射率，实现激光器功率的输出控制。
此外，光学薄膜还具有广阔的太阳能应用前景。
光伏薄膜技术是研究如何将太阳能转化为电能的一项重要技术，它能够实现更高的太阳能电池转换效率。
通过在太阳能电池上应用光学薄膜，可以提高太阳能电池对太阳光的吸收和利用效率，从而提高电池的输出功率。
同时，光学薄膜还可以提高太阳能电池的耐候性和稳定性，延长电池的使用寿命。
光学膜主要用途和构成要素
光学膜主要用途和构成要素光学膜是一种应用广泛的薄膜材料，其主要用途是用于光学器件和光学元件中，可以用来改变光的传播性质和增强光学器件的性能。
光学膜的构成要素包括薄膜材料、薄膜的厚度和层次结构等。
光学膜的主要用途包括以下几个方面：1. 抗反射膜：光学膜可以用来制作抗反射膜，抗反射膜可以减少光的反射，提高光的透射率和透射亮度，常用于光学镜片、眼镜等领域。
2. 镀膜镜片：光学膜可以用于制造光学镜片，可以根据具体的应用要求，选择不同的材料和镀膜工艺，制作出具有特定光学性能的镜片，常用于显微镜、望远镜、摄像机等光学设备。
3. 光学滤波器：光学膜可以用来制作光学滤波器，可以选择不同的材料和工艺，制作出具有特定波长特性的滤波器，常用于激光器、光谱仪等光学系统。
4. 光学薄膜：光学膜可以制作成不同的结构和形状，可以根据具体的应用需求，采用不同的层次结构和薄膜材料，制作成具有特定光学性能的光学器件或光学元件。
光学膜的构成要素包括以下几个方面：1. 薄膜材料：光学膜的性能取决于薄膜材料的选择，常见的光学膜材料包括二氧化硅、二氧化钛、氟化镁、氟化镁镓等，不同的材料具有不同的光学特性和机械性能，可以根据具体的应用需求进行选择。
2. 薄膜的厚度：光学膜的厚度对光学性能有重要影响，可以通过控制薄膜的厚度，调节光学膜的折射率、透射率和反射率等光学性能。
3. 层次结构：光学膜可以采用单层、多层或复合结构，通过设计不同的层次结构，可以实现对光学性能的调节和优化，常见的光学膜结构包括单层膜、多层膜、增透膜等。
总的来说，光学膜在光学领域有着广泛的应用，其主要用途包括抗反射膜、镀膜镜片、光学滤波器、光学薄膜等，其构成要素包括薄膜材料、薄膜的厚度和层次结构等。
随着光学技术的不断发展和进步，光学膜将在更多领域发挥重要作用，并且不断得到改进和完善。
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。
光学薄膜技术及其应用
光学薄膜技术及其应用张三1409074201摘要：介绍了传统光学薄膜的原理，根据薄膜干涉的基本原理及其特点，介绍了光学薄膜的性能、制备技术，研究了光学薄膜在的应用和今后的发展趋势。
关键词：光学薄膜、薄膜干涉、应用、薄膜制备引言：光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。
光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。
本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。
正文：1.光学薄膜的原理光学薄膜的直接理论基础是薄膜光学, 它是建立在光的干涉效应基础上的、论述光在分层介质中传播行为。
一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。
该理论可以比较准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚的薄膜中的传播行为,由此设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。
2.光学薄膜的性质及功能光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。
依靠反射功能, 它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位；依靠减反射功能，它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致, 完美地实现现代光学仪器和光学系统的设计功能；依靠它的光谱调控功能, 实现光学系统中的色度变换, 获得五彩缤纷的颜色世界。
不仅如此, 光学薄膜又是光学系统中的偏振调控、相位调控以及光电、光热和光声等功能调控元件, 光学薄膜的这些功能, 在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用, 促进了相关技术和学科的发展。
3.传统光学薄膜和新型光学薄膜3.1传统光学薄膜传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。
《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。
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
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7
单层AR膜的光谱特点：
a. 对常用的多数
基底材料，满
单层减反射膜 G/L/A
1.52/1.38/1
足 n1 n0 nS 的膜料并不存
在，所以Rmin 0
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，
0 500 nm, 设计波长，中心波长， 参考波长 色中性差；
8
2.1.2 双层减反射膜
a. 对 g=1 ，三层膜中有一层虚设层2H，致使对λ0的 有效膜堆是 G ML A
R
1
n2 1
nS
n2 2 3
1
n2 1
nS
n2 2 3
显然，此值小于 G 2HL A膜堆的R值 ； b. 对g≠1的其它相当宽的波数段，R值比任何一种两
层膜都低。
18
2. G M 2HL A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。
光学薄膜技术
Optical thin films and Technology
第2章 光学薄膜膜系设计及其应用
1
第二章：光学薄膜膜系及其应用
第一节 减反射膜 第二节 高反射膜 第三节 中性分束膜 第四节 干涉截止滤光片 第五节 带通滤光片 第六节 偏振分光膜
2
薄膜的分类及用途
3
薄膜的分类及用途
B. 存在1 0 2, R1 and R2 R0
C. n2 n1, n2 nS
1 0 2
D. R1 f n1, n2, nS R2 f n1, n2, nS
11
nH3=2.0 nH1=1.60
nH2=1.85
nH4=2.5
12
λ0/2-λ0/4 膜堆的光谱特点：
G/2HL/A
就可以实现 R0 0
Y
12
22 12
32
24 32
2k S S
22 24 2k
k为奇数 k为偶数
(1) :Y
nL2 nS nH2
1.382 1.52 1.72
1.0
(2) :Y
nH2 nS
1.72 1.52
1.90
1.3892
双层λ0/4 膜堆的光谱特点：
G/HL/A 1.52/1.7,1.38/1
T0
1
R11
1 R 2
R2
,
4R F 1 R 2 , R R1R2
n2=2.05
n3=1.71 ns=1.52
R1 R2
1
2 2
2
n2d2
1
2 2
2
0 4
1
2 2
2
0
R1m in
2.05 1.382 2.05 1.382
2
/1 /1
0.00136
R2 m in
2.05 1.712 2.05 1.712
T0 1
T0 1
T0
1
R11 R2
1 R 2
,
R
R1R2
16
1. G M 2HL A 的特性：
下图是此膜系的一条可能的 R 曲线。 注意：在薄膜光学中，为了使一次具体的计算 结果不被局限在一个特定的波段，引入了一个中间变
量——相对波数 g ， g 0 。
R
0.015
g
1
17
由上图不难看出：
(1).只要n1<ns ，就有RF<RS ，这层膜就有减反射效 果，也就是减反射膜。
(2).若, n1<ns , 同时 则 R0 Rmin
n1 d1 0 4
n0 n12 nS 2
, n0 n12
nS
2
显然, a. R0 0 的条件是: n1 n0 nS ; b. R 曲线呈V形, 沟底为 R0 ; c. 0 0 时，膜层有效厚度为n1 d1 cos1 , 0 越大, Rmin 对应的波长越短。
4
2.1 减反射膜 Anti-reflection (AR) coatings
光学元件表面反射造成的问题
光能量损失，使像的亮度降低； 杂散光造成像的衬度降低，分辨率下降。
5
光学膜系基本知识
规整膜系：
各层薄膜的光学厚度为设计波长的四分之一。
设计波长（参考波长、中心波长）
膜系：G/M2HL/A
S/(HL)4H/A
G代表基底
H（L、M）代表高（低、中）折射率膜层并且光 学厚度为设计波长的四分之一
A代表出射介质（一般为空气）
非规整膜系： 某一层薄膜的光学厚度不是设计波长的四分之一。
膜系：G/M1.8HL/A
6
2.1.1 单层减反射膜
Y C B η12 ηs
从前面对单层介质膜的分析讨论已知：
缺点：
1、剩余反射 率还太高
2、通带越来 越窄（和单 层膜比较）
3、破坏色平 衡
10
2. 0 0 膜堆: G/2HL/A 24
特点: 可得到W形透射光谱曲线。
n0 λ/4 n1 λ/2 n2
基板 ns
A. R0 与 n2无关。
R
即:
R0
n0 n0
n12 n12
nS nS
2
0.04
/1.52 /1.52
2
0.001
R min=1-T0=2.55×10-5
15
n3=1.71
n3=1.62
R1min
2.05 2.05
1.382 1.382
2
//11
0.00136
R2min
2.05 2.05
1.622 1.622
/1.52 /1.52
2
0.00733
T 1 1 ห้องสมุดไป่ตู้ sin2
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G M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。
G M 2HL A
母膜系
14
n0=1
n1=1.38
T T0 1 F sin 2
n3=1.71
n3=1.62
19
3.四层和四层以上增透膜的设计
通常遇到的问题：
a. 三层膜系的增透波段不够宽，或剩余反 射率还太高；
b. 满足设计要求的三种材料无法找全。
解决的办法： a. 优化三层母膜系G/M2HL/A中每层膜的折射率和 厚度，直至满足要求；可能出现现有膜料无法实 现的问题。 b. 以G/M2HL/A 为母膜系，将折射率设为定值， 调整膜层的厚度，并允许增加膜层层数，直到满 足要求。可能出现层数多以及极薄层的问题。
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 n0 Y 2 n0 Y 2
例:
和 使
G
Y n0
HL A
也Y是可可n12以能n想S的到. ,通过增加一层膜, 其 Y (0) nL2 nS nH2
只要 Y 0 n0 1 即 nH nL nS