薄膜光学技术-2-3 第2章 光学薄膜膜系设计及其应用
光学薄膜制备与应用
光学薄膜制备与应用光学薄膜是指在各种光学元件表面上吸附一层具有特定的光学性质的薄膜。
它是由一系列具有慢光效应的光学材料所制备出来的，在现代光学技术领域扮演着重要的角色。
光学薄膜不仅可以改变光的反射和透射性质，还可以调节材料的机械、光学、电学和磁学性质，因此被广泛应用于显示器、太阳能电池板、半导体器件、光纤通信和激光器等领域。
光学薄膜的分类根据光学薄膜在光学元件表面上的位置和形态不同，可以将光学薄膜分为膜片、反射镜和分束器等几种类型。
其中，膜片是指在光学元件表面上涂覆一层薄膜，它可以改变光学元件的透明度、色彩和散射等性质；反射镜是指在光学元件表面上吸附一层金属材料制成的薄膜，它能够反射某一波长的光线，使得只有特定波长的光线透过它；分束器是指将光线通过光学薄膜分离为不同的波长，并反射或透射到选择器中使得光线在不同的介质下行驶。
光学薄膜的制备光学薄膜的制备涉及到很多工序，并且需要高精度和高分辨率的仪器，下面我们就来了解一下光学薄膜的制备流程。
1. 薄膜材料选择：选择特定的光学材料，如二氧化硅、氮化硅、氮化铟等，这些材料具有良好的光学、电学和化学性质，具有较高的透明度和稳定性。
2. 沉积膜层：沉积膜层通常采用物理气相沉积法（PVD）或化学气相沉积法（CVD）等方法，在设备中制造真空环境，将材料施加在光学元件的表面上，并控制所施加材料的厚度和稳定性。
3. 配合多层膜：多层膜是指在光学元件上定期施加不同材料的薄膜，以达到所要求的光学性质。
因此，制造多层薄膜需要精确测量和计算材料的厚度、均匀性和粘附效果等要素，确定合适的物理和化学参数，温度、时间、气压等等，以确保所有的层次都均匀分布。
4. 防反射薄膜：防反射薄膜是一种用于减少光线反射的光学涂层。
材料通常是氧化钙或钛等纯金属材料，它们涂覆在表面上，可以减少光的反射，增强光的透过率。
因此，制造防反射薄膜需要选择合适的物理和化学参数，以确保薄膜材料的粘附效果和抗严寒、耐腐蚀效果能够达到最佳效果。
光学薄膜技术应用研究
光学薄膜技术应用研究光学薄膜技术，简称光学薄膜，是指通过物理蒸镀、溅射等方法，在表面上堆积一层很薄的材料薄膜，从而改变材料的光学性质。
由于其在光学元件、光电信息、化学分析等领域均有广泛的应用，因而被广泛研究和应用。
下面来详细探讨光学薄膜技术应用研究。
一、光学薄膜技术在光学元件中的应用在光学元件中，光学薄膜技术有着重要的应用。
光学薄膜可以被制成全反射镜、半反射镜、多层膜等器件。
如薄膜滤波器可以通过不同厚度和不同种类的材料堆积层次，来实现对光的滤波；光学偏振器可以通过给晶体或者玻璃薄膜施加强约束电场和强磁场，产生特殊的偏振效应，用于解决光学分离和信息存储等问题。
此外，光学薄膜技术还可以制作可变光学器件，如光学分束器和反射率可变的反射镜。
二、光学薄膜技术在光电信息中的应用光学薄膜技术在光电信息方面也有一定的应用。
如宽带光学反射镜在光电信息单位中得到广泛的应用，其主要作用是减少传输损耗和增加串行通信容量。
又如，光导纤维附着有光学薄膜具有非常高的折射率，能够在光纤送信的过程中实现光信号的反射和传输，保证了光纤通信质量良好。
三、光学薄膜技术在化学分析中的应用光学薄膜技术在化学分析方面也有着广泛的应用。
如利用存在非常敏锐的气体传感器阵列实现对污染气体进行监测，保证环境卫生。
其实现的核心是对特定气体进行自注意的区分，这就需要光学薄膜来实现。
四、光学薄膜技术在光色变材料中的应用光学薄膜技术在光色变材料中也被广泛应用，由于光学薄膜具有一定的变色性质，因此可以利用它实现某些光学传感器元件对于光线的照射产生变化，由此实现对光信号的控制（如液晶屏幕）。
此外，光学薄膜加工技术还可以实现大规模生产，由此实现对光学元件的流水线制造，使得光学信息的处理速度更具优势。
在以上几个领域中，光学薄膜技术的应用影响了整个领域的发展，并形成了多种相关的光学设备。
不过，随着时代的变迁和技术的不断发展，光学薄膜技术与其对应的应用，也需不断革新升级，从而达到更高层次的状态。
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。
光学薄膜及其应用
溅射方式
包括直流溅射、射频溅射和脉冲 溅射等，其中射频溅射和脉冲溅
射适用于绝缘靶材的镀膜。
应用范围
广泛用于制造各种光学薄膜，如 金属薄膜、介质薄膜等。
化学气相沉积
物理基础
基于气相化学反应原理，在基底表面形成固态薄 膜。
反应方式
包括热分解、化学合成和等离子体增强化学反应 等多种方式。
多层膜技术
多层膜技术可以增加光学薄膜的复杂性和功能性，提高薄膜的性能和稳 定性。未来，多层膜技术将成为光学薄膜领域的一个重要研究方向。
政策与环境分析
国家政策支持
近年来，国家对于光学薄膜产业的发展给予 了大力支持，出台了一系列相关政策，包括 财政补贴、税收优惠等，以促进光学薄膜产 业的发展。
行业标准制定
研究挑战与展望
制造工艺的优化与改进
提升薄膜性能
通过优化制造工艺，提高薄膜的光学、力学、化学等性能，以满 足实际应用中的严格要求。
降低制造成本
研究更低成本的制造工艺，减少生产过程中的浪费和成本，提高 光学薄膜的性价比。
制造环境友好型薄膜
探索绿色、环保的制造工艺，减少对环境的负面影响，为可持续 发展做出贡献。
04
CATALOGUE
光学薄膜的市场与发展趋势
市场规模与增长
全球市场规模
近年来，随着光学技术的不断发展，光 学薄膜市场呈现出快速增长的趋势。根 据市场研究机构的统计数据，全球光学 薄膜市场规模预计在未来几年内将持续 扩大。
VS
国内市场规模
我国光学薄膜市场也呈现出快速增长的趋 势，尤其是在液晶显示、太阳能光伏等领 域，光学薄膜的应用越来越广泛。据不完 全统计，我国光学薄膜市场规模年均增速 在10%以上。
光学薄膜及其应用
加大对光学薄膜产业的投入力度，包括资 金、人才、设备等方面的支持，推动产业 快速发展。
加强国际交流与合作
建立光学薄膜的标准体系，制定相关标准 和规范，提高产品质量和市场竞争力。
加强与国际同行之间的交流与合作，引进 国际先进技术和管理经验，提高我国光学 薄膜产业的国际竞争力。
THANKS
在常压环境下，通过化学反应生成薄膜材料并沉积在基片上。反应条件温和，设 备要求相对较低。
等离子体增强化学气相沉积
利用等离子体激活反应气体，促进化学反应并在基片上沉积成膜。具有高沉积速 率和优良薄膜质量的优点。
溶胶凝胶法技术
凝胶化过程：溶胶经陈化，胶粒 间缓慢聚合，形成三维空间网络 结构的凝胶。
热处理：对干凝胶进行高温热处 理，得到最终的光学薄膜。
光学薄膜的分类
根据光学薄膜的特性和应用，可以将其 分为以下几类
滤光片：选择性地透过或反射特定波长 光线的薄膜，用于光学滤波和色彩调节 。
分光膜：将光线按照一定比例分成多束 的薄膜，用于光谱分析和光学仪器。
反射膜：具有高反射率的薄膜，用于光 线的反射和镜面效果。
增透膜：减少光线反射，增加光线透射 率的薄膜，提高光学元件的透过率。
光学薄膜发展历程
01
02
03
04
05
光学薄膜的发展历程经 历了以下几个阶段
初期探索阶段：早期科 学家通过对自然现象的 观察和实验，发现了薄 膜干涉、衍射等光学现 象，为光学薄膜的研究 奠定了基础。
理论研究阶段：随着光 学理论的发展，科学家 们建立了完善的薄膜光 学理论体系，为光学薄 膜的设计和制备提供了 理论指导。
工作原理
利用光的干涉原理，使反射光增强。
应用领域
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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H
2 N H d cos H
,
L
2 N L d cos
L
25
M
p
M HpM Lp
cosH
i Hp sinH cosL
8
i
Hp
sin L
iHp sinH cosH iLp sinL cosL
Ms
MHsMLs
cosH
iHs sinH
i Hs
sin H
cosL
cosH iLs sinL
i Hs
第2章 光学薄膜膜系设计及其应用
2.3 中性分光膜
1
2.3.1 金属分束膜
1. 金属分束膜 特点： k/n值越大，吸收越小，Ag, Cr, Ni80Cr20 问题： 吸收大，R+T 仅 60%—70% .
优点：中性好， 光谱范围宽， 膜系简单
4
ห้องสมุดไป่ตู้
G/Ag(5nm)/A
5
G/Cr(15nm)/A
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
24
Hp N H / cos H , Hs N H cos H ,
Lp N L / cos L , Ls N L cos L ,
N H sin H N L sin L N 0 sin 0
arctnngH L 30.422,nGsin45nHsin
nG2
n2Ln2L2nnHH22
21.3822.352 1.68 1.3822.352
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？
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: cosH cosL 并符合折射定律: n H s iH n n Ls iLn n ss isn
tg H
nL nH
得偏振条件:
ns sins
nHnL nH 2 nL2
21
说明：a. 0 0 , R R s R p / 2 b. H，L均指工作时的有效厚度 nc do s04 其实际厚度是： nHdH40 cosH nLdL40 cosL 显然，介质分束膜就是周期性多层膜的又一种应用。
13
单层分光膜 G/H/A
G/TiO2/A
14
15
16
平板型介质分束膜
多层分光膜 G/2LHLHL/A
多层分光膜 G/HLHL/A 入射角45度
17
棱镜介质分束膜
S/HLHL/S
S/2LHLHL/S
S/HLHL2H/S
S/LH(2/3)L1.5HL2H/S
18
2.3.4偏振中性分光膜
偏振中性分光膜：
利用斜入射时光的偏振效应来实现50/50的 中性分光。
两点说明：
1）偏振中性分光膜只适应于自然光和圆偏振光的 中性分束；
介质中性分束膜的本质是：
前面所讲的周期性多层介质膜系(LH)S， 而且工作波段也是膜系的反射带，只不过 层数少，反射率只有50% 。
特点： 分光效率高（无吸收）， 偏振效应明显， 分光特性色散明显。
12
2.3.3 介质分束膜
1. 平板型： G/H/A； G/HLHL/A；G/2LHLHL/A。
2. 棱镜型： G/HLH/G；G/HLHL/G；G/LHLHL/G。
2）偏振中性分光膜分出的两束光，光强相等，但 偏振状态不同，是两束振动方向互相垂直的线偏 振光。因此，也将其称为偏振分光（束）膜。
19
偏振中性分光膜—布儒斯特角原理
θ1 n1 n2
θ2
1.0
R 增加S偏振 光的反射率
0.5
Rs
0
θB Rp
0
30
60
90
θ0
n1,n2界面反射率随入射角的变化
Rp=0的条件：
sin L
8
cosL
Yp
Cp Bp
,Ys
Cs Bs
Rs
0s Bs 0s Bs
Cs Cs
2
, Rp
0 p Bp 0 p Bp
Cp Cp
2
26
6
G/Cr(16nm)Ni(6nm)/A
7
这种具有吸收的薄膜分光镜的透射率与光线的入射 方向无关，但反射率与入射光的方向有关。
通常，光线从空气侧入射时，分光镜的反射率高， 所以，在使用分光镜时，一定要注意正确的使用方向。
8
2.3.2 介质-金属分束膜
理论基础：
金属膜对光的吸收不仅与金属自身的性质有关， 还与金属周围介质的性质有关。
方法：
在金属膜两边设计匹配膜堆，诱导出金属膜的最 大可能透射能力——势透射率。
9
金属分束膜的吸收损失与分光膜周围的介质有关，改变周围 的介质，可以减小吸收损失。
10
G l ZnS-Ag-ZnS l A 可见光的中性1：1分光，R+T~90%. 厚度为：280，1.2，120
11
2.3.3 介质分束膜
rpn n 1 1c co o 2 2 s sn n2 2c co o 1 1 s stt((g g 2 2 1 1))0
12 90o 所以有： n1 cos1
n2 cos2 又因为： n1 sin 2
n2 sin 1
消去θ2,得Rp=0的入射角θ1=θB
Barn c 2n t1g