光学薄膜的设计理论优秀课件
合集下载
《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
【精品】薄膜光学课件
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62.4％，镀多层膜（剩余的反射为0。
5％）的为83。
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： 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.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。
R T n n n n R -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=121010透射率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。
《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。
第五章光学薄膜系统的设计二ppt课件
满足条件 12（m11 m22 ) 1 的波长，位于反射带内
满足条件 12（m11 m22 ) 1 的波长，位于反射带外
所以反射带由 12（m11 m22 ) 1 决定，其对应的波长称为截止波长
12（m11
m22 ) cos2
1 2
nH nL
nL nH
sin2
假设截止波长对应的位相厚度为e， 则根据 12（m11 m22 ) 1
铝膜
1. 紫外到红外都有很高反射率的唯一材料
2. 铝膜表面在空气中能生成一层薄的Al2O3 层，膜层牢 固、稳定
3. 铝膜也常用Al2O3作保护层，但是如果铝膜用来作紫外 反射镜，则不用Al2O3和SiO作保护层, 而用MgF2或LiF
➢ 高反射率铝膜在制备工艺上，首先应该选用高纯度的铝， 以很高的沉积速率沉积到冷基片（温度低于100ºC）上， 同时真空度应高于10-4Pa。 ➢另一方面，保护膜的制备工艺也影响反射镜的反射率
中心波长平均值处 a b 2
若使 (a b 2 ) / 2 q q 0,1,2,
条件不满足，则可以消去透射峰，在两多层膜间加一层1/4平均波 长的低折射率层，便可简单得到这个结果
3. 用中心波长不同的两个对称周期膜堆跌加成单一膜 系，同样能扩展高反射区，而不会在两个中心波长 的平均值处产生透射次峰
反射率和相对波数的关系
100
80
R/%
60
40
20
0 500
1000
1500
2000
wavelength/nm
因而要制备窄带高反膜，除选择折射率比小的两种材料外，还可以 选用较高级次的反射带，以30, 50等作为控制波长
以上没有考虑薄膜材料的色散，实际中各种材料的色散是不一样 的，尽管几何厚度相同，但是对不同波长，光学厚度略有不同， 因此实际中要作适当修正。
满足条件 12（m11 m22 ) 1 的波长，位于反射带外
所以反射带由 12（m11 m22 ) 1 决定，其对应的波长称为截止波长
12（m11
m22 ) cos2
1 2
nH nL
nL nH
sin2
假设截止波长对应的位相厚度为e， 则根据 12（m11 m22 ) 1
铝膜
1. 紫外到红外都有很高反射率的唯一材料
2. 铝膜表面在空气中能生成一层薄的Al2O3 层，膜层牢 固、稳定
3. 铝膜也常用Al2O3作保护层，但是如果铝膜用来作紫外 反射镜，则不用Al2O3和SiO作保护层, 而用MgF2或LiF
➢ 高反射率铝膜在制备工艺上，首先应该选用高纯度的铝， 以很高的沉积速率沉积到冷基片（温度低于100ºC）上， 同时真空度应高于10-4Pa。 ➢另一方面，保护膜的制备工艺也影响反射镜的反射率
中心波长平均值处 a b 2
若使 (a b 2 ) / 2 q q 0,1,2,
条件不满足，则可以消去透射峰，在两多层膜间加一层1/4平均波 长的低折射率层，便可简单得到这个结果
3. 用中心波长不同的两个对称周期膜堆跌加成单一膜 系，同样能扩展高反射区，而不会在两个中心波长 的平均值处产生透射次峰
反射率和相对波数的关系
100
80
R/%
60
40
20
0 500
1000
1500
2000
wavelength/nm
因而要制备窄带高反膜，除选择折射率比小的两种材料外，还可以 选用较高级次的反射带，以30, 50等作为控制波长
以上没有考虑薄膜材料的色散，实际中各种材料的色散是不一样 的，尽管几何厚度相同，但是对不同波长，光学厚度略有不同， 因此实际中要作适当修正。
《现代光学薄膜技术》课件
分类
按照功能和应用，光学薄膜可以 分为增透膜、反射膜、滤光膜、 干涉膜等。
光学薄膜的应用领域
显示行业
液晶显示、等离子显示、投影显示等。
照明行业
LED照明、荧光灯等。
摄影器材
镜头、滤镜等。
太阳能行业
太阳能电池等。
光学薄膜的发展历程
19世纪末
光学薄膜概念诞生，主要用于 镜头增透。
20世纪初
光学薄膜技术逐渐成熟，应用 领域扩大。
真空蒸发镀膜技术适用于各种材料，如金属、半导体、绝缘体等，可以 制备单层膜、多层膜以及复合膜。
真空蒸发镀膜的缺点是难以控制薄膜的厚度和均匀性，且不适用于制备 高熔点材料。
溅射镀膜
溅射镀膜是一种利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材原子或分子溅射出来并沉积在基片上形 成薄膜的方法。该方法具有较高的沉积速率和较好的薄膜质量，适用于制备高质量的多层光 学薄膜。
详细描述
高温防护膜通常由耐高温材料制成，如硅、石英等，能够承受较高的温度和恶劣的环境条件。这种薄膜常用于工 业炉、高温炉、激光器等设备的光学元件保护，防止高温对光学表面的损伤和退化，保证设备的长期稳定性和可 靠性。
05
CATALOGUE
光学薄膜的未来发展
新材料的研究与应用
光学薄膜新材料
如新型高分子材料、金属氧化物、氮 化物等，具有优异的光学性能和稳定 性，能够提高光学薄膜的耐久性和功 能性。
THANKS
感谢观看
离子束沉积技术可以应用于各种材料，如金属、非金属、 半导体、绝缘体等，可以制备单层膜、多层膜以及复合膜 。
离子束沉积的缺点是设备成本较高，且需要较高的真空度 条件。
03
CATALOGUE
光学薄膜的性能参数
按照功能和应用，光学薄膜可以 分为增透膜、反射膜、滤光膜、 干涉膜等。
光学薄膜的应用领域
显示行业
液晶显示、等离子显示、投影显示等。
照明行业
LED照明、荧光灯等。
摄影器材
镜头、滤镜等。
太阳能行业
太阳能电池等。
光学薄膜的发展历程
19世纪末
光学薄膜概念诞生，主要用于 镜头增透。
20世纪初
光学薄膜技术逐渐成熟，应用 领域扩大。
真空蒸发镀膜技术适用于各种材料，如金属、半导体、绝缘体等，可以 制备单层膜、多层膜以及复合膜。
真空蒸发镀膜的缺点是难以控制薄膜的厚度和均匀性，且不适用于制备 高熔点材料。
溅射镀膜
溅射镀膜是一种利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材原子或分子溅射出来并沉积在基片上形 成薄膜的方法。该方法具有较高的沉积速率和较好的薄膜质量，适用于制备高质量的多层光 学薄膜。
详细描述
高温防护膜通常由耐高温材料制成，如硅、石英等，能够承受较高的温度和恶劣的环境条件。这种薄膜常用于工 业炉、高温炉、激光器等设备的光学元件保护，防止高温对光学表面的损伤和退化，保证设备的长期稳定性和可 靠性。
05
CATALOGUE
光学薄膜的未来发展
新材料的研究与应用
光学薄膜新材料
如新型高分子材料、金属氧化物、氮 化物等，具有优异的光学性能和稳定 性，能够提高光学薄膜的耐久性和功 能性。
THANKS
感谢观看
离子束沉积技术可以应用于各种材料，如金属、非金属、 半导体、绝缘体等，可以制备单层膜、多层膜以及复合膜 。
离子束沉积的缺点是设备成本较高，且需要较高的真空度 条件。
03
CATALOGUE
光学薄膜的性能参数
薄膜光学PPT课件
溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
Sol-Gel是一种制备光学薄膜的新方法，具有工艺简单、成本低等优点。该方法制备的薄 膜具有纯度高、均匀性好等优点，可广泛应用于各种光学器件的制造。
在新能源和光电器件中的应用前景
太阳能光伏电池
光学薄膜在太阳能光伏电池中有着广泛的应用，如减反射膜、抗反射膜等。通过使用高性能的光学薄膜，可以提高光 伏电池的光电转换效率和稳定性。
散射类型
瑞利散射、米氏散射、拉 曼散射等。
散射强度
与波长、散射颗粒或分子 的尺寸、形状和折射率有 关。
光的吸收和反射
光的吸收
光波通过介质时，能量 被介质吸收转化为热能 或其他形式的能量的现
象。
吸收系数
表示介质对不同波长光 的吸收能力，与物质的
性质和浓度有关。
反射现象
光波在介质表面发生方 向改变的现象，可分为
光电探测器
在光电探测器中，光学薄膜可以起到保护、增强光信号的作用。高性能的光学薄膜可以提高探测器的响应速度、灵敏 度和稳定性。
激光器
在激光器中，光学薄膜可以起到调制激光输出、提高激光质量的作用。新型的光学薄膜材料和制备技术 可以推动激光器技术的发展，为新能源和光电器件的应用提供更广阔的前景。
THANKS
干涉仪测试的原理基于光的干涉现象，通过将待测薄膜放置在干涉仪中，与标准参 考膜片进行干涉，通过测量干涉图谱的变化来计算薄膜的光学常数。
分光光度计测试
分光光度计测试是一种通过测量 光的吸收光谱来分析物质的方法， 广泛应用于薄膜的光学性能测试。
分光光度计测试可以测量薄膜的 吸收光谱、反射光谱和透射光谱， 从而获得薄膜的折射率、反射率、
新型制备技术的探索
化学气相沉积（CVD）
Sol-Gel是一种制备光学薄膜的新方法，具有工艺简单、成本低等优点。该方法制备的薄 膜具有纯度高、均匀性好等优点，可广泛应用于各种光学器件的制造。
在新能源和光电器件中的应用前景
太阳能光伏电池
光学薄膜在太阳能光伏电池中有着广泛的应用，如减反射膜、抗反射膜等。通过使用高性能的光学薄膜，可以提高光 伏电池的光电转换效率和稳定性。
散射类型
瑞利散射、米氏散射、拉 曼散射等。
散射强度
与波长、散射颗粒或分子 的尺寸、形状和折射率有 关。
光的吸收和反射
光的吸收
光波通过介质时，能量 被介质吸收转化为热能 或其他形式的能量的现
象。
吸收系数
表示介质对不同波长光 的吸收能力，与物质的
性质和浓度有关。
反射现象
光波在介质表面发生方 向改变的现象，可分为
光电探测器
在光电探测器中，光学薄膜可以起到保护、增强光信号的作用。高性能的光学薄膜可以提高探测器的响应速度、灵敏 度和稳定性。
激光器
在激光器中，光学薄膜可以起到调制激光输出、提高激光质量的作用。新型的光学薄膜材料和制备技术 可以推动激光器技术的发展，为新能源和光电器件的应用提供更广阔的前景。
THANKS
干涉仪测试的原理基于光的干涉现象，通过将待测薄膜放置在干涉仪中，与标准参 考膜片进行干涉，通过测量干涉图谱的变化来计算薄膜的光学常数。
分光光度计测试
分光光度计测试是一种通过测量 光的吸收光谱来分析物质的方法， 广泛应用于薄膜的光学性能测试。
分光光度计测试可以测量薄膜的 吸收光谱、反射光谱和透射光谱， 从而获得薄膜的折射率、反射率、
新型制备技术的探索
化学气相沉积（CVD）
光学薄膜原理 ppt课件
401 (0 1)2
Tp
N1 N0
cos1 cos0
( cos0 cos1
20 )2 0 1
401 (0 1)2
小结
垂直入射
倾斜入射
r N0 N1 N0 N1
N0
R t 2N0 N0 N1
N1
T
R r 2 ( N0 N1 )2 N0 N1
r 0 1 0 1
ts
20 0 1
,tp
折射率与导纳
Refractive index
3.坡印廷矢量(能流密度)S:单位时间通过单位面积的 能量
S=E×H
积分平均值： S 1 Re(N )E 2
(3)
2
4.边界条件---切向分量连续
E0 tan= E1 tan , H0 tan= H1 tan ,
E0itan + E0rtan = E1t tan
Detector
薄膜在WDM技术中的应用
DWDM Filter: Mux, Demux, OADM ,OXC等
M-WDM Filter: CWDM, Channel separation 等
W-WDM Filter: 光网控制，光插分，光放大等
Interleaver: 与DWDM Filter串接，提高复用度
20 0 1
c os 0 c os1
R r 2 (0 1 )2 0 1
T
N1 N0
t2
4N0 N1 (N0 N1)2
T
1 0
ts2
401 (0 1)2
s N cos
p N / cos
第三节 单层薄膜的传输矩阵
E12
1 2 E2
1
21
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
这样就把单层膜的问题等效成了单一 界面的问题，而不是用多次干涉的方法。
λ/2和λ/4的光学厚度
当膜层的光学厚度为λ/2时
cos
isin
isin cos
10
0 1
Y 2
当膜层的光学厚度为λ/4时
r1Y 12 1Y 12
cos
i1sin Y 12
2
isin1 cos
0
i1
i /1
0
r 1Y 1Y
有效界面法－基本思想
有效界面法－基本思想有效界面Leabharlann －分析方法有效界面法－分析方法
有效界面法－分析方法
有效界面法－带通滤光片
T=1: sin2θ=0, R1=R2 T极小值：则sin2θ=１ 提高陡峭度：F越大越好，即提高R1和R2
3.3 对称膜系的等效层
前面
单层膜特性矩阵的特点
单层膜特性矩阵的特点
矢量作图法的约定
矢量作图法举例
矢量作图法举例－计算振幅反射系数
矢量作图法举例－计算矢量之间夹角
矢量作图法举例－矢量合成（λ＝400nm)
矢量作图法举例－矢量合成（λ＝520nm)
矢量作图法－光倾斜入射
3.2 有效界面法(菲涅耳系数法）
有效界面法－物理模型
有效界面法－分析方法
有效界面法－分析方法
➢正问题：
已知多层介质膜的结构参数计算其光学性质，利用特征矩 阵方法可进行精密计算； 即使上百层薄膜在宽光谱范围内反射和透射特性都可以瞬 间完成；
➢反问题
设计具有一定光学性质的多层介质膜结构； 基本膜系的选择＋优化设计＋考虑工艺；
本章重点介绍几种常用的光学薄膜设计理论
3.1 矢量作图法
➢条件：
(1)膜层数比较少； (2)膜层没有吸收； (3)只考虑入射波在每个界面上的单次反射，忽略 界面上的多次反射
TM
波（
p 波）
N 0 sin 0 N r sin r
薄膜的特征矩阵的行列式等于1
第三章、光学薄膜器件设计
➢光学薄膜设计理论
矢量作图法，有效界面法，对称膜系等效层
➢典型光学薄膜系统的设计
减反射膜、高反射膜、中性分束膜 截止滤光片、带通滤光片、偏振分束膜、 消偏振膜
引言：光学薄膜设计的２个基本问题
1 1
12 2 12 2
多层膜的反射
将这一结果推广到多层膜：
C
B
n r 1
cos r
i r sin r
i
sin r cos
r
r
1
n 1
其中：
r
2 N r d r cos
r
r N r cos r 对于 TE 波（ s 波）
r
N r 对于
cos r
界面振幅反射系数
➢ 如果忽略膜层的吸收，则各个界面的振幅反射系 数均为实数
各层薄膜的位相厚度
矢量作图法的基本步骤
➢ 首先计算各个界面的振幅反射系数和各层的位相 厚度；
➢ 把各个矢量按比例画在同一张极坐标图上； ➢ 按三角形法则求合成矢量； ➢ 求得的合矢量的模即为膜系的振幅反射系数，辐
角就是反射光位相变化，而能量反射率就是振幅 反射系数的平方；
光学薄膜的设计理论
单一界面光斜入射 N ０
S偏振光(TE波)：电场强度E垂直于入射面
P偏振光(TM波)：电场强度E垂直于入射面 N1
2.1.３单一界面反射率与透射率
单层膜的特征矩阵
由公式：
k
E
a
cos 1
H a i 1 sin 1
i sin
1
1
k
E
b
cos 1 H b
k Ea
1
Y
cos 1
i 1 sin 1
i
sin cos
1
1
1
1 2
k
Eb
令：
B C
cos 1
i 1 sin 1
i
sin 1 cos
1
1
1 2
则：
Y
C
B
,
B
C
称为膜系的特征矩阵
单层膜的反射 单层膜的反射率为：
r 0 0 Y Y,R 0 0 Y Y 0 0 Y Y
➢ 基本上任一层薄膜的作用都可看作是改变等效界面的导纳， 从而改变了薄膜系统的光学特性；
➢ 因此，如能形象的表示出等效导纳变化轨迹，将有助于直 观的分析薄膜系统的特性及其变化，这就是所谓的导纳轨 迹图解技术；
➢优点： (1)虽然是近似计算，但是对大多数减反射膜误差足够小； (2)矢量法计算简便、直观
基本原理和模型
如果忽略膜层内的多 次反射，则合成的振 幅反射系数由每一层 界面的反射系数的矢 量和确定。
每个界面的反射系数 都连带着一个特点的 相位滞后，它对应于 光波从入射表面透射 到该表面又回到入射 表面的过程：
多层膜特性矩阵的特点
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的讨论
对称膜系(PQP)的讨论
周期性对称膜系
周期性对称膜系
周期性对称膜系
３.4 导纳图解技术
➢ 任意一个光学薄膜系统都可以用一等效界面来表示，其反 射、透射和位相特性由介质的导纳和等效界面的组合导纳 确定；
λ/2和λ/4的光学厚度
当膜层的光学厚度为λ/2时
cos
isin
isin cos
10
0 1
Y 2
当膜层的光学厚度为λ/4时
r1Y 12 1Y 12
cos
i1sin Y 12
2
isin1 cos
0
i1
i /1
0
r 1Y 1Y
有效界面法－基本思想
有效界面法－基本思想有效界面Leabharlann －分析方法有效界面法－分析方法
有效界面法－分析方法
有效界面法－带通滤光片
T=1: sin2θ=0, R1=R2 T极小值：则sin2θ=１ 提高陡峭度：F越大越好，即提高R1和R2
3.3 对称膜系的等效层
前面
单层膜特性矩阵的特点
单层膜特性矩阵的特点
矢量作图法的约定
矢量作图法举例
矢量作图法举例－计算振幅反射系数
矢量作图法举例－计算矢量之间夹角
矢量作图法举例－矢量合成（λ＝400nm)
矢量作图法举例－矢量合成（λ＝520nm)
矢量作图法－光倾斜入射
3.2 有效界面法(菲涅耳系数法）
有效界面法－物理模型
有效界面法－分析方法
有效界面法－分析方法
➢正问题：
已知多层介质膜的结构参数计算其光学性质，利用特征矩 阵方法可进行精密计算； 即使上百层薄膜在宽光谱范围内反射和透射特性都可以瞬 间完成；
➢反问题
设计具有一定光学性质的多层介质膜结构； 基本膜系的选择＋优化设计＋考虑工艺；
本章重点介绍几种常用的光学薄膜设计理论
3.1 矢量作图法
➢条件：
(1)膜层数比较少； (2)膜层没有吸收； (3)只考虑入射波在每个界面上的单次反射，忽略 界面上的多次反射
TM
波（
p 波）
N 0 sin 0 N r sin r
薄膜的特征矩阵的行列式等于1
第三章、光学薄膜器件设计
➢光学薄膜设计理论
矢量作图法，有效界面法，对称膜系等效层
➢典型光学薄膜系统的设计
减反射膜、高反射膜、中性分束膜 截止滤光片、带通滤光片、偏振分束膜、 消偏振膜
引言：光学薄膜设计的２个基本问题
1 1
12 2 12 2
多层膜的反射
将这一结果推广到多层膜：
C
B
n r 1
cos r
i r sin r
i
sin r cos
r
r
1
n 1
其中：
r
2 N r d r cos
r
r N r cos r 对于 TE 波（ s 波）
r
N r 对于
cos r
界面振幅反射系数
➢ 如果忽略膜层的吸收，则各个界面的振幅反射系 数均为实数
各层薄膜的位相厚度
矢量作图法的基本步骤
➢ 首先计算各个界面的振幅反射系数和各层的位相 厚度；
➢ 把各个矢量按比例画在同一张极坐标图上； ➢ 按三角形法则求合成矢量； ➢ 求得的合矢量的模即为膜系的振幅反射系数，辐
角就是反射光位相变化，而能量反射率就是振幅 反射系数的平方；
光学薄膜的设计理论
单一界面光斜入射 N ０
S偏振光(TE波)：电场强度E垂直于入射面
P偏振光(TM波)：电场强度E垂直于入射面 N1
2.1.３单一界面反射率与透射率
单层膜的特征矩阵
由公式：
k
E
a
cos 1
H a i 1 sin 1
i sin
1
1
k
E
b
cos 1 H b
k Ea
1
Y
cos 1
i 1 sin 1
i
sin cos
1
1
1
1 2
k
Eb
令：
B C
cos 1
i 1 sin 1
i
sin 1 cos
1
1
1 2
则：
Y
C
B
,
B
C
称为膜系的特征矩阵
单层膜的反射 单层膜的反射率为：
r 0 0 Y Y,R 0 0 Y Y 0 0 Y Y
➢ 基本上任一层薄膜的作用都可看作是改变等效界面的导纳， 从而改变了薄膜系统的光学特性；
➢ 因此，如能形象的表示出等效导纳变化轨迹，将有助于直 观的分析薄膜系统的特性及其变化，这就是所谓的导纳轨 迹图解技术；
➢优点： (1)虽然是近似计算，但是对大多数减反射膜误差足够小； (2)矢量法计算简便、直观
基本原理和模型
如果忽略膜层内的多 次反射，则合成的振 幅反射系数由每一层 界面的反射系数的矢 量和确定。
每个界面的反射系数 都连带着一个特点的 相位滞后，它对应于 光波从入射表面透射 到该表面又回到入射 表面的过程：
多层膜特性矩阵的特点
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的特征
对称膜系(PQP)的讨论
对称膜系(PQP)的讨论
周期性对称膜系
周期性对称膜系
周期性对称膜系
３.4 导纳图解技术
➢ 任意一个光学薄膜系统都可以用一等效界面来表示，其反 射、透射和位相特性由介质的导纳和等效界面的组合导纳 确定；