光学薄膜的设计理论

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1、《薄膜光学技术》主讲人：孔伟金青岛大学物理科学学院kwjsd@163.com单一界面光斜入射N０N1S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：单层膜的反射单层膜的反射率为：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时当膜层的光学厚度为λ/4时多层膜的反射将这一结果推广到多层膜：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

2、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9/26/2021引言：光学薄膜设计的２个基本问题正问题：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

3、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：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

4、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；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－分析方法有效界面法－基本思想有效界面法－基本思想有效界面法－分析方法有效界面法－分析方法有

5、效界面法－分析方法有效界面法－带通滤光片T=1:sin2θ=0,R1=R2T极小值：则sin2θ=１提高陡峭度：F越大越好，即提高R1和R23.3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

6、位相特性由介质的导纳和等效界面的组合导纳确定；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；