光学薄膜及其应用课件.ppt

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1、范正修2006年10月26日光学薄膜及其应用1主要内容薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用光学薄膜的激光损伤2主要内容光学薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏3薄膜概况研究领域薄膜物理薄膜化学薄膜材料薄膜力学应用领域光学薄膜电学薄膜半导体薄膜磁性薄膜生物薄膜4薄膜光学形成发展历史17世纪中期，“牛顿环”现象的发现（RobertBoyleandRobertHooke）1801ThomasYong引入光波干涉原理1816Fresnel发现了光波偏振特性,结合Yong干涉理论及Huygens的子波传播理论形成了光波衍射理论1817Fra

2、unhofer制成了第一块减反薄膜1873Maxwell提出了Maxwell方程（ATreatiseonElectricityandMagnetism）51886Rayleigh证实了Fresnel反射定律1899Fabry-Perot干涉仪1932Rouard发现金属薄膜可以增加外部反射、降低内部反射1934Bauer用卤化物制备了减反薄膜1934Pfund用ZnS为Michelson干涉仪制备分束镜1939Geffcken制备了金属－介质干涉滤光片6光学薄膜概况薄膜特点干涉原理，相干相长与相干相消重要性“有光就有膜”涉及生活方方面面，如眼镜，装饰膜等，投影系统，光学系统，大型激光装

3、置等面临问题涉及到薄膜制备的各个方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意设计光性曲线，可用沉积技术少，沉积过程控制水平不高等；7主要内容薄膜概况光学薄膜一般性质光学薄膜在一些光学系统中的应用激光对光学薄膜的破坏8光学薄膜一般性质理想光学薄膜光学薄膜吸收及散射折射率不均匀性和折射率渐变薄膜薄膜的各向异性和双折射薄膜薄膜的偏振和消偏振特性9薄膜的相位及位相薄膜等效折射率、等效导纳和等效界面薄膜的色散及色散补偿薄膜的应力及应力控制10理想光学薄膜光学薄膜改变光束切向方向－薄膜波导改变光束法向方向－光学薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜薄膜波导11理想光学薄膜薄膜光性计算

4、方法等效界面法矩阵法等效界面法12矩阵法＝界面的透射及反射系数：第一个界面处的电场关系：薄膜内部的电场关系：薄膜内部电场方向符号表示13依次类推：=矩阵法设：,则可以得到：14光学薄膜吸收材料吸收共振吸收单光子吸收自由电子吸收杂质吸收色心吸收声子吸收多光子吸收15光学薄膜吸收折射率由实数变为复数：折射角由实数变为复数：等效导纳由实数变为复数；反射系数和透射系数…..膜层厚度引起的位相差…..16光学薄膜吸收反射系数透射系数17杂质缺陷的急剧加热可能发展成热爆炸过程，这个过程从缺陷内部发生，在缺陷迅速升温到数千度的高温时，杂质材料急剧气化并形成很大的内压强，这种爆炸力向薄膜的外层发展，首

5、先使膜层隆起继而把膜层冲掉形成破坑，并在破坑的周边形成波浪式力学波。杂质缺陷不仅是直接热源，而且还是非线性过程的薄弱环节，缺陷区域是初始电子易于发射的区域，这些电子构成雪崩离化的初始电子从而大大降低薄膜的击穿阈值。光学薄膜的缺陷破坏18光学薄膜的缺陷破坏19结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用结瘤缺陷是由于基体表面或薄膜内部存在某种种子源。薄膜在种子上继续沉积而形成的，它在薄膜内部形成一个锥体，在薄膜表面形成凸起，锥体的形状和取向，凸起的高低与形态与种子源密切相关，也与沉积工艺和沉积条件有关。20结瘤缺陷一个重要的作用就是改变激光在结瘤区内及其周围的场分布，在薄膜吸收不变的条件下，激光场的局部加

6、强导致局部吸收增加，局部吸收增加导致局部温度上升，剧烈的温度梯度又导致薄膜内应力的增加，这种应力与薄膜几何畸变引起的附加应力是形成薄膜破坏的重要因素。结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用21结瘤缺陷在薄膜破坏中的作用激光场分布的畸变函盖了以下几方面因素薄膜膜层形变，引起结瘤内驻波场分布的变化结瘤与薄膜连接的部分严重的几何变形导致相关区域激光场的分布变化凸起的结瘤形成一个微透镜，光照时会产生聚焦强区从薄膜的应力出发，薄膜在结瘤区由几何形变产生应力，而激光作用下，由于巨大的温度梯度又产生热致内应力，薄膜在激光作用下的应力发展应该是形变应力与热致应力之和。22光学薄膜非线性吸收及热力破坏雪崩击穿破坏多

7、光子吸收破坏光学薄膜的热力破坏23雪崩击穿雪崩击穿的物理过程：由多光子离化的等多种过程。在薄膜内产生少量的初始电子，在被声子散射延迟的激光作用下，在导带中运动加速到阈值能量εi，迅速产生光离化，从薄膜材料的价带中激发次级电子进入导带底部，该电子交出相应的能量后,也下落到导带底部。位于导带底部的电子再从激光中获取能量，如此周而复始使电子密度雪崩式的增加，最终达到足够高的电子密度，通过焦耳热摧毁晶格。24多光子吸收多光子吸收系数多光子跃迁速率W25