物理光学之(光学薄膜)

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1、第三章光的干涉及干涉系统（8课时）一个浑身有几何,学书不就学兵戈。南思北想无安着,明镜催人白发多。泽国江山入战图,生民无计乐樵苏。凭君莫话封侯事,一将功成万骨枯。全章概述:单元划分:重点与难点:【教学垂点与难点】光波干涉的条件，干涉图样的分析，杨氏干涉与平板干涉的特性，典型双光束干涉系统的结构与光路。熟练掌握光波的干涉条件，干涉条纹的分析，等倾与等厚干涉特性，麦克尔逊干涉仪及法布里干涉仪的结构与光路。光学薄膜光学薄膜是多光束干涉的-个具体实例。所谓光学薄膜，是指在一块透明的平整玻璃基片或金属光滑表面上，用物理或化学的方法涂敷的透明介质薄膜。它的基本作

2、用是满足不同光学系统对反射率和透射率的不同耍求。各种薄膜在近代科学校术屮有广泛的应用，并已制成了各种各样的薄膜器件，研究这些薄膜系统的理论和技术已经形成了光学中约一个重要分支一一薄膜光学。三、单层膜+_7Q-?J厂__"1-耳0〃o+〃l1〃o+〃1〃=ncos0,S波其中：、、耳=nJcos&,P波由此可得，<=-<,斗=2〃（）。〃o+〃i其中：c=

3、+F严Eg=r+光*—1+rtr2^Tcose、N(]—丹)sin护tan猥=nd+A)4-r2(l4-cos

4、电I2二片+疗+2小空cos爭—

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6、—14-r^ri+2厂尹2cos严当光束正入射到薄膜上时，薄膜两表面的反射系数分别为=并。—也1—%+m由此可得止入射时单层膜的反射率公式:—n2)2cos2(%+nz)2eos2詈4-｛并oS2下图中给illT/?0=l,H2=1.5时，反射率R随位相差0的变化规律。①心。或并产如时，R和未镀膜时的反射率&一样.②旳V©时・R<&，该单层膜的反射率较之未镀膜时

7、减小，透过率增大，即该膜具有增透的作用，称为增透/•vS进一步考察图中的变化曲线可以看出，当厲5，叩7=入/4时，反射率最小，且R=有最好的增透效果。这个最小反射率为—nl/n2z如+昭/%丿由该式可见，当镀膜材料的折射率时，心=0，此时达到完全增透的效杲。例如，在他=1,〃2=1・5的情况下，要实现心=0,就应选取nx=1.22的镀膜材料。可是实际上，折射率如此低的镀膜材料至少冃前还未找到。现在多采用氟化镁（n=1.38）材料镀制单层增透膜，其最小反射率R,n=1.3%o对一个给定的单层增透膜，仅对某一波长才能达到最小反射率，对于其它波长，由于该

8、膜层厚度不是它们的1/4或其奇数倍，增透效果要差一些。下图是：h2=1.5的玻璃基片上，涂敷光学厚度为入/4（入=0.55〃加）的氛化镁膜时，单层膜反射率随波氏的变化特性。由该曲线可见，这个单层膜对红光和蓝光的反射率较大，所以,观察该膜系吋就会看到它的表面呈紫红色。随入射角增大，反射率增加，同时反射率极小值位置向短波长方向移动。400500600700800A/nm单层氟化樸膜的反射率fifi波长和入射角的变化（3）>/?2时，R>R『该单层膜的反射率较未镀膜时增大，即该膜具有增反的作用,称为增反膜。当nA>n2,且nxh=^/4时，反射率最大。刃0

9、些？n^nz+nJ对于经常采用的增反膜材料硫化锌，其折射率为2.35,相应的单层增反膜的最大反射率为33%。（二）多层膜单层膜的功能有限，通常只用于增透、分束，实际上更多地采用多层膜系。下面介绍两种处理多层膜系光学特性的方法:等效界面法和短阵法。三、等效界面法现有如图的双层薄膜，为确定其膜系反射率，首先考察与基片相邻的第二层膜（折射率和厚度分别为n2和包）与基片组成的单层膜系的反射系数。有1+厂尹泥啊其中：◎为光束在第二层膜中的折射角。等效界而：等效于=>也《等效折射率〉等如界面rx由此可得双层膜的反射率（厂2）为:a=（1+r}rt+r2r3+co

10、s萝cos暑一（1-r}r2+r2r3一sinjsin曇0=（1-门厂g-rzrz+rjFj）sinjcos+<1+rirt-吋3—M）cosysin—c=（匚+比+几+rjr2r3）coscos-（门~门+心一门"）sin号sinp/K（门一心一门+厂阳）sin弓cos鲁+（门+忌一几一中2厂3）cos—siny对于多层膜，可以采用类似的方法来计算:Vr2"0»1V-«3■■■■■V*i*tK-IAx先从第K层计算:他=cos0K然后再计算第K-1层:ffk-1=饕补7虹7COS纵十2）矩阵法矩阵法是研究多层薄膜理论的现代方法，对于基本研究和数值计

11、算，它均具有快捷和普遍的优点。在此，仅介绍有关的基本概念和结论。対于下图所示的多层膜系,为了能全面地描述其光