光学薄膜--范正修.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Huy

2、gens的子波传播理论形成了光波衍射理论1817Fraunhofer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

3、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

4、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

5、引起的位相差…..16光学薄膜吸收反射系数透射系数17势透过率与薄膜吸收损耗势透过率反射率透射率吸收率18光学薄膜的散射光学薄膜的表面散射光学薄膜的体散射19光学薄膜的表面散射表面统计参量均方根粗糙度（RMS）相关长度高度分布函数自协方差函数（ACF）表面散射处理方法标量理论－散射总损耗问题矢量理论－研究散射的角分布20光学薄膜的表面散射散射引起界面反射及透射系数变化21光学薄膜的体散射体散射的贡献与薄膜的吸收类似存在散射薄膜的位相厚度界面起伏引起的厚度变化体散射等效的吸收22多层膜散射特性理想多层薄膜上述参数利用散射薄膜的相应值替

6、换23光学薄膜的分层界面散射模型24不同RMS粗糙度条件下玻璃基片的Rs和TIS变化曲线计算实例25梯度折射率薄膜光学薄膜通常具有折射率渐变性质利用折射率渐变设计并制备新型薄膜26梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜内电磁场传输由解微分方程可得到电磁波在非均匀介质中的传输状况，但是解微分方程的方法主要决定于折射率渐变的函数，只有在某些情况下才能精确解。27梯度折射率薄膜设计方法薄膜特征矩阵法傅立叶合成法计算机辅助设计28梯度折射率膜的应用利用GLAD技术制备的宽带增透薄膜29梯度折射率膜的应用Rugate小波函数折射率曲线及光谱特性30梯度

7、折射率膜的应用红色滤光片折射率随厚度变化图和0°入射时膜层透过率曲线图31薄膜的各向异性和双折射薄膜各向异性薄膜的微结构双折射薄膜理论分析双折射薄膜生长过程模拟双折射薄膜实验制备及光学特性分析32各向异性薄膜的微结构1995年，Robbie小组最早利用GLAD技术制备了结构稳定的MgF2“雕塑”薄膜，并用扫描电镜观察到薄膜的螺旋结构K.Robbie,M.J.Brett,A.Lakhtakia."Firstthinfilmrealizationofahelicoidalbianisotropicmedium",J.Vac.Sci.Te

8、chnolA,Vol.13:2991(1995)雕塑薄膜的制备示意图33双折射薄膜理论分析介电常数变为介电张量双折射结构二维理论模型双折射结构三维理论模型双折射薄膜界面特性分析双折射薄膜的电场传输特性分析34双折射结构二维理论模型表示