第二篇-第十章-分光镜ppt课件.ppt

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1、第十章分光镜曹建章在光学系统或光学实验中，通常需要将一光源的光束分成两束，两束光一束作为参考光，另一束作为测试光。一般的方法是用分光镜，使一部分光能量反射，而另一部分光能量透射，透射光与反射光的比称之为分光比，用T/R表示。由于反射率和透射率随入射角变化，所以分光最简单的方法是将玻璃倾斜放置，就可分离出反射光和透射光。固定玻璃的倾斜角后，随着入射光入射角的不同，也可得到不同的的分光比T/R。但是当玻璃的倾角和入射光的入射角确定之后，分光比就是确定的值。一般情况下，应用中对分光镜的反射角（也称分离角）和分光比都有特定的要求，如果玻璃倾斜放置并改变入射角

2、也不能满足应用中的分光要求，这时就需要在玻璃表面镀膜，以得到所需的分光比。依据光谱特性来区分，分光镜可分为中性分光镜和双色分光镜。中性分光镜即将一束光分成光谱成分相同而传播方向不同的两束光。中性分光镜仅改变光强，而不改变颜色。双色分光镜则将谱成份分成两部分，一部分反射，一部分透射。依据光的偏振特性，将光束分成为S-偏振光和P-偏振光，这种分光镜称之为偏振分光镜。偏振分光属于中性分光,即使和值差异很大,但在角入射时,如果接近于垂直入射的反射率，这种情况也属于中性分光。按分光镜的几何构型分光镜又分为平板分光镜和棱镜分光镜，在斜入射时这两种分光镜都存在偏振

3、效应，大多数实际应用中偏振效应会造成光学系统性能的劣变，所以需要消偏振，由此又产生消偏振分光镜。10.1中性分光镜常用的中性分光镜有两种几何形式：一种分光形式是在透明的平行平板基底上镀一层膜，如图10-1（a）所示；另一种分光形式是在直角棱镜斜面上镀膜，然后两直角棱镜再胶合成立方体，如图10-1（b）所示。平板分光透射光束经过平板，而反射光束未经过平板，两束光存在光程差。立方棱镜分光反射光束和透射光束不存在光程差，这是立方棱镜分光的优点，所以在高性能光学系统中常采用立方棱镜分光。另外，立方棱镜分光在光学仪器中装配方便，且膜层不暴露在空气中，不易损害和

4、腐蚀，因而对膜层材料的机械性能和化学性能要求比较低。为了减小光学系统中的杂散反射光，分光镜的自由表面一般都镀有增透膜。由于基底介质和薄膜都存在色散和吸收，入射角变化会引起R和T的变化，且和、和也会随入射角的变化而变化，这些都是设计中性分光镜需要考虑的因素。10.1.1金属膜中性分光在平板基底表面或直角棱镜基底斜面上镀金属膜就构成金属膜中性分光镜。在可见光区，金属银的吸收最小，所以可用作金属分光。但由于银膜的中性较差，在蓝光波段反射率降低，且机械强度和化学稳定性都不好，因此在平板分光中很少使用银膜，一般都用在棱镜分光镜中。金属铬由于机械强度和化学稳定性

5、都非常好，且其中性也比较好，分光比随波长的变化也很小，因此金属膜中性分光镜常用铬膜。在可见光区铬膜分光反射光束呈白色，透射光束略带棕色。由于金属膜都存在吸收，分光效率偏低。为了减小吸收损耗，可在金属膜分光镜上加镀一层四分之一波长厚度的介质膜，如图10-2所示。图中数据是在光垂直入射时，入射光波长，玻璃基底（n=1.52）表面镀铬膜的反射率R、透射率T和吸收率A的测量数值以及在铬膜（Cr:=2-j3）和玻璃表面之间加镀硫化锌（ZnS：n=2.35）膜的反射率R、透射率T和吸收率A的测量值。由图中数据可以看出，光正向入射的情况下，加镀硫化锌膜之后，吸收降

6、低；反向入射，吸收增加。在铬膜的前表面加玻璃片，光正入射时，吸收大大降低，反射率和透射率都有提高；光反向入射时，反射降低，吸收增加，透射不变。根据图中数据也可以看出，单层铬膜的T+R约为60%，加镀四分之一波长硫化锌介质膜后，T+R提高到82%。铬膜前表面加玻璃片，单层铬膜的T+R约为51%，加镀硫化锌膜后，T+R提高到75%。在玻璃和铬膜之间镀高折射率介质膜可以减小铬膜的吸收，以增加膜层的透明度。在玻璃与金属膜之间镀金属膜也可以减小金属膜的吸收，比如为了减小铝膜的吸收，在玻璃（玻璃的温度必须加热到左右）基底的表面镀一层银膜，然后将铝膜加镀在银膜上，

7、则铝膜的透明度在波长处可增加到3.5倍，在处可增加2.5倍，而铝膜与空气界面的反射率仍然保持不变。除此之外，欲使分光的效果更佳，也可选耐热镍铬合金膜（Ni-80%,Cr-20%）、镍铬合金膜（Ni-90%,Cr-10%）和镍铬铁合金膜（Ni-80%,Cr-14%，Fe-6%）。在的波段范围内，镍铬合金具有非常平坦的分光特性。由于镍铬的蒸发温度不同，蒸镀时温度的高低很重要，因为温度高低决定镍、铬的百分比，是比较适合的合金温度。此外，为了提高合金膜的性能，蒸镀时基底温度需大于，蒸镀后在空气中以的温度进行老化处理1～2小时。铂和铑用作中性分光金属膜，中性特

8、性很好，机械强度和化学稳定性也很好。图10-3是在偏振光和非偏振光入射情况下得到的镍铬铁合金分光膜实测光谱透