物理光学7--11.29.ppt

* * 光学原理与应用 2-11光 学 薄 膜 一. 概述 光射到任何一个光学零件的表面上都有要发生反射和折射，不同的光学系统对反射率和透射率有不同的要求。对于透射成像的光学系统，反射不仅降低了透过光学系统的能量，而且造成杂散光，降低了系统的成像的清晰度。 镀膜的办法就是在光学零件表面用化学方法或真空溅射的方法涂敷透明电介质（或金属）薄膜，膜的总层数视需要而定，少则一层，多则一、二十层。其原理就是利用薄膜的多光束干涉效应以改变反射和折射光强的分配。 光学薄膜主要用于增加或减少反射率、透过率；使光束分开或合并；分色；实现光的起偏或检偏；实现光谱的带通或带阻；调整光的相位等等。 二. 光学薄膜的种类与作用 光学薄膜的用途很广，种类繁多。 按照薄膜的结构可分为：单层膜，双层膜，三层膜和多层膜等。 根据薄膜的功能特点，可以归纳为七大类：减反膜，反光膜，分光膜，滤光膜，偏振膜，电热膜等。 1、减反射膜:以增加透射、减少光在光学基底表面的反射损失为目的，使透过光学基底的光能量增加，因此又称增透膜。以光谱区域的通带范围来分又有窄带减反射膜、宽带减反射膜和超宽带减反射膜等。 2、反射膜:在光学基底表面镀敷金属膜或全介质膜，使其反射率大幅度提高。反射膜也可分为窄带反射膜和宽带反射膜。 2-11 光 学 薄 膜 3、分光膜:有分束膜与分色膜之分。前者能使入射光按要求的比例分成反射光与透射光，属于能量分光。后者将入射光按光谱的不同波段分成反射光与透射光，属于色谱分光。 4、滤光膜:可分为密度滤光膜（又称中性滤光膜）：用于减弱光强度；截止滤光膜，以波长为界，一边截止，一边通过；带通滤光膜，使特定波段的光通过。 5、偏振膜:有产生偏振光的偏振膜和消除偏振光的消偏振膜。 6、保护膜:涂敷在化学稳定性较差的光学基底的表面或金属膜的外层，防止表面潮解、生霉、起雾、氧化并提高表面硬度防止损伤。保护膜对基底的光学性能影响甚微。 7、电热膜:有透明和不透明之分。不透明的电热膜涂敷在基底非工作部位。电热膜将电能转换为热能，可防止基底低温结霜。 2-11 光 学 薄 膜 三. 单层光学膜 1.光束正入射薄膜表面 膜的作用：改变 neff 已知： r1 t1 n1 n0 n2 r1′ r2 t1′ t2 θ h 透射率： 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1 2 3 4 5 R 图2-42 垂直入射时R随n的变化关系 振幅： 能量反射率： 2-11 光 学 薄 膜 2-11 光 学 薄 膜 正入射时： 结论： 1. 镀膜可改变R，正入射时， nh=λ/4 ? R变化最大；nh=λ/2 ? R不变； 2. n1是控制 R 的唯一因素，正入射且nh=λ/4 时； L. n1 ，低反射（增透），n0n1n2?R?最小 H. n1，高反射（增反），n0n1n2?R?最大 3. 只对单色光成立。 图2-43 介质膜的反射率随其光学厚度的变化关系，膜的折射率为ni （q0=0，n0=1，n2=1.5） 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.04 0.02 0 λ0/4 3λ0/4 λ0/2 nih ni=1.7 ni=2.0 ni=3.0 ni=1.4 ni=1.2 R ni=1.0和 1.5 1.0 1.2 1.4 1.6 2 0 4 6 R% n1 n0=1.0 n2=1.52 2-11 光 学 薄 膜 图2-43 反射率R随膜层折射率n1的变化曲线 正入射且nh=λ/4 时的反射率： 2.光束斜入射薄膜表面 薄膜对入射光中⊥分量和 // 分量的反射振幅比分别： 定义 为有效折射率，对于⊥光 =ncosq，对于 // 光 =n/cosq 2-11 光 学 薄 膜 四.多层光学膜——λ/4 膜系多层高反射膜 0层（未镀膜） 1层l/4 膜 n0 n2 R R0、R1相比两者 ? n2 ? nI =n12 / n2 且：n1 n2时，R?（nI n2） n1 n2时，R ? （nI n2） λ/4 膜可改变介质表面的有效折射率，使R改变 双层零反射膜 多层高反射膜 G — glass, A — air, H — high index, L — low index 2-11 光 学 薄 膜 G.H.A: G.H.L.A: G.H.L.H.L.…H