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无吸收的介质薄膜的特征矩阵的一般形式可写成 式中m11和m22是实数,而且m11 =m22, m21 和 m12为纯虚数,且其行列式值等于1, 称为单位模矩阵。即 对于一个四分之一波长层,即有效光学厚度为某一参考波长的四分之一的薄膜,在参考波长处特征矩阵有 而半波长的特征矩阵为 可见半波长层在该参考波长处对薄膜系统的特性没有任何影响,称为虚设层。 由上面推导,多层膜和基片的组合导纳为 反射位相变化 吸收率A: 多层膜的反射、透射、吸收 可以证明当每一层的吸收都为0时,整个膜系的吸收A=0,因为薄膜特征矩阵的行列式为1并且任意多的矩阵乘积的行列式也等于1,于是特征矩阵可写成: 膜系的透射定理 无论膜层是否有吸收,膜系的透射率与光的传播方向无关。 膜系的透射定理 我们将膜系一侧的介质记为η0另一侧记为ηn+1,其中η0紧贴第一层膜。在第一种方向时,膜系特征矩阵: 平面电磁波理论——反射和折射定律 ---菲涅尔折射定律 它不仅适用于介质,同样适用于金属。 复习: 光在两种材料交界面上的反射 光能的反射率: 振幅反射系数: 布儒斯特角 当第二介质是吸收介质,菲涅尔公式也是有效的,不同的只是这种介质的折射率N为复数:N=n-ik 由菲涅耳定律 第二种介质为吸收时的情况 第二种介质为吸收时的情况 波长为546nm的光入射到金属Ag和Cu上的情形 不管入射角如何,反射光的位相变化不再是00或1800而是它们中间的某一角度, 同时s—分量和P—分量之间有一个不为0的相对位相差, 因而当入射光为线偏振光在吸收介质上反射后通常成为椭圆偏振光, 正是基于这种认识,利用反射光的椭圆偏振测量就可确定吸收介质的光学常数。 第二种介质为吸收时的情况 本节主要内容: 单层膜反射率及其特征矩阵 膜系的等效光纳及特征矩阵 薄膜的反射、透射、吸收 光学薄膜的透射定理 光学薄膜系统特性计算 单层膜的反射 在膜层内b界面上: 单层膜的反射 单层膜的反射 在膜层内E和H在边界a上的值为: 单层膜的反射 在入射介质中看a界面上: 单层膜的反射 上述结果用矩阵表示: 在知道界面a处Ea和Ha后,利用上堂课的方法可求出反射率,仿造导纳的定义公式,定义膜系的导纳Y为: 这时的问题就可以当作求光纳为 的入射媒质和光纳为Y膜系之间单一界面的问题。 单层膜的特征矩阵 由公式: 单层膜的反射 单层膜的反射率为: 这样就把单层膜的问题等效成了单一界面的问题,而不是用多次干涉的方法。 λ/2和λ/4的光学厚度 薄膜的特征矩: 当单层膜光学厚度为λ/2和λ/4的整数倍 λ/2和λ/4的光学厚度 这时的情况虽不象n为偶数时那么简单,但是计算还是方便的。如果基片或膜系具有等效光纳Y,在其上镀一层厚度为λ/4奇数倍,特征光纳η 的薄膜后,膜系的等效光纳变为η2/Y。由于λ/2和λ/4的光学厚度的膜层组成的膜系比较简单,所以膜系设计常常用指定波长1/4的倍数来表示,一般只用两种或三种不同的膜料构造膜系, λ/4光学厚度的常用缩写符号是H、M、L分别表示高、中、低折射率。 λ/2和λ/4的光学厚度 当膜层的光学厚度为λ/2时 当膜层的光学厚度为λ/4时 矩阵 为膜层的特征矩阵,由膜层参数唯一确定。 矩阵 矩阵 称为介质层的特征矩阵,它包含了介质层的全部有用参量并且为单位模矩阵; 为相位厚度, 、 为介质层的折射率和几何厚度,两者的乘积为光学厚度, 为光线在介质层中与法线方向的夹角; 为有效导纳,对于s偏振 ,对于p偏振 。 显然有: 讨论: 第一: 第二: 在正入射时,当膜的光学厚度取 奇数倍时,反射率是一极大还是极小,视薄膜的折射率是大于还是小于基片的折射率而定;当膜的光学厚度取 偶数倍时,情况恰好相反。 单层薄膜的两个界面在数学上可以用一个等效的界面来表示,膜层和基板的组合导纳是Y 单一界面的反射和透射系数用有效导纳表示为 等效界面:将一个多界面的薄膜系统,等效地看作一个单一界面,其中将等效界面看作是入射介质与薄膜、基板组合形成的等效介质之间的界面。即等效界面两侧的介质分别是入射介质和等效介质。 多层膜的反射 假设在前面讨论的单层膜上再加上一层膜,如图 这时与基底相连的界面为c,则紧贴基底的膜层的特征矩阵: 多层膜的反射 容易得到: 称为该双层膜系的特征矩阵,Y=C/B则反射率为: 多层膜的反射 将这一结果推广到多层膜: 薄膜的特征矩阵的行列式等于1 膜层的位相厚度 导纳 上面这些式子
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