光学薄膜系统设计

第1页/共68页第2页/共68页没有系统的方法具有非常丰富的膜系结果光学薄膜设计结果受制备工艺的制约（材料种类、物理特性、化学特性、工艺特性）1、试探法2、矢量作图法3、解析合成法4、级数展开法5、电器滤波设计法6、导纳圆图法7、计算机自动设计法光学薄膜设计第3页/共68页一、试探法：初始结构计算机数值计算修改设计参数计算机数值计算二、光学自动设计方法初始结构的光谱特性改进结构的光谱特性—)理想的光谱特性—)理想的光谱特性评价函数评价函数通过某种数学方法修改膜层结构变小半自动设计全自动设计（无需初始结构）第4页/共68页评价函数：评价函数权重膜系的光谱特性理想光谱特性求导法（瞎子下山法）数学方法：直接算法（试验法）光学薄膜优化设计的特殊性：F（x）多维F（x）=F(λ,θ,n0,ng,Ni,di…….)F（x）是一个多峰函数，容易使F（x）陷入局部极值第5页/共68页全搜描法（工作量太大）试验法统计试验法例：单层膜1、确定极值范围：Ａ～Ｂ；2、随机投点，只得留下Ｆ（x）最小的１０个点及对应的结构；3、找出最佳１０点的对应的区间A’B’;4、继续投点试验直到最佳10点评价函数统计结果，均方根达到某一精度，终止试验，此时评价最小，F*（x）对应的膜系结构即为最优结构。5、此种方法有一定局限性：①最佳结果遗漏②膜系特别复杂或投点数太多时，优化效应不高。F*(x)第6页/共68页单层增透膜单层增透膜是减少界面反射的最简单途径，如右图用矢量法：从矢量图上可以看到，合振幅矢量r随着r1和2之间的夹角2δ而变化合矢量端点的轨迹为一园周。当膜层的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的方向完全相反。§3.1增透膜第7页/共68页矢量法用来分析单层薄膜情况：可见当厚度为某一波长1/4，并且r1=r2时剩余反射为零：第8页/共68页运用矩阵法分析1/4波长厚度时的情况：第9页/共68页欲使中心波长处反射率等于零，理想的单层增透膜条件是，膜层的光学厚度为四分之一波长，其折射率为入射介质和基片折射率乘积的平方根。第10页/共68页第11页/共68页当选定基片ng时，单层增透膜Rmin随n1降低而降低。当选定膜层的折射率时，单层增透膜Rmin随ng提高而降低。单层增透膜的缺点：对大多数应用来说，剩余反射率还太高。从未镀膜面反射的光线，在色彩上仍保持中性，而从镀膜表面反射的光线破坏了色的平衡。采用变折射率的所谓非均匀膜，它的折射率随着厚度的增加呈连续的变化；采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜；第12页/共68页双层增透膜的导纳轨迹麦克劳得导纳图解技术简介H:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)HLH1LH:Y2O3(1.79)L:SiO2(1.46)第13页/共68页非规整双层层增透膜麦克劳得导纳图解技术简介膜系：Air2L/.38H/SubH:ZrO2(2.07)L:SiO2(1.46)第14页/共68页二.双层增透膜1.V型膜()：在中心波长的反射率为零在限定两层膜的光学厚度都是四分之一的波长下，欲使中心波长的反射率减至零，折射率应满足：或：第15页/共68页图2双层V型膜的反射率曲线第16页/共68页只有当矢量r1、r2和r3组成封闭三角形才能使合矢量为零。因此只须以矢量r1的始点和终点为圆心，分别以r3和r2为半径作两个园，两个园的交点就是满足合矢量为零条件的矢量r2和r3头尾相接的点，然后从矢量图上即可量得2δ1、2δ2的值。显然，图示的两种方式，都能使三角形封闭。解(b)的膜层总厚度比解(a)的小，它对波长的敏感性也较小，所以通常取此解。用矢量法求出双层增透膜的各层厚度第17页/共68页2.W型膜()：在中心波长的两侧可望有两个反射率极小值，光谱反射率曲线呈W型。图2.4双层W型膜的反射率曲线第18页/共68页三.多层增透膜（宽带增透膜）：又四分之一波长层或半波长层构成，可以看作是V型膜和W型膜的改进形式。V型膜的改进：在型膜中间插入半波长光滑层可以得到典型的三层减反射膜结构。例如，结构为插入半波长层后成为：第19页/共68页反射率曲线变化为：光谱反射曲线光谱反射曲线第20页/共68页将W型膜中间半波长层分成折射率稍稍不同的两个四分之一波长层，可以降低W型膜低反射区中央的反射率凸峰，又保持半波长层的光滑光谱特性作用。第21页/共68页三层增透膜改进前后的光谱反射率曲线曲线a曲线b曲线c第22页/共68页第23页/共68页层数厚度导纳特性单层λ0/4y1零反射条件：双层λ0/4λ0/4λ0/4λ0/2y1y2y1y2零反射条件:,V型膜λ/2虚设，在λ0反射率等于λ0/4单层;可有二个零反射波长，W型膜三层λ0/4λ0/2λ0/4λ0/4λ0/4λ0/4y1y2y3y1y2y3零反射条件：,宽带低反射，用于ysub<1.65零反射条件：,宽带低反射，用于ysub>1.65减反射膜第24页/共68页只用高低两种材料更多的膜层数：5、7、9、11……….4、超宽带减反射膜的设计第25页/共68页减反射膜应用于光学系统时的考虑（1）玻璃表面镀膜后会出现光谱选择性，所以镀膜的玻璃表面会显现鲜艳的颜色，众多的玻璃表面串在一起应用，统一的颜色取向会使系统的色彩还原出现问题，所以应该对复杂系统的减反射膜进行色彩平衡设计。（2）光线在系统中对减反射膜面的入射角相差很大，多层膜在较大入射角情况下，会使减反射性能劣化。（3）有些高折射率玻璃在短波有吸收，所以高效增透部分应放于短波，如果整个系统彩色平衡达不到，还应在减反射膜设计中有意消减某些波段的光谱。（4）对于大入射角界面和高折射玻璃在系统中可考虑用单层膜。第26页/共68页减反射膜的工艺要点:（1）尽量采用机械、物理、化学等性能好的少数几种材料设计非λ0/4膜厚的减反射膜。（2）最常用的低折射率材料：MgF2、SiO2，最常用的高折射率材料：TiO2（可见+红外）、Ta2O5（近紫外+可见+红外）、ZrO2（紫外+可见+红外）。（3）MgF2膜制备基片温度至少需在250℃以上，或离子辅助，才能获得足够牢固的薄膜。（4）建议采用晶控与宽光谱监控相结合的监控方法。这样既可克服设计中极薄层（nd≈10nm）监控困难，又可以克服由于折射率控制不稳所带来的误差。（5）对于低温镀膜的塑料基片，需要离子辅助对其表面进行改性且增加膜层的牢固性。第27页/共68页高折射率基底材料的的减反射膜在可见区应用的大多数光学玻璃，通常在波长大于3微米以后就不再透明．因此，在红外区经常采用某些特种玻璃和晶体材料特别是半导体材料。半导体有很高的折射率，例如硅约为3.4而锗大约是4。这些半导体基片若不镀增透膜，就不可能广泛地使用．这个问题不同于可见区，在可见区，其目的是将大约4%的反射损失减小到千分之几，而在红外区，则是将30%左右的反射损失减小为百分之几。一般说在红外区百分之几的损失是允许的，因而低折射率基片通常很少镀减反膜。红外材料镀膜从原理上讲同可见是一致的，只不过材料的选择余地较小。第28页/共68页在光学薄膜中，反射膜和增透膜几乎同样重要，对于光学仪器中的反射统来说，由于单纯金属膜的特性大都已经满足常用要求，因而我们首先讨论金属反射膜，在某些应用中，若要求的反射率高于金属膜所能达到的数值则可在金属膜上加额外的介质膜以提高它们的反射率，最后介绍全介质多层反射膜，由于这种反射膜具有最大的反射率和最小的吸收率因而在激光应用中得到了广泛的使用。§2.2高反射膜第29页/共68页一、金属反射膜新镀的金属反射膜的反射率曲线第30页/共68页下图为1、2、4、8、16、32、64、128nm铝膜反射率的理论曲线第31页/共68页金属反射膜的反射率垂直入射:n越小越好，k越大越好麻烦:cosθ1是虚数。倾斜入射:第32页/共68页第33页/共68页特性AlAgAu紫外区反射率可见区红外区BPPMBP接近于AgB接近于Ag硬度附着力稳定性BPPBPPMPB三种金属膜的特性和工艺制备工艺高的真空度高的真空度一般要求低基板温度低基板温度快蒸快蒸第34页/共68页银膜用作玻璃的前表面镀层:当银膜作为玻璃后表面的内反射镀层时，通常是在银膜的外面镀一层铜，再镀一层铬，然后刷上保护漆，以防止反射镜的“银变”。第35页/共68页其反射率为：金属的复折射率可写为，光在空气中垂直入射时，其反射率为如果在金属上镀以折射率为n1、n2的两层厚度的介质膜，并且n2紧贴金属，那么在垂直入射时，波长的导纳为在下给出的反射率大于纯金属膜的反射率，比值愈高，则反射率的增加愈多。增强金属反射镜第36页/共68页若继续蒸镀第二对这样的介质膜，甚至可使反射率增加到接近99％，不足之处是反射率得到增加的区域是有限的。蒸发Al膜的反射率曲线（虚线）和Al膜上加镀两对CeO2/MgF2膜层后的反射率曲线（实线）第37页/共68页增强反射镜G|AlLHLH|AirL-SiO2;H-TiO2nH=2.2,nL=1.45,(nH/nL)2=2.3SetAAl=9%,ALH=9%/2.3=4%,ALHLH=4%/2.3=1.5%第38页/共68页二、多层介质高反射膜在折射率为ng的基片上镀以厚度为的高折射率的膜层，由于空气/膜层和膜层/基片界面的反射光同位相，使反射率大大增加，对于中心波长，单层膜和基片组合导纳为，垂直入射的反射率为用高、低折射率交替的，每层厚的介质多层膜能够得到更高的反射率，理论上可以达到100％。第39页/共68页因而，在空气中垂直入射时，中心波长的反射率，也即极大值反射率为：按双层周期结构理论中可知，采用高低折射率交替的每层膜厚为λ0/4的介质膜堆可以获得高的反射率，随着周期数S→∞，则反射率R→100%。这种周期结构膜堆稍加改造就可得到我们常用的多层介质高反射膜系：效导纳A|H(LH)S|G上述膜系在λ0处的等效导纳为的值愈大，或层数愈多，则反射率愈高。第40页/共68页这说明，当膜系的反射率很高时，额外增加一个介质膜对，可使透射率缩小倍，透射率减少了，反射率增加了，理论上只要增加膜对，膜系反射率就会接近100％。第41页/共68页垂直入射的高反射膜系的光谱反射率曲线第42页/共68页高反射带的宽度计算：多层膜由S个重复的基本周期构成，其特征矩阵M是基本周期的矩阵，可写为：由的值确定膜系的反射带和透射带。满足条件的波长，位于膜系的反射带内，反射率随周期数目的增加而稳定地增大，满足条件的波长，位于膜系的透射带内，其反射率随膜层数的增加而起伏。显然反射带的边界由确定。第43页/共68页介质高反射典型膜系是多层介质膜A|H(LH)S|G，即由许多个两层膜周期加一层高折射率的外层膜构成。每个周期的特征矩阵：由于两层膜的厚度相等，所以位相厚度不加任何角标。稍加整理，即得等式右边不能大于1，所以为求出高反射带的边界值，必须令第44页/共68页这表明高反射带的宽度，仅仅同构成多层膜的两种膜料的折射率有关。折射率的比值越大，高反射带越宽。因为可写成令高反射带的边界值为：因此第45页/共68页多层膜的高反射带宽度同膜料折射率比值的关系第46页/共68页相应的用波长表示带宽范围高反射带的波长范围：以上仅考虑了主反射带，即各层膜的厚度为反射带的中心波长四分之一。若各层膜的厚度为1/4波长的奇数倍，则在这一波长也存在高反射带。如果主反射带中心波长是λ0，那么以λ0/3，λ0/5，λ0/7，λ0/9……等为中心波长，同样存在高反射带，这些高级次的反射带波长宽度约为主反射带宽度的1/n2。用相对波数g表示高反射区域带宽为：第47页/共68页同样道理，在1/3、1/5、1/7、1/9处的反射带边界为：波长带宽第48页/共68页第49页/共68页高反射膜的典型膜系：G|(HL)sH|A反射带压窄：1减少nH/nL的比值；2利用膜堆的高级次；3提高高低折射率交替周期两基层厚的调谐比；4上述的几种方法联合使用。反射带展宽：1提高nH/nL的比值；2把反射膜系的多个反射带衔接起来；3使用非规整膜系。第50页/共68页简单的叠加不行G/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.2(HLHLHLHLHLHLH/AirG/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.1L+1.2(HLHLHLHLHLHLH/Air光学厚度是入/4的1.2倍第51页/共68页应用两个λ/4膜系合成一个宽带反射镜，λ0=1.6A：A|0.8(HLHLHLHLH)|GB:A|1.2(HLHLHLHLH)|GC:A|0.8(HLHLLH)1.2(HLHLHLHLH)|GD:A|0.8(HLHLHLHLH)L1.2(HLHLHLHLH)|G中心波长不要差太多。可以用不同中心波长的膜系叠加nH=3.0，nL=1.35第52页/共68页如何减小反射带宽第53页/共68页高反射膜的工艺要求（1）金属反射膜一般镀到反射率为零，所以若将膜对着强光源看，会看到很多的小针孔，针孔多是由于镀前离子源辉光放电时，放电源杂质溅射到基片上，或者基片装卡过程中引入的灰尘，或是镀膜过程中膜料喷溅而形成。（2）金属膜料的纯度对反射镜的反射率影响很大，一般膜料的纯度要求在99.99%以上。（3）金属膜在蒸镀初期比较薄时还不能形成连续的薄膜，其光学特性与连续薄膜有较大差别。银膜形成连续薄膜的最小厚度为12nm。（4）对于大多数的反射膜，石英晶体监控膜厚已有足够精度，精心制备的加强银膜可见区反射率可以达到99%，以上，精心制备的全介质高反射膜，反射率也到99.9995%以上。第54页/共68页§2.3分束膜分束镜:把一束光分成光谱成分相同的两束光。分束镜的结构：图两种分束镜的结构第55页/共68页一、金属分束镜特点：对波长的敏感差，但吸收损耗大，分光效率低，分束镜的吸收与入射方向有关。铝、铬膜作为金属分光膜获得应用。金属分光镜正确用法：第56页/共68页二、介质分光镜特点:介质膜的吸收小到可以忽略的程度，分束效率高，但介质膜的特性对波长较敏感，给中性分束带来困难。同时偏振效应大。1.单层膜分束镜：在基片上镀一层高折射薄膜，能增加反射率，减少透射率。在中心波长处反射率为一极大值。对P分量：对s分量：第57页/共68页R第58页/共68页2.多层分光膜要想得到透射和反射比为50/50，可见光谱中性的介质分束膜，必须采用更多膜层。通常的膜系其中A表示空气，G表示玻璃基片，H和L是有效厚度为、折射率分别为2.35和1.38的高、低折射率薄膜。平板分束镜光谱反射率曲线G∣HLHL……∣A第59页/共68页为得到中性程度好、R/T接近1介质膜立方体分束镜，可以增加膜层层数，通过优化，设计特性良好的分束镜。优化设计的保持良好中性的分光镜第60页/共68页3.偏振分束镜：利用光的偏振实现50/50中性分光。它的原理是对折射率不同的两种介质分界面n1/n2,当入射角满足布儒斯特角条件时，即，P偏振光反射为零，而s偏振光则部分反射。为增加s偏振光的反射率，保持p偏振光透过率接近1，可以将两种材料交替淀积制成多层膜，当膜层足够多时，就能满足要求。第61页/共68页设想如果两种不同材料的有效折射率对P-偏振来说是相等的在这些界面上P-偏振光的反射完全消失，也即P光全部通过。而对于S-偏振来说相当于一个高低折射率交替的膜堆，实现了对S光的高反射。得到实现偏振条件关系式第62页/共68页⑴选择nH、nL、θg后玻璃ng的折射率；⑵选择玻璃ng的折射率和θg角后，适当搭配nH、nL折射率；⑶选择了ng、nH、nL后，设计入射角θg，此时棱镜可能不再是立方棱镜。第63页/共68页立方棱镜偏振分光镜光谱第64页/共68页在倾斜入射时，存在如下关系：平板偏振分光镜光谱反射带宽仅取决于高低折射率膜层有效折射率的比值，所以S-偏振光的反射带宽大于P-偏振光的反射带宽。原理：对s,p有效折射率比不同1.06波长的平板型偏振棱镜光谱特性其中：第65页/共68页56.5°RsRp原理：对s,p有效折射率比不同平板偏振分光镜光谱平板型偏振分光镜的工作宽度是窄的，通过增加折射率差值和加大光线在基片上的入射角度，可以增加波长的工作宽度。当平板分光镜用作偏振器时，以基片在布鲁斯特角条件下工作是方便的，对于常用的k9基片，θ0=57o。第66页/共68页分光膜的工艺要点：⑴通常从空气侧入射到金属分光膜上的反射率要高于从玻璃侧入射到金属分光膜上的反射率。含有吸收膜的分光膜使用时光的正确入射方向应与设计时方向一致。⑵平板分光镜未镀膜的另一表面由于与分光膜平行，且其上反射率已不能忽视，所以容易产生双象，此时需要对另一面做减反处理。⑶介质分光膜有较大的偏振，所以在设计和测量分光镜特性时需要给予注意。⑷对分光膜来说，石英晶体及宽光谱监控是比较实用的监控方法。第67页/共68页感谢您的观看。第68页/共68页