光学薄膜技术02光学特性ppt课件.ppt
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1、光学零件的反射率和透射率光光 学学 薄薄 膜膜 技技 术术无膜层无膜层Rb,Tb有膜层有膜层Ra,TabTaTaRaTbR入射光入射光NgN0N0aR势透射率势透射率有吸收薄膜的反射、透射特性有吸收薄膜的反射、透射特性金属薄膜的光学特性金属薄膜的光学特性光学零件的反射率和透射率光学零件的反射率和透射率主要内容主要内容复习复习 等效界面思想及其运用等效界面思想及其运用 等效介质的等效光学导纳等效介质的等效光学导纳 单层介质膜的光学特性单层介质膜的光学特性 多层介质膜的光学特性多层介质膜的光学特性 四分之一波长法则的运用四分之一波长法则的运用H0, E0N0N1N2H0, E0N0YH1, E1于
2、是等价于单一界面的反射率于是等价于单一界面的反射率200YRY求出等效光学导纳求出等效光学导纳Y 就能计算就能计算R等效成等效成等效界面思想:任意光学多层膜,无论是介质薄膜或是金属薄膜组合,都可以用一虚拟的等效界面代替,而且等效界面的导纳为 ,如图1所示。00EHY 等效界面思想等效界面思想1110111111sincos11sincosKkjkiEEYi 整个膜系的特征矩阵为整个膜系的特征矩阵为11sincos1sincosjKjjjkjjjiBCi第第j层膜层的特征矩阵层膜层的特征矩阵11122122sincossincosjjjjjjimmmmi多层膜系的多层膜系的光学特性光学特性111
3、22122sincossincosjjjjjjimmmmi(a)对于)对于1/4波长膜层,有波长膜层,有,sin12jj相应的膜层的特征矩阵为相应的膜层的特征矩阵为1112212200jjimmmmi*1122211221211212,m mm mmmmm -1, 且 对于无吸收膜层,对于无吸收膜层,m11、m22为实数,为实数,m12、m21为纯虚数。且为纯虚数。且多层膜系的多层膜系的光学特性光学特性故对于整个膜系,有故对于整个膜系,有1121352246112135112246010(),()(),()KjjkjkkkkkkiBCikCYBk 为 奇 数为 偶 数几乎全部计几乎全部计算的基
4、础算的基础多层介质膜的多层介质膜的光学特性光学特性(b)对于对于1/2波长膜层,有波长膜层,有,sin0jj相应的膜层的特征矩阵为相应的膜层的特征矩阵为111221221001mmmm对于该波长,膜系的特性参数与该膜层的特征矩阵无关对于该波长,膜系的特性参数与该膜层的特征矩阵无关(虚设层)。(虚设层)。2cosjiiiN d j 的值随着波长而变化,所以虚的值随着波长而变化,所以虚设层特性只针对某特定波长。设层特性只针对某特定波长。多层介质膜的多层介质膜的光学特性光学特性多层膜与基片的组合导纳可表示为多层膜与基片的组合导纳可表示为Y=C/B。按照等效界面的反射率公式。按照等效界面的反射率公式2
5、00YRY多层膜和基片组合的反射率为多层膜和基片组合的反射率为2*000000YBCBCRYBCBC*001*0000241kB C C BTRB CB CB CB C 无吸收膜系透射率:无吸收膜系透射率:反射光的相位变化为反射光的相位变化为*02*0arctaniCBBCBBCC怎么得到的?多层介质膜的多层介质膜的光学特性光学特性关于反射光相位变化关于反射光相位变化*02*0arctaniCBBCBBCC22*00000*00222*000*00iBCB CB CrreBCBCBCBCB CBCBC*02*0Im( )tanRe( )iCBBCrrBBCC*001*0000241kB CBC
6、TRTB CB CB CB C 关于11111111111212122sincos1sincos1KjkkiBCimmmm 1112121221kkmmBmmC11221221*212112121,m mm mmmmm 同时考虑同时考虑01*0041kTRB CB C 无吸收膜系透射率化简无吸收膜系透射率化简无吸收膜系性能的不变性:无吸收膜系性能的不变性:u 膜系中的所有折射率同乘以一个常数,膜系中的所有折射率同乘以一个常数,R、T、 值不变;值不变;u 膜系中的所有折射率用其各自的倒数取代,膜系中的所有折射率用其各自的倒数取代,R、T值不变,值不变, 值变。值变。膜系的透过率与光的传输方向无
7、关,不论膜系对光有无吸收。膜系的透过率与光的传输方向无关,不论膜系对光有无吸收。而对于反射率,有吸收膜的反射率与方向有关,无吸收膜的而对于反射率,有吸收膜的反射率与方向有关,无吸收膜的反射率与方向无关。(这里所指的方向只是指正反两个方向)反射率与方向无关。(这里所指的方向只是指正反两个方向)膜系等效定理:膜系等效定理: 任意一个多层膜系都可以等效成两层膜;任意一个多层膜系都可以等效成两层膜; 只有对称结构的多层膜系才可以等效成单层膜。只有对称结构的多层膜系才可以等效成单层膜。(既是物理上的等效,也是数学上的等效。)(既是物理上的等效,也是数学上的等效。)多层膜系光学特性多层膜系光学特性我们定义
8、坡印廷矢量的平均值为光强度I单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的能矢量S,称为坡印廷矢量,或称为能流密度,表示为:其中得:的初相,取其实数部分和可看作是和HE号表示共轭复数)为:)的实数部分(因为(EH所以有2)Re(21)(Re(21,ENENEIENHENH,此时)(,所以又因为表明电磁波所传递的坡印廷矢量与其振幅的平方以及所在介质的光学导纳的实部成正比。坡印廷矢量与介质的光学导纳的关系坡印廷矢量与介质的光学导纳的关系前面已经主要分析了介质薄膜的特性计算方法。下面简要分析包含吸收薄膜的膜系的反射和透射特性。原则上只要将折射率代之以复折射率n-ik,上述方法是同样适用的。势透射率势透射率
9、首先引入势透射率的概念,所谓势透射率是从薄膜系统出射的能量与进入薄膜系统的能量之比值,即 如图1所示。RT1图1 薄膜系统的势透射率RT1)1:(R进入膜系的全部为根据坡印廷矢量的表达式,那么可得。又因为组合的光学导纳和电场为多膜层和基底、场,为基底的光学导纳和电、其中)(0111EEEYENkkkg2)Re(21)(Re(21ENENEI可以得到:直接代入就可以得到:同时可得:率。值就是薄膜系统的吸收,其差之和不再等于,因而透过率和反射率射率总是小于吸收薄膜系统,其势透。但是任何一个,因而收)系统,势透射率对于介质薄膜(即无吸11)1 (1RT势透射率势透射率有吸收薄膜的反射、透射特性有吸收
10、薄膜的反射、透射特性薄膜存在吸收,膜层薄膜存在吸收,膜层折射率为复数,有折射率为复数,有()1TRA透过率(反射率) (吸收率)势透过率势透过率:一束透过膜层系统的光能量透过率一束透过膜层系统的光能量透过率T与进入膜系的光能量与进入膜系的光能量(1-R)之比。之比。T(1R)由确定的光学常数和厚度的吸收薄膜层与不同的无吸收膜层组由确定的光学常数和厚度的吸收薄膜层与不同的无吸收膜层组合成膜系时,其吸收合成膜系时,其吸收A在变,在变,R+T也变。也变。吸收吸收A(1)A (1R)R一定时,势透射率一定时,势透射率 越大,膜系吸收越大,膜系吸收A越小,实际透过率就越小,实际透过率就越大。势透射率越大
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