光学薄膜基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第1章,薄膜光学基础知识,青岛大学物理科学学院,第1章 薄膜光学基础知识,什么是光学薄膜？,光学薄膜的主要应用,光学的本性及其描述,光的偏振及其表征（S光和P光）,光的干涉原理,光学薄膜的基本原理,光学薄膜器件,1、光学薄膜的发展历史,人类最早发现的,五光十色的肥皂泡；,水面上彩色斑烂的油膜；,两玻璃片间的空气层中常呈现出色彩鲜艳的光环；,所有这些现象早在十七世纪就引起了许多自然科学家的注意，他们各自部提出了一些初步解释，但均不令人满意,；,1801,年托马斯,杨干涉实验结果以及菲涅耳对此进一步发扬光大以后，上述现象才彻底为人们弄清，物理光学的基础才从此建立起来今天我们可以说，整部薄膜光学的物理依据就是光的,干涉,。,夫琅和费早在1827年制成了可以说是第一批减反射膜，他将经过精细地抛光的平面玻璃一半放在浓硫酸或浓硝酸中腐蚀。将玻璃上的酸液清洗干净之后发现，经酸腐蚀的表面所反射的光强远低于另一半表面的反射光强，即酸经过的那部分玻璃表面失掉了某种成分，形成薄薄一层折射率比玻璃基底折射率低的失泽层，不过玻璃还未遭刻蚀；,“因为其适时光仍和另一半表面一样(实际上更高)，以致在透射光中仔细检查也不能找出它们的分界线来，”经过硫酸或硝酸的这种处理之后，有些牌号的玻璃表面呈现美丽鲜艳的色彩；使光沿各种不同的角度入射，则色彩婉如肥皂泡一样变幻无穷。,1886年瑞利在英国皇家协会报告说：“失泽”的冕玻璃平板，其反射比刚抛光更低原因是玻璃形成了薄薄的一层膜。,1891年丹尼斯.泰勒（Dennis Taylor）在它的文章中写到，在使用几年后的普通物镜的火石玻璃透镜上“失泽”现象是十分明显的。我们很高兴的是，能够使这种火石玻璃的拥有者放心，通常用怀疑眼光看待的这层使玻璃“失泽”的薄膜，却正是观测者的“挚友”，因为它增加了物镜的透射率。,事实上，泰勒发展了一种用化学侵蚀产生“失泽”而制作化学减反膜的方法。,目前制备光学应用的薄膜的主要方法是真空蒸发法和溅射法，后者在十九世纪中叶就发现了，而前者可追朔到二十世纪初。,但在1930年以前，它们不能作为实用的镀膜方法，因为没有获得高真空的真正适用的抽气机，直到1930年出现了油扩散泵机械泵抽气系统以后，制造实用的真空镀膜机才成为可能。,三十年代中期德国的鲍尔和美国的斯特朗先后用真空蒸发方法制备了单层减反射膜，这种简单的减反射膜至今在一般的光学装置上还被大量地应用。,折射率为1.52的玻璃敷有折射率为1.38的氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从4.2%减少到1.5%左右，例如7块平板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为：,T(0.97),7,80.7%,未镀膜： T=(0.92),7,=55.7%,这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25的透射能量,20世纪中期：主要是在薄膜设备的改进与镀膜产品种类以及质量的提高得到了发展，形成了典型的减反射、高反射、滤光片等光学薄膜器件；,20世纪末21世纪初光电子技术得到了飞速发展，光学薄膜器件,向性能要求和技术难度更高,、,应用范围和知识领域更广、器件种类和需求数量更多,的方向迅速发展；,随着数码相机、数码摄像机、背投电视以及光纤通信的发展，光学薄膜产品需求数量巨大，特对是对偏振分束膜、消偏振分束膜、超窄带滤光片、超宽带截止滤光片等复杂膜系的要求越来越高；,干涉现象是薄膜光学的起源,1801年托马斯. 杨干涉实验是其理论基础,夫琅和费在1827年制成了第一批减反射膜,1873年，麦克斯韦的巨著论光和磁，进一步奠定了薄膜光学的理论基础,1930年油扩散泵的出现促进了光学薄膜的发展,各种制备技术是光学薄膜发展的保障,几乎所有的光学系统、光电系统和光电仪器都离不开光学薄膜的应用，而且到目前为止，也没有发现有别的技术可以取代光学薄膜；,薄膜光学发展的三大推动力,20世纪60年代的发明的激光器,20世纪末光通信波分复用技术(DWDM滤光片）,今天，新型微结构功能薄膜的出现给光学与光电子薄膜技术注入新的生命力,新概念、新材料、新设计、新方法、新应用,2、什么是薄膜光学？,薄膜可分成两大部分，第一部分是光学薄膜，第二部分是光学波导及其相应器件；,前者的特点是光横穿过薄膜而进行传播；后者的特征是光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播，,对于光学薄膜，在一块基片上淀积五、六十层膜并非罕见，涂镀工艺是比较成熟的；,而对光学波导，则膜层层数一般不多，通常仅用一层膜，其镀制工艺仍处在发展初期。,本课程讲的是第一种情况。,Optical coatings,:,一般来讲薄膜敷于光学玻璃、塑料、晶体等基底上；,Optical,layers,:,光学薄膜的一个特点是分层结构；,Optical thin films,：,通常意义的光学薄膜；,Optical,layers,:,光学薄膜的一个特点是分层结构；,光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向产生光的干涉现象。,r,t,厚度为波长量级,能够产生干涉作用,n,d,r,t,薄膜光学的研究对象,薄膜光学是物理光学的一个重要分支,它研究的对象是膜层对光的反射、透射、,吸收以及位相特性、偏振效应等；,简而言之，它主要研究光在分层媒质中的,传播规律性。,薄膜光学的实质,光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向产生光的干涉现象,;,人们正是利用这种干涉现象，通过,改变材料及其厚度,等特性来人为的控制光的干涉，根据需要来实现光能的重新分配。,光学薄膜在光学系统中的作用：,提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。,实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。,通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。,实现某些特定功能。如,ITO,透明导电膜、保护膜等,3、与光学薄膜有关的产业？,镀膜眼镜,幕墙玻璃,滤光片,ITO,膜,车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片,光通信领域：,DWDM,、,光纤薄膜器件,红外膜,投影显示,4、光学,是关于电磁辐射的产生、传播、接收和显示以及与物质相互作用的应用型科学。,电磁波谱,可用统一的电磁理论处理各种波长的电磁现象,1 10,-10,m,可见光：400700,nm,O,法线:NN 法线垂直水面,折射角:,折射角入射角,四线共面,二角相等.,全反射,光纤(光导纤维)的基本原理,人在水上看到物体的像，比实际物体位置偏上，感觉水比较浅。,钓鱼湾,储光羲,垂钓绿湾春,春深杏花乱,潭清疑水浅,荷动知鱼散,日暮待情人,维舟绿杨岸,有大气，看到太阳更早,没有大气，将迟一些看到太阳,海市蜃楼,光经过不均匀的大气时发生折射，形成的虚像。,海市蜃楼,看到的水中部分应向上弯折,违背了光的折射规律,不经风雨，怎能见到彩虹！,只闻其声，不见其人,衍射是波特有的性质！,远古对光学的初步研究,中国：墨经,光学,知识的最早记录,光的直线传播,小孔成像、平面镜、凹,面镜、凸球面镜中物像关系,公元前,468376,年,国外：,光学,欧几里德,比,墨经,迟,100,年,平面镜成像 反射角,=,入射角,毕达哥拉斯、德漠克利特、柏拉图、亚里士多德,十七世纪以前,罗马帝国的灭亡,黑暗时代,培根,暗示过望远镜的可能性。,Euclid,，公元前,330275,年,十七世纪上半叶,1608年，荷兰人李普塞发明了第一架望远镜，显微镜,天文学、航海、生物学、医学,1611年，法国人开普勒 折光学，,1621年，荷兰人斯,涅耳,， 1630,年，笛卡儿折光学,折射定律,1657年,，费马,反射和折射定律,几何光学体系基本形成,几何光学的建立,1672,年，牛顿三棱镜色散试验，牛顿环（胡克）,开创了光谱学的研究,光学和物质结构研究的主要手段,1668,年，反射式望远镜（牛顿），克服了折射式,望远镜的缺点（色差）,几何光学的建立,微粒说和波动说的争论,微粒说牛顿,光是由微粒组成的。,光微粒遇到介质会受到吸引,成功揭示了折射定律；,光在介质中的速度比真空中快。,不能解释肥皂泡（薄膜）的色条纹,波动光学的建立,牛顿,牛顿环的发现,亮,暗,“,透射性发作,”,与,“,反射性发作,”,波动光学的建立,为波动光学提供了重要手段,牛 顿 环,波动说胡克、惠更斯,1690年，惠更斯出版论光,光是介质（以太）中传播的波。,（惠更斯原理）,解释了反射定律，解释了折射定律（假定光在介质中的传播速度比空气中更慢）,双折射现象,惠更斯,直到十八世纪，微粒说占统治地位,1801年，托马斯杨,双缝干涉,波的干涉解释了双缝实验和薄膜颜色。,提出了光是横波,偏振现象,1818年，法国人菲涅尔,小孔衍射-波动光学的缔造者,从波动说算出了条纹分布,充实了惠更斯原理,光是“绝对以太”中的机械波,托马斯杨,干涉条纹,1845,年，法拉第光的振动面在强磁场中的旋转,1856,年，韦伯电荷的电磁单位和静电单位的比值=光在真空中的速度,将光与电磁现象联系起来,波动光学的建立,1865,年，麦克斯韦光的电磁理论麦克斯韦方程组,麦克斯韦,1887,年，赫兹发现了电磁波,电磁光学建立,真空中：,1832年,法拉第猜想:电磁作用可能以波的形式传播，而且光可能就是一种电磁波动,量子论和相对论的建立,黑体辐射曲线,黑体辐射,能量随波长分布,1900,年，普朗克的量子假说：,某种频率光的能量是以某一最小单位产生,成功解释了黑体辐射问题，开始了量子光学时期,普朗克,1905,年，爱因斯坦,光在辐射与吸收中均,以基本单位能量发生,光的波粒二象性,光电效应、康普顿效应,光电效应,爱因斯坦,光同时具有波动和微粒两种特性,光的电磁场描述,光的波动方程,振幅,频率,初相位,光的电磁波描述表达式,振幅、相位、频率和偏振是描述光的四个参量,5、光波的偏振性,E,v,0,H,光矢量,振动面,5.1横波与偏振：,纵波振动方向,/,传播方向，唯一的,横波振动方向传播方向，不唯一的,结论：,（1 ）只有横波才具有偏振性,（2）光是横波也具有偏振性,二向色性,如墨镜,立体电影,偏振显微镜,偏,振,化,方,向,自,然,光,线,偏,振,偏振片,演示,定义：,具有二向色性材料制成的,只允许特定振动方向,的光通过的光学器件.,-只允许通过某方向的振动,而对其垂直方向,则强烈吸收.,天然材料：少数晶体。例电气石,硫酸碘奎宁,应用:,无光出射,偏,振,化,方,向,自,然,光,线,偏,振,偏振片,2.1 光的三种偏振态,1. 自然光：,光矢量具有各个方向的振动,且各方向振动几率,相等,彼此独立(各振幅相等无固定位相关系)。,几何表示:,.,.,.,.,.,.,定义 :,I,0,自然光通过偏振片的光强变化,I,0,偏振片转动, 透射光强不变。,19-2 自然光和线偏振光; 马吕斯定律,(由于振动平面的无规则取向,使光矢量具有环绕传播方向的对称性.),产生：,举例：阳光、白炽灯、普通光源,-,马吕斯定律,2. 线偏振光,-光矢量只限于一个确定的振动方向的光.,几何表示,.,.,.,.,.,.,线偏振光通过偏振片的光强变化,定义:,-,马吕斯定律,A,2,cos,A,1,=,a,I,0,.,.,自然光,线偏振光,I,2,I,1,a,产生：例：自然光经偏振片后的光，液晶显示的光,-入射偏振光振动方向与p,2,透振方向的夹角,马吕斯定律,讨论,: 1.,2.,转动偏振片P,2, 可看到光强由最亮变到全暗,.,.,自然光,线偏振光,I,2,I,1,P,1,-,起偏器,-,将非偏光变成线偏光的器件,起偏器,检偏器,a,P,2-,-,检偏器检验光的偏振态的器件,（偏振片、玻璃、尼科耳等）,（偏振片、玻璃、尼科耳等）,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,两偏振片的偏振化方向相互垂直,光强为零,3、部分偏振光,（介于线偏和自然光之间的一种光）,几何表示:,定义:,通过偏振片的光强,-各方向振动都有且位相独立，但在某个方向的振,动占优势, 关于传播轴成非球对称分布,.,.,.,.,.,.,.,.,产生：例：偏振片吸收不好,透射光为部分偏振光,折射光,反射光,.,.,入射光强：,I,0,=I,M,+I,m,透射光强：,转动偏振片P,2, 可看到光强由最亮变到较暗（不是全暗）,透振方向相互平行,透振方向成 45 度,透振方向相互垂直,4、圆偏振光（P=1）,定义,几何表示:,只有一个 其大小不变，方向随t转,E端点轨,迹为一个圆。（分左旋、右旋）,z,A,x,A,y,时间平均效果,A,x,，A,y,完全相关,圆光的产生,x,y,A,-同频、同幅、 二垂直线偏光合成,检偏：,I,0,I,P,P,A,/,A,5、椭圆偏振光,定义,t时，一个 ， 大小方向随t转， 端点轨迹为一,个椭圆。,几何表示:,椭圆光的产生,z,A,x,A,y,时间平均效果,A,x,，A,y,完全相关,同频、不同幅 的互相垂直的二线偏光合成,检偏：,I,0,I,P,P,x,y,A,y,A,x,A,y/,A,x/,P转动时I,P,在Imax和Imin间变化,。,反射和折射时光的偏振,实验和理论表明：,反射光: S 分量强度较大，,折射光: P 分量强度较大。,以任意角度入射,自然光,以任意角入射时,反射和折射光一般都为部分偏振光。,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,i,n,1,n,2,r,S,.,P,|,结论:,反射和折射光的偏振性,1812年布儒斯特经大量实验发现：,-反射光的偏振化程度取决于入射角,i,，,布儒斯特定律,1812,-起偏角,i,B,证:,布儒斯特定律,证毕,自然光,以i,B,入射,P分量全部折射-反射光只有S分量-线偏振光.,S分量不全反射-折射光有SP分量-部分偏光.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,i,0,i,0,n,1,n,2,r,例：,-,当光以某特定角,i,B,入射，则,反射光为振动垂直于入射面的线偏振光。,i,B,i,B,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,（2）布儒斯特定律可测n,2,i,B,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.4%，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。,为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的办法。一束自然光以起偏角56.3,0,入射到20层平板玻璃上，如图：,1.5,1.5,1.5,1.0,1.0,1.0,1.0,例题3：已知某材料在空气中的布儒斯特角,i,0,= 58,0,，,求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率,为 1.33），求布儒斯特角？该材料对水的相对,折射率是多少？,设该材料的折射率为,n,，空气的折射率为1,2,放在水中，则对应有,所以：,该材料对水的相对折射率为1.2,解：1,光的双折射,双折射现象及规律,1.定义,: 一束光入射,各向异性介质,晶体被折射为两束的现象。,寻常光（,o,光）,遵从折射定律的光线,非常光（,e,光）,不遵从折射定律的光线,演示,（,e,光）,（,o,光）,（,e,光）,（,o,光）,方解石晶体的双折射现象,光,光,双,折,射,纸面,方解石,晶体,双,折,射,纸面,方解石,晶体,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,光,当i=0,时，以入射光线为轴转动方解石,晶体旋转时,，o光不动，e光围绕o光旋转,.,.,.,.,.,.,.,o,e,A,C,D,B,.,.,.,.,.,.,e,o,2. o. e 光的异同,(1) o,e 光皆是线偏振光,(2) o,e光的偏振方向不同,(3) o光沿各方向传播的速度相同,e光沿各方向传播速度不相同,（,e,光）,（,o,光）,V,e,v,o,几个关于晶体的概念,1.光轴,:当光线沿一方向传播时无双,折射.称,该方向,为晶体的光轴,单晶,(方解石,石英）,双晶,(云母硫磺）,3.主截面,:光轴与自然晶面法线所组成的平面*。,推论:,光轴方向-n,0,=n,e,v,0,=v,e,78,0,102,0,2.主平面,:折射光与光轴构成的面.,*特例:,当入射光线在主截面内时,.,.,.,.,.,.,.,光,面,主,光,面,主,平,平,e,o,光,e,光,o,光轴,单晶中 o, e 光的波阵面,1. O光波面:,2. e光波面:,正晶体,光轴,v,e,v,o,v,e,v,o,n,o,n,e,*,以光轴为对称轴,与“o”波面相切的,旋转椭球面,负晶体,光轴,v,o,v,e,v,e,v,o,n,o,n,e,*,波面,e,波面,o,主折射率,5、 光的干涉,1,光的叠加原理,光传播的独立性：,两列波在某区域相遇后再分开，传播情况与未相遇时相同，互不干扰,.,光的叠加性：,在相遇区，任一质点的振动为二波单独在该点引起的振动的合成,.,频率相同、振动方向平行、相位相同或相位差恒定的两列光相遇时，使某些地方振动始终加强，而使另一些地方振动始终减弱的现象，称为,光的干涉现象,.,2,光的干涉,波频率相同，振动方向相同，位相差恒定,例,水波干涉 光波干涉,某些点振动始终加强，另一些点振动始终减弱或完全抵消,.,(,2,)干涉现象,满足干涉条件的波称相干波,.,(,1,),干涉条件,波源振动,点,P,的两个分振动,(3)干涉现象的定量讨论,*,定值,*,合振幅最大,当,合振幅最小,当,位相差 决定了合振幅的大小.,干涉的位相差条件,讨 论,位相差,加强,减弱,称为波程差,（波走过的路程之差）,则,如果 即相干波源,S,1、,S,2,同位相,将合振幅加强、减弱的条件转化为干涉的波程差条件，则有,当,时（半波长偶数倍）,合振幅最大,当,时（半波长奇数倍）,合振幅最小,干涉的波程差条件,实 验 装 置,p,杨氏双缝干涉实验,波程差,实 验 装 置,p,加强,减弱,相邻明纹（或暗纹）间距,干涉相长，明纹,干涉相消，暗纹,(1) 一系列平行的明暗相间条纹；,(3),条纹特点：,(2) 条纹等间距；,双缝干涉条纹,(4) 中间级次低；且中央条纹,为明条纹。,（5） 用,复色光,作实验时，,各明暗条纹的间距并不相同,。波长较短的单色光，条纹较密；波长较长的单色光，条纹较稀。,用白光作实验，则只有中央条纹为白色，其两侧形成由紫而红的彩色条纹。,(,1,),一定时，若 变化,则 将怎样变化？,(,2,),一定时,条纹间距 与 的关系如何？,在双缝干涉实验中：,（1）,如何使屏上的干涉条纹间距变宽？,（2）,将双缝干涉装置由空气中放入水中时，屏上的干涉条纹有何变化,？,（3）,若S,1,、S,2,两条缝的宽度不等，条纹有何,变化？,思考题,例1 用白光作双缝干涉实验时，能观察到几级清晰可辨的彩色光谱？,解:,用白光照射时，0级明纹为白光;,当k级红明纹位置等于k+1级紫明纹位置时，光谱恰好发生重叠。,其它级：内紫外红,将,红,= 7600， ,紫,= 4000,代入得,k=1.1,只有第一级彩色光谱是清晰可辨的。,因为 k只能取整数，所以应取,k=2,6 光学薄膜的基本原理,光在真空中的速度,光在介质中的速度,真空中的波长,介质的折射率,介质中的波长,*,P,*,波程差,相位差,*,P,*,介质中的波长,物理意义,：,光程就是光在介质中通过的几何路程按相位差相等折合到真空中的路程.,*,P,*,(,1,),光程:,介质折射率与光的几何路程之积 =,(,2,),光程差,(两光程之差),光程差,*,P,*,相位差,干涉,加强,干涉,减弱,A,B,二 透镜不引起附加的光程差,A,B,焦平面,P,L,三 薄膜干涉,D,C,3,4,E,5,A,1,B,2,P,L,D,C,3,4,E,5,A,1,B,2,反,射光的光程差,加 强,减 弱,P,L,D,C,3,4,E,5,A,1,B,2,透,射光的光程差,注意：,透射光和反射光干涉具有互补 性 ，符合能量守恒定律.,根据具体情况而定,P,L,D,C,3,4,E,5,A,1,B,2,当光线垂直入射时,当 时,当 时,(,2,),透射光的光程差,红光,紫光,紫红色,增透膜和增反膜,利用薄膜干涉可以提高光学器件,的透光率 .,2,3,玻璃,取,（,增强,）,氟化镁为增透膜,例,为了增加透射率，求氟化镁膜的最小厚度已知 空气,n,1,=1.00,，氟化镁,n,2,=1.38,，,=550 nm,减弱,解,则,END,