薄膜光学习题与解答

概念：AUTONUM光学导纳AUTONUM边界条件在电磁场跨越界面时，电场和磁场的切向分量在边界两边分别相等。AUTONUM菲涅尔系数菲涅尔系数就是界面上的振幅反射系数和振幅透射系数。AUTONUM组合导纳将膜系与基底看成一体时的导纳，对于单层膜和基底组合来说，AUTONUM特征矩阵表征薄膜特性的矩阵，仅包含薄膜的特征参数AUTONUM理想单层膜理想单层增透膜就是折射率，厚度为1QW的单层膜AUTONUM诱导透射在金属膜两侧设计介质膜，开发金属膜最大可能的透过率。AUTONUMPVD物理气相沉积（真空镀膜的方式之一）AUTONUM虚设层当膜层厚度对于中心波长来说是2QW或其整数倍时，该层是否存在对于中心波长处的透过率/反射率无影响，因此称为虚设层。但该层其他波长处的透过率/反射率还是有影响的。AUTONUM偏振效应当光线斜入射到薄膜时，s-偏振光和p-偏振光具有不同的透射/反射率，称为偏振效应。AUTONUM中心波长AUTONUM截止波长截止滤光片在某一波长范围的光束高透射，而偏离这一范围的光骤然变化为高反射（或称抑制），这个临界波长称为截止波长AUTONUM等效折射率对于以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜，具有单层膜特征矩阵的所有特点，因此在数学上存在一个等效层，对称膜系在数学上存在一个等效折射率。AUTONUM偏振光光矢量的方向和大小不变或有规则变化的光成为偏振光。AUTONUM规整膜系具有简单的周期结构，或者具有周期性的对称结构的薄膜。AUTONUM相位厚度AUTONUM光学厚度Δ=ndAUTONUM质量厚度，在晶控中控制的就是质量厚度AUTONUM薄膜缺陷薄膜中的气孔、虫道、位错等缺陷。（由薄膜镀制工艺所决定的薄膜结构中的缺陷）AUTONUM光学薄膜系统由入射介质、薄膜（单层或多层）、出射介质（基底）构成一个完整的光学薄膜系统。AUTONUM光程差光通过不同路程传播后，其光程的差值AUTONUM相长干涉当两束光波相遇时，其相位恒相同，则该处光的振幅叠加，光强增加。AUTONUM相消干涉当两束光波相遇时，其相位恒相反，则该处光的振幅互相抵消，光强减弱。AUTONUM相位差两束初相位相同的光各自经过路程与后相遇，产生的相位差为，与分别为光在两种介质中的波长。AUTONUM麦克斯韦方程AUTONUM驻波两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色光波，例如垂直入射到两种介质分界面的单色光波和反射波的叠加将形成驻波。AUTONUM菲涅耳公式AUTONUM全内反射角光线入射到两种介质的分界面上时，通常都会发生折射和反射。但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，这种现象称为全反射现象。当折射角I’达到，折射光线沿界面掠射出去，这时的入射角称为临界角。AUTONUM布儒斯特角使为零的入射角称为布儒斯特射角，又称为偏振角。AUTONUM矢量法首先计算各个界面的振幅反射系数和各层膜的位相厚度，把各个矢量按比例的画在同一张极坐标图上，然后按三角形法则求合矢量。求得的合矢量的模即为模系的振幅反射系数，幅角就是反射光的位相变化，而能量反射率是振幅反射系数的平方。AUTONUM递推法AUTONUM对称膜系以中间一层为中心，两边对称安置的多层膜。AUTONUM代换对为了克服薄膜折射率的限制，可以用两层膜来替代一层膜，这两层膜称为代换对AUTONUM干涉截止滤光片以多层介质膜镀制的，在某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射（或称抑制）的滤光片。AUTONUM带通滤光片允许一定范围波长的光透过，不在此范围内的波长的光不能透过的滤光片。AUTONUM减反射膜又称为增透膜，具有减少表面反射光的作用。AUTONUM中性分光镜在整个波段上具有相同透反比的分光镜，一般还要求尽可能小的偏振效应。AUTONUM周期膜系以两种不同折射率膜层构成一个基本周期，多个周期形成的膜系。AUTONUM光控镀膜机中根据膜层厚度与反射率（透过率）的对应关系而监控膜层厚度的设备AUTONUM晶控镀膜机中根据镀在晶振片上膜层质量造成的晶振频率变化而监控薄膜质量厚度的设备。AUTONUM截止滤光片以一个特定波长为分界，一边高反射、另一边高透射的滤光片AUTONUM长波通截止滤光片在长波方向高透射、短波方向高反射AUTONUM短波通截止滤光片在短波方向高透射、长波方向高反射AUTONUM截止深度在截止带中心的透过率AUTONUM组合导纳由薄膜（或多层薄膜）和基底所构成的一个系统中，可以用一个与导纳具有同样特性的参数来表征其外在特性。一层薄膜与基底的组合导纳为：AUTONUM递推法在薄膜计算中，先计算相邻薄膜（或薄膜和入射介质、薄膜和基底）的性质，然后逐步推广到整个膜系，这就是递推法。薄膜计算中的主要递推法有导纳递推法和菲涅尔系数递推法。如利用组合导纳的概念，有递推公式为：消光系数复折射率（N=n-ik）的复数部分证明：光学厚度为λ0/2的膜层，在其中心波长处为虚设层。证明：在边界处E与H的切向分量连续。试证明所谓的薄膜系统的不变性：即当薄膜系统的所有折射率都乘以一个相同的常数，或用它们的倒数替代时，膜系的反射率和透过率没有任何变化。设计问题：分析并设计一个应用于太阳能集热器的膜系，注意阳光的色温为5800K，黑体辐射为750K。（查找资料获得阳光辐射曲线和黑体辐射曲线，利用TFCalc设计膜系）。计算一个简单周期规整膜系A|(LH)7|S的截止波长位置、带宽、截止深度及其在截止波长处的反射率（H:TiO2，n=2.3；L:SiO2，n＝1.45；A:空气，S:K9）。设计一款宽带高反射膜，H:TiO2，n=2.3；L:SiO2，n＝1.45，需要考虑那些主要问题？设计一个覆盖可见光波段的宽带全介质高反射膜，叙述其设计思想与设计步骤。设计一个可见光区的减反射膜，要求如下：波长区间400～700nm，平均反射率<0.4%，最大反射率<0.6%。设计一个可见光区的高反射膜，要求如下：波长区间400～700nm，平均反射率>99%，最小反射率>98%。在空气中自然光入射到金属材料铝和银时，用TFCale软件分析两种材料反射光偏振效应最大值出现的角度与数值的步骤。（λ＝500nm，Al：0.64-i5.50，Ag：0.050-i2.87）请设计CCD使用的IR-CUT膜系请设计冷光镜请设计棱镜分色系统所需要的所有膜系设计投影机用X棱镜中的两个膜系设计泰曼干涉仪的金属（Al）分光镜（光源为He-Ne激光），要求到达接收平面的干涉图对比度最好。试在玻璃基底（n＝1.52）上设计一诱导透射滤光片，中心波长为500nm，要求峰值透过率大于70％，在400nm～1500nm的波长范围内背景透过率小于0.1%，整个多层膜与合适的吸收玻璃胶合。判断题光束斜入射到膜堆时，S－偏振光的反射率总是比p－偏振光的反射率高（正确）对称膜系可以完全等效单层膜（错误，仅在通带中有类似特性）对于吸收介质，只要引入复折射率，进行复数运算，那么就可以完全使用无吸收时的公式（正确）膜层的特征矩阵有两种表达方式：导纳矩阵和菲涅尔系数矩阵（错误）简单周期性多层膜，在其透射带内R<<1（错误）在斜入射情况下，带通滤光片S－偏振光的带宽比p－偏振光的带宽为大（正确）在包含吸收介质时，光在正反两个入射方向上的透过率是一样的（正确）发生全反射时，光的能量将不进入第二介质（错误）斜入射时，银反射膜的偏振效应比铝反射膜大（Al：0.64-i5.50，Ag：0.050-i2.87）（错误，因为银的折射率远小于铝）高反射介质膜的截止深度是指在截止波长处的反射率（错误，是指截止带中心处的反射率）简答题双半波滤光片的基本构造是怎样的？该结构用在那种滤光片中？有什么优点？答：双半波滤光片的基本结构为：反射膜堆|间隔层|反射膜堆|间隔层|反射膜堆；用在窄带滤光片中；高的中心波长透过率，宽的两旁截止带宽度。分析简单周期性多层膜，在其透射带内的波纹生成原因。利用公式，说明减反射膜、带通滤光片、负滤光片对其参数的不同要求。周期性多层膜的截止带和透射带是根据什么划分的？答：截止带和透射带交界位置的波长称为截止波长。在截止波长处，当周期增加时，截止波长处的反射率是单调增加的，而在其通带一侧，反射率是波动的。用公式来表示时，有：相对波数，，中心波长两端的截止波长为讨论薄膜实际厚度、相位厚度、光学厚度、质量厚度之间的关系，及在薄膜监控中的运用。答：实际厚度d是薄膜的物理厚度，光学厚度为，与材料折射率和入射角度相关；相位厚度，又增加与测试波长相关。质量厚度则是镀制在晶控片上的膜料质量m，和晶控工艺参数（通过试镀获得，与晶控片面积s和膜料比重等相关）换算所得，与实际膜厚有正相关关系。在薄膜监控中，光控监控的是相位厚度，对于薄膜的光学特性控制比较准确。但一般只能检测其极值，且涉及参数多，故说其准确但不精密；晶控可以精确监控薄膜质量的增加过程，从而推算出实际膜厚的增加过程，因此说其很精密。但晶控无法监测薄膜的折射率，因此在控制薄膜的光学特性上不够准确。计算薄膜光学性质的理论出发点是什么？答：计算薄膜光学性质的理论出发点是波动光学的干涉理论。光学导纳与折射率概念的异同答：导纳是介质内部磁场矢量与电场矢量模的比值：，而折射率是真空光速与介质光速的比值：。在光波段，非铁电体情况下，可以将导纳和折射率等同看待。一个光学薄膜系统包括那些系统？答：光学薄膜系统包括基底、膜堆、入射介质。膜堆由一层或多层不同介质的膜组成。在光波从一个介质进入另一个介质时，那些量是连续的？答：在光波从一个介质进入另一个介质时，电场与磁场的水平（切向）分量均是连续的。为什么高真空对真空镀膜是必须的？答：1）避免空气中的活性分子与膜料、基底材料等发生反应；2）使膜料分子的平均自由程增加，可以直接到达基底；3）避免水（油）蒸汽对膜层的影响（折射率、附着力）。4）降低膜料的蒸发温度。为高折射率基底设计红外增透膜系与一般可见光下的增透膜系有什么不同？答：1）可见光下透过率由4%下降到0.5%左右，红外增透膜透过率由30%下降到5%左右。2）红外光下可以选择的膜层材料更少。3）双层红外增透膜的外层一般选用高折射率的材料（与基底材料折射率接近）。4）通常情况下，红外增透膜的带宽比可见光大许多。简述薄膜缺陷答：薄膜的微观缺陷由膜的生成方式（分子团、岛、连通）决定，在膜中存在柱状空隙；薄膜与基底、不同薄膜之间的化学反应作用会改变介质的分层处的物理结构。镀膜时的杂质，产生点状缺陷。光学薄膜的特点：1）主要表现为干涉效应；2）薄膜元件不参与成像。薄膜光学的研究对象：答：薄膜光学主要研究在分层介质中光的传播规律。白光常被称为非相干光，在一般情况下不表现出干涉效应，为什么在薄膜中可以显著地观察到？答：白光被称为非相干光，是因为普通光源中每个原子的持续发光时间短且互不相关，波长也包括了所有可见光，因此白光相干长度极小。在光学薄膜中，膜层厚度要比白光的相干长度更小（一般单层为λ/4～λ/2，多层膜总厚度也不超过10μm），因此光学薄膜才明显地表现出光波干涉特性。分析正入射与斜入射的不同点，在薄膜光学中如何处理斜入射问题？答：正入射时电场矢量各向同性，不存在偏振问题；斜入射时电场矢量必须分解成S-分量与P-分量不同处理。在薄膜光学中处理斜入射问题时引入修正导纳：然后就可以采用正入射时的公式了。均匀、透明介质的特征导纳矩阵的特点？答：1）主对角线两个元素m11=m22，且均为实数；2）其余两个元素为纯虚数；3）行列式的值为1。自然光与偏振光的差别？答：自然光的电矢量在垂直光波前进方向的平面内随时间作快速、无规律的变化；有规律的变化则为偏振光，其中的特例是固定方向不变化，则是线偏振光。矢量法设计膜系的前提是什么？为什么？矢量法的近似条件是什么？答：（1）只考虑界面上的单次反射，不考虑多光束干涉效应；（2）膜层没有吸收。因为矢量法是一种作图方法，考虑多光束干涉将引入太多的矢量，膜层的吸收将引入复折射率，两者均使作图无法进行。金属膜在什么情况下可以看成是“厚”膜？为什么？答：因为金属膜是一种吸收介质，随着膜厚的增加，反射率将稳定在一个固定的数值上，透过率则随膜厚的增加而呈指数衰减，所以超过一定厚度的金属膜与无穷厚的膜没有什么差别，这个厚度由公式决定，其中d2为临界厚度，k2为金属膜折射率的复数部分。金属反射膜和全透明介质反射膜各有什么特点？答：金属膜具有较高的反射率（80％－95％）和极宽的反射带宽。而全透明介质反射膜带宽较窄，但其反射率可以做到99％以上。诱导透射滤光片的优点与局限答：诱导透射滤光片使用金属材料作为干涉滤光片的中间间隔层，其优点是截止带的带宽极大。而其局限是通带透过率与带宽之间的矛盾，即无法获得窄带高中心透过率的滤光片。写出五种常用薄膜的代号答：增透膜（AR）、内反射膜（HR）、外反射膜（HR）、分光膜（BS）、滤光膜、防水膜、保护膜、电热膜、偏振膜（PBS）、红外截止滤光片（IR－Cut）写出五种镀膜方法的代号答：溶液沉淀法（Y）、阴极溅射法（R）、腐蚀法（S）、加热融化法（G）、电解或氧化法（D）、气体成膜法（Q）、真空蒸发法（F）、喷刷及其他（B）。简述真空镀膜原理答：在真空中加热金属或介质材料，当达到一定温度且材料蒸汽压强大于真空室气压时，被加热的材料的原子或分子从本体逸出，以直线形式向四面八方辐射。当蒸汽分子撞击放在预定位置的待镀基片，就会在上面凝聚，从而形成薄膜。由于分子的平均自由程与气体压强成反比，因此在真空中进行蒸发是必须的。简述真空镀膜时薄膜的形成过程答：刚开始时，到达基底的成膜分子较少，在基底表面稍作停留后就离开；然后，到达分子渐渐多于离开的分子，形成几个分子组成的分子团，在基底表面停留的时间也变长；当分子团再变大时，将与临近的分子团合并，形成小岛，将稳定地停留再基底上；最后，各个小岛互相连通，形成薄膜。薄膜形成后，仍会留下一些小岛之间连通时未完全覆盖的区域，形成柱状缺陷。λ/2厚度的膜层为什么被称为虚设层，它的作用是什么？答：λ/2厚度的膜层对于中心波长不起作用，因此被称为虚设层，但在离开中心波长的波段上，它将参与改变膜系特性参数，因此λ/2膜层常用来调整整个波段上的反射率曲线而不影响到中心波长处。棱镜和平板偏振分光镜的设计原理有何不同？答：棱镜偏振分光镜的设计原理是高反射的周期性规整膜系，在布鲁斯特角时p-偏振光全透射，而s-偏振光则被反射。平板偏振分光镜则是根据倾斜光入射时s-偏振光的带宽大于p-偏振光来设计的。全介质带通滤光片的旁通带可用那些方法来消除？答：采用颜色玻璃来吸收某一个方向的旁通带；采用镀制截止滤光片的方法；采用金属镀制诱导透射滤光片。如何理解“光控准确但不精密，晶控精密但不准确”这句话？计算与公式推导分析：推导斜入射情况下修正导纳的计算公式如果在两块不同材料的直角棱镜（n1=1.5，n2=2.1）中间设计一个三层对称膜系，使中心波长处达到透射极大，请计算其等效折射率Ε和等效相位厚度Γ的值。答：因为三层对称膜系与单层膜的特性相同，所以可以直接套用单层膜的计算方法：，其中λ0是中心波长。分析三层膜的理论模型：答：三层膜的理论模型是以上反射镜R1、下反射镜R2和中间层构成的膜系，其透过率可用公式表示，若上下反射镜的反射相移为，中间层的位相厚度为，同时令，则公式中各参数表示为：，上述理论模型的主要优点是将反射率和反射相移、中间层位相厚度分开来进行计算和分析，因此在设计各类膜系时可以对膜系反射（透射）曲线进行人工调整，如增透膜：需要在宽光谱范围内F尽可能小（小）和R1=R2的组合。思考题——原理光学薄膜的特点：提高单层膜的性能的途径有哪几个？理想单层膜的条件反射镜中驻波场分布胶合棱镜偏振分光镜的原理计算薄膜光学性质的理论出发点是什么？答：是波动方程和光干涉效应。为什么只有在光波段介质材料的光学导纳才在数值上等于它的折射率？试说明等效界面和等效层概念的异同。自然光与偏振光的差别？工艺与设备简述真空镀膜原理简述真空镀膜时薄膜的形成过程一个典型的光学镀膜机真空系统包括那些部分？计算题分别利用矢量作图法和光学导纳矩阵法，计算下述AR膜在波长400nm、500nm、600nm和700nm处的反射率（λ0＝520nm）利用SiO2（n＝1.45）和TiO2（n＝2.3）两种材料，设计一个激光高反射膜S|(HL)^mH|A，那么当需要反射率不小于99.8%时，周期数m的最小值是多少？