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1、光学薄膜的基本概念和设计,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，直到一百五十年以后，即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
2、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
3、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
4、光学装置上还被大量地应用。,折射率为152的玻璃敷有折射率为138的氟化镁薄膜后，单面的反射损失可从4.2%减少到15%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(097)7807%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,应用于光学领域的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
5、工艺仍处在发展初期。本课程是前一情况。,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。,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。,折射率、消光系数、吸收系数、极化率、光电导率,基本光学常数，复折射率 的实部和虚部。,色散关系,“光学常数”，并非真正常数，入射光频率的函数色散关系。洛伦兹色散理论绝缘体和半导体 Drude色散理论金属,光学常数,光学
6、材料的基本属性,薄膜光学的几个基本假设条件：工作波段：光学薄膜厚度于考虑的波长在一个数量级薄膜的面积与波长相比可认为无限大薄膜材料各向均匀、同性薄膜材料为非铁磁性材料光穿过膜层而非沿着膜层在膜层内传播,两束光产生干涉的条件：,频率相同,振动方向一致,位相相同或位相差恒定,麦克斯韦方程组,微分形式,积分形式,E电场强度 j电流密度矢量D电位移矢量 jD位移电流矢量H磁场强度 电荷密度B磁感应强度 介电常数磁导率 电导率,各向同性、均匀介质物质方程：D=E B=H j=E,平面电磁波理论E和H的关系,N=n-ik 复折射率,平面电磁波理论E和H的关系,平面电磁波理论,平面电磁波理论 坡印廷矢量,电
7、磁波传播时，表示单位时间内通过单位面积的能矢量S,称为坡印廷矢量，或能流密度,这表明电磁波坡印廷矢量和振幅平方及介质的光学导纳成正比。,平面电磁波理论单一界面的反射和折射E和H的边界条件,平面电磁波理论反射和折射定律,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。,平面电磁波理论反射和折射定律,垂直入射的情况：E和H都与界面平行由于第二种介质中没有反射波：H1=Ht E1=Et,在第一种介质中有正方向和反方向两种波,平面电磁波理论反射和折射定律,r可以是正数、也可以是负数（180度为相越变）,平面电磁波理论反射和折射定律,对于倾斜入射：引进一个修正光纳,薄 膜
8、 光 学基础理论,平面电磁波理论布儒斯特角,当光线入射到介质、金属表面时p-光、s光反射率随角度的变化情况,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,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:,
