范正修

2006年10月26日光學(xué)薄膜及其應(yīng)用1范正修2006年10月26日光學(xué)薄膜及其應(yīng)用1主要內(nèi)容薄膜概況光學(xué)薄膜一般性質(zhì)光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用光學(xué)薄膜的激光損傷2主要內(nèi)容薄膜概況2主要內(nèi)容光學(xué)薄膜概況光學(xué)薄膜一般性質(zhì)光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞3主要內(nèi)容光學(xué)薄膜概況3薄膜概況研究領(lǐng)域薄膜物理薄膜化學(xué)薄膜材料薄膜力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域光學(xué)薄膜電學(xué)薄膜半導(dǎo)體薄膜磁性薄膜生物薄膜4薄膜概況研究領(lǐng)域4薄膜光學(xué)形成發(fā)展歷史17世紀(jì)中期，“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（RobertBoyleandRobertHooke）1801ThomasYong引入光波干涉原理1816Fresnel發(fā)現(xiàn)了光波偏振特性,結(jié)合Yong干涉理論及Huygens的子波傳播理論形成了光波衍射理論1817Fraunhofer制成了第一塊減反薄膜1873Maxwell提出了Maxwell方程（ATreatiseonElectricityandMagnetism）5薄膜光學(xué)形成發(fā)展歷史17世紀(jì)中期，“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（Ro1886Rayleigh證實(shí)了Fresnel反射定律1899Fabry-Perot干涉儀1932Rouard發(fā)現(xiàn)金屬薄膜可以增加外部反射、降低內(nèi)部反射1934Bauer用鹵化物制備了減反薄膜1934Pfund用ZnS為Michelson干涉儀制備分束鏡1939Geffcken制備了金屬－介質(zhì)干涉濾光片61886Rayleigh證實(shí)了Fresnel反射定律6光學(xué)薄膜概況薄膜特點(diǎn)干涉原理，相干相長與相干相消重要性“有光就有膜”涉及生活方方面面，如眼鏡，裝飾膜等，投影系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)，大型激光裝置等面臨問題涉及到薄膜制備的各個(gè)方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意設(shè)計(jì)光性曲線，可用沉積技術(shù)少，沉積過程控制水平不高等；7光學(xué)薄膜概況薄膜特點(diǎn)7主要內(nèi)容薄膜概況光學(xué)薄膜一般性質(zhì)光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞8主要內(nèi)容薄膜概況8光學(xué)薄膜一般性質(zhì)理想光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜吸收及散射折射率不均勻性和折射率漸變薄膜薄膜的各向異性和雙折射薄膜薄膜的偏振和消偏振特性9光學(xué)薄膜一般性質(zhì)理想光學(xué)薄膜9薄膜的相位及位相薄膜等效折射率、等效導(dǎo)納和等效界面薄膜的色散及色散補(bǔ)償薄膜的應(yīng)力及應(yīng)力控制10薄膜的相位及位相薄膜10理想光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜改變光束切向方向－薄膜波導(dǎo)改變光束法向方向－光學(xué)薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜薄膜波導(dǎo)11理想光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜理想光學(xué)薄膜薄膜光性計(jì)算方法等效界面法矩陣法等效界面法12理想光學(xué)薄膜薄膜光性計(jì)算方法等效界面法12矩陣法＝界面的透射及反射系數(shù)：第一個(gè)界面處的電場關(guān)系：薄膜內(nèi)部的電場關(guān)系：薄膜內(nèi)部電場方向符號(hào)表示13矩陣法＝界面的透射及反射系數(shù)：第一個(gè)界面處的電場關(guān)系：薄膜內(nèi)依次類推：=矩陣法設(shè)：,則可以得到：14依次類推：=矩陣法設(shè)：,則可以得到：14光學(xué)薄膜吸收材料吸收共振吸收單光子吸收自由電子吸收雜質(zhì)吸收色心吸收聲子吸收多光子吸收15光學(xué)薄膜吸收材料吸收15光學(xué)薄膜吸收折射率由實(shí)數(shù)變?yōu)閺?fù)數(shù)：折射角由實(shí)數(shù)變?yōu)閺?fù)數(shù)：等效導(dǎo)納由實(shí)數(shù)變?yōu)閺?fù)數(shù)；反射系數(shù)和透射系數(shù)…..膜層厚度引起的位相差…..16光學(xué)薄膜吸收折射率由實(shí)數(shù)變?yōu)閺?fù)數(shù)：16光學(xué)薄膜吸收反射系數(shù)透射系數(shù)17光學(xué)薄膜吸收反射系數(shù)17勢(shì)透過率與薄膜吸收損耗勢(shì)透過率反射率透射率吸收率18勢(shì)透過率與薄膜吸收損耗勢(shì)透過率18光學(xué)薄膜的散射光學(xué)薄膜的表面散射光學(xué)薄膜的體散射19光學(xué)薄膜的散射光學(xué)薄膜的表面散射19光學(xué)薄膜的表面散射表面統(tǒng)計(jì)參量均方根粗糙度（RMS）相關(guān)長度高度分布函數(shù)自協(xié)方差函數(shù)（ACF）表面散射處理方法標(biāo)量理論－散射總損耗問題矢量理論－研究散射的角分布20光學(xué)薄膜的表面散射表面統(tǒng)計(jì)參量20光學(xué)薄膜的表面散射散射引起界面反射及透射系數(shù)變化21光學(xué)薄膜的表面散射散射引起界面反射及透射系數(shù)變化21光學(xué)薄膜的體散射體散射的貢獻(xiàn)與薄膜的吸收類似存在散射薄膜的位相厚度界面起伏引起的厚度變化體散射等效的吸收22光學(xué)薄膜的體散射體散射的貢獻(xiàn)與薄膜的吸收類似界面起伏引起的厚多層膜散射特性理想多層薄膜上述參數(shù)利用散射薄膜的相應(yīng)值替換23多層膜散射特性理想多層薄膜上述參數(shù)利用散射薄膜的相應(yīng)值替換2光學(xué)薄膜的分層界面散射模型24光學(xué)薄膜的分層界面散射模型24不同RMS粗糙度條件下玻璃基片的Rs和TIS變化曲線計(jì)算實(shí)例25不同RMS粗糙度條件下玻璃基片的Rs和TIS變化曲線計(jì)算實(shí)例梯度折射率薄膜光學(xué)薄膜通常具有折射率漸變性質(zhì)利用折射率漸變?cè)O(shè)計(jì)并制備新型薄膜26梯度折射率薄膜光學(xué)薄膜通常具有折射率漸變性質(zhì)26梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜內(nèi)電磁場傳輸由解微分方程可得到電磁波在非均勻介質(zhì)中的傳輸狀況，但是解微分方程的方法主要決定于折射率漸變的函數(shù)，只有在某些情況下才能精確解。

27梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜內(nèi)電磁場傳輸由解微分方程可得到電梯度折射率薄膜設(shè)計(jì)方法薄膜特征矩陣法傅立葉合成法計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)28梯度折射率薄膜設(shè)計(jì)方法薄膜特征矩陣法28梯度折射率膜的應(yīng)用

利用GLAD技術(shù)制備的寬帶增透薄膜29梯度折射率膜的應(yīng)用利用GLAD技術(shù)制備的寬帶增透薄膜梯度折射率膜的應(yīng)用Rugate小波函數(shù)折射率曲線及光譜特性30梯度折射率膜的應(yīng)用Rugate小波函數(shù)折射率曲線及光譜特性3梯度折射率膜的應(yīng)用紅色濾光片折射率隨厚度變化圖和0°入射時(shí)膜層透過率曲線圖31梯度折射率膜的應(yīng)用紅色濾光片折射率隨厚度變化圖和0°入射時(shí)膜薄膜的各向異性和雙折射薄膜各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu)雙折射薄膜理論分析雙折射薄膜生長過程模擬雙折射薄膜實(shí)驗(yàn)制備及光學(xué)特性分析32薄膜的各向異性和雙折射薄膜各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu)32各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu)1995年，Robbie小組最早利用GLAD技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的MgF2“雕塑”薄膜，并用掃描電鏡觀察到薄膜的螺旋結(jié)構(gòu)K.Robbie,M.J.Brett,A.Lakhtakia."Firstthinfilmrealizationofahelicoidalbianisotropicmedium",J.Vac.Sci.TechnolA,Vol.13:2991(1995)雕塑薄膜的制備示意圖33各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu)1995年，Robbie小組最早利用GL雙折射薄膜理論分析介電常數(shù)變?yōu)榻殡姀埩侩p折射結(jié)構(gòu)二維理論模型雙折射結(jié)構(gòu)三維理論模型雙折射薄膜界面特性分析雙折射薄膜的電場傳輸特性分析34雙折射薄膜理論分析介電常數(shù)變?yōu)榻殡姀埩?4雙折射結(jié)構(gòu)二維理論模型表示不同的入射方向，傾斜柱表示薄膜的柱狀方向S偏振光的有效介電常數(shù)入射角無關(guān)的物理量，取決于柱狀結(jié)構(gòu)的方向等參量。但是P偏振光與入射方向及柱狀結(jié)構(gòu)的方向有關(guān)，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到P偏振光折射率的解析形式。WANGJian-Guo,SHAOJian-Da,FANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~22335雙折射結(jié)構(gòu)二維理論模型表示不同的入射方向，傾斜柱表雙折射結(jié)構(gòu)三維理論模型傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的三維示意圖，其中，d為薄膜厚度(或光柵凹槽深度)；Λx,y為x軸和y軸方向的光柵周期；Lx,y是x方向和y方向光柵脊的寬度傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的截面示意圖，其中為柱狀角的方向WANGJian-Guo,SHAOJian-Da,andFANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~22336雙折射結(jié)構(gòu)三維理論模型傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的三維示意圖，其中，d雙折射薄膜界面特性分析

雙折射特性增加光波在界面?zhèn)鬏數(shù)膹?fù)雜性即使對(duì)單軸雙折射薄膜，同樣存在不同于各向同性界面的傳輸行為同側(cè)折射37雙折射薄膜界面特性分析雙折射特性增加光波在界面?zhèn)鬏數(shù)膹?fù)雜性雙折射薄膜的電場傳輸特性分析非常波在各向同性介質(zhì)與各向異性介質(zhì)界面處的入射波、反射波和折射波的示意圖

非常光波在雙折射薄膜內(nèi)部正向及反向傳播的波矢及光線方向示意圖

38雙折射薄膜的電場傳輸特性分析非常波在各向同性介質(zhì)與各向異性介雙折射薄膜界面同側(cè)折射在雙折射薄膜與入射介質(zhì)界面產(chǎn)生同側(cè)折射現(xiàn)象時(shí)對(duì)應(yīng)的范圍隨入射角度的變化關(guān)系光線在兩個(gè)沿光軸成45度角切割的具有正折射率的單軸晶體界面出現(xiàn)的同側(cè)折射現(xiàn)象Y.Zhang,B.Fluegel,A.Mascarenhas,Phys.Rev.Lett.91,157404(2003)H.J.Qi,J.G.Wang,J.D.Shao,Z.X.Fan,ScienceinChina,Ser.G,2005,48(5):513~520

39雙折射薄膜界面同側(cè)折射在雙折射薄膜與入射介質(zhì)界面產(chǎn)生同側(cè)折射雙折射薄膜的電場傳輸特性分析垂直入射條件下雙折射薄膜界面及內(nèi)部正向及反向傳播的電場示意圖各向同性薄膜特征矩陣其中，對(duì)于p偏振光，對(duì)于s偏振光，40雙折射薄膜的電場傳輸特性分析垂直入射條件下雙折射薄膜界面及內(nèi)利用電磁場切向連續(xù)條件，可以得到：其矩陣形式為：特征矩陣同樣，上述結(jié)果可以推廣到多層薄膜H.J.Qi,D.P.Zhang,J.D.ShaoandZ.X.Fan.“Matrixanalysisofanisotropicopticalthinfilm”,EurophysicsLetters,2005,70(2):257~263

41利用電磁場切向連續(xù)條件，可以得到：其矩陣形式為：特征矩陣同樣Zig-Zag生長的MonteCarlo模擬

薄膜生長簡化模型無邊沿粘附、無擴(kuò)散有邊沿粘附、無擴(kuò)散有邊沿粘附、有擴(kuò)散入射粒子傾斜引入對(duì)稱改變?nèi)肷浣嵌攘Ｗ釉谝痪S晶格上沉積及吸附示意圖，可能的吸附位置用(a~d)表示擴(kuò)散粒子最近鄰位置示意圖及編號(hào)42Zig-Zag生長的MonteCarlo模擬薄膜生長簡不同沉積溫度下束流入射角為60o時(shí)薄膜模擬結(jié)果H.J.Qi,J.D.Shao,D.P.Zhang,K.Yi,Z.X.Fan,AppliedSurfaceScience(Accepted)

43不同沉積溫度下束流入射角為60o時(shí)薄膜模擬結(jié)果H.J.Q夾具運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制示意圖

王建國,

邵建達(dá),

范正修.夾具三維運(yùn)動(dòng)控制裝置,

發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200410018497.6

王建國,邵建達(dá),

范正修.鍍膜夾具的計(jì)算機(jī)控制裝置，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200410084247.2雙折射薄膜實(shí)驗(yàn)制備及分析44夾具運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制示意圖王建國,

邵建達(dá),

范正修.夾具

(a)α=60o（b）α=80o不同角度制備ZrO2薄膜的SEM結(jié)構(gòu)α=60o時(shí),β=33o；α=80o時(shí),β=45oZrO2薄膜結(jié)構(gòu)與光性分析45(a)α=60o

不同基片旋轉(zhuǎn)速度制備的ZrO2薄膜的SEM結(jié)構(gòu)(a)0rpm;(b)0.14rpm;(c)1.08rpm;(d)17.3rpm(a)(d)(b)(c)柱體直徑在30～50nm之間46不同基片旋轉(zhuǎn)速度制備的ZrO2薄膜的SEM結(jié)構(gòu)(a)(d(a)(b)(c)(d)TiO2薄膜斷面SEM結(jié)構(gòu)(a)α=60o(b)α=70o(c)α=75o(d)α=80oTiO2薄膜結(jié)構(gòu)與光性分析47(a)(b)(c)(d)TiO2薄膜斷面SEM結(jié)構(gòu)TiO2(a)(b)(c)(d)GLADTiO2薄膜的表面SEM結(jié)構(gòu),(a)α=60o;(b)α=70o;(c)α=75o;(d)α=80o;內(nèi)插圖為表面結(jié)構(gòu)的FFT變換。兩個(gè)耳朵的形貌表明GLAD表面具有各向異性的結(jié)構(gòu)。48(a)(b)(c)(d)GLADTiO2薄膜的表

TiO2薄膜：沉積角度為75o，基片的旋轉(zhuǎn)速度分別為:(a)0.135rpm(b)1.08rpm(c)17.3rpm(a)(b)(c)49TiO2薄膜：沉積角度為75o，基片的旋位相延遲膜定義及應(yīng)用背景分類設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果50位相延遲膜定義及應(yīng)用背景50反射式相位延遲器能對(duì)入射偏振光的p,s分量的相位發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一定的相移，但是并不影響其高的反射率。相位延遲器（QWR）對(duì)每個(gè)波長在主角范圍內(nèi)，均能獲得相移，即對(duì)入射線偏振光產(chǎn)生相位變化，把線偏振光變成圓偏振光，反之亦然。在具有波片功能的同時(shí)，還可用作光束相移轉(zhuǎn)向器件及光束相移平移器件。位相延遲膜51反射式相位延遲器能對(duì)入射偏振光的p,s分量位相延遲膜角立方反射鏡：利用光束在3塊空間互成54.7°的反射鏡的表面3次反射，反射光偏振態(tài)的變化而獲得相位延遲。外反射式相位延遲器：利用不同偏振態(tài)光在不同厚度的膜層相位變化而獲得相位延遲。全內(nèi)反射式相位延遲器：利用光的全內(nèi)反射原理以及不同偏振態(tài)光穿透深度不同而調(diào)節(jié)相位延遲。52位相延遲膜角立方反射鏡：52入射角為54°,270°相位延遲膜的透射率和相移特性全介質(zhì)層相位延遲膜設(shè)計(jì)與制備53入射角為54°,270°相位延遲膜的透射率和相移特性全介質(zhì)入射角為45°,全介質(zhì)層相位延遲膜的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測量與擬合曲線（該樣品的在1315nm處相移為267.5°，與設(shè)計(jì)要求的僅相差2.5°）全介質(zhì)層相位延遲膜設(shè)計(jì)與制備54入射角為45°,全介質(zhì)層相位延遲膜的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測量與擬合曲線雙波段相位延遲膜設(shè)計(jì)的光譜特性和相移特性曲線在632.8nm需要達(dá)到85％左右的反射率，相對(duì)于相移在設(shè)計(jì)光譜范圍內(nèi)的振蕩增大。雙反射帶相位延遲膜的設(shè)計(jì)與制備55雙波段相位延遲膜設(shè)計(jì)的光譜特性和相移特性曲線在632.8nm雙波段相位延遲膜的測試的光譜特性和相移特性曲線樣品在1315nm處的相移值為267.2°，僅與設(shè)計(jì)值相差2.8°56雙波段相位延遲膜的測試的光譜特性和相移特性曲線樣品在13單層膜的相位延遲

寬波段相位延遲膜的設(shè)計(jì)57單層膜的相位延遲寬波段相位延遲膜的設(shè)計(jì)57等效折射率、等效導(dǎo)納和等效界面等效折射率、導(dǎo)納和界面概念等效折射率理論推導(dǎo)58等效折射率、等效導(dǎo)納和等效界面等效折射率、導(dǎo)納和界面概念58等效折射率對(duì)稱膜系pqp的矩陣推導(dǎo)單層膜的特征矩陣：59等效折射率對(duì)稱膜系pqp的矩陣推導(dǎo)單層膜的特征矩陣：596060等效折射率對(duì)于一個(gè)對(duì)稱周期膜系(PQP)S若若是有條件的，該條件正好對(duì)應(yīng)截止區(qū)與透射區(qū)的分界線61等效折射率對(duì)于一個(gè)對(duì)稱周期膜系(PQP)S若若是有條件的，6262禁帶區(qū)透射區(qū)63禁帶區(qū)透射區(qū)63等效折射率性質(zhì)64等效折射率性質(zhì)64等效折射率應(yīng)用－波紋壓縮(0.5LH0.5L)^4膜系產(chǎn)生的波紋65等效折射率應(yīng)用－波紋壓縮(0.5LH0.5L)^4膜系產(chǎn)波紋壓縮方法選取適當(dāng)?shù)慕M合膜，使其通帶內(nèi)的等效折射率與基片相接近改變基本周期內(nèi)的膜層厚度，使其等效折射率變到更接近的預(yù)期值在多層膜的兩側(cè)(靠近基底側(cè)和靠近入射介質(zhì)側(cè))加鍍匹配層，使其同基底以及入射介質(zhì)匹配66波紋壓縮方法選取適當(dāng)?shù)慕M合膜，使其通帶內(nèi)的等效折射率與基片相目標(biāo)：壓縮500nm附近的波紋實(shí)例一67目標(biāo)：壓縮500nm附近的波紋實(shí)例一670.62M(0.5LH0.5L)^120.72NM=1.38N=1.11L=1.46H=1.86680.62M(0.5LH0.5L)^120.72N68Glass/0.9(0.5HL0.5H)^2(0.5HL0.5H)^90.99(0.5HL0.5H)^3/Air實(shí)例二69Glass/0.9(0.5HL0.5H)^2(0.5HL0實(shí)例三：顏色濾光片設(shè)計(jì)綠色濾光片設(shè)計(jì)曲線圖（H(HLH2L)^5H7L，H:2.3,L:1.45）紅色濾光片設(shè)計(jì)曲線（HM(HL)^11(HN)^11.16(HN)^21.16(HL)^90.58H，H:2.3L:1.46M:1.79N:1.6）70實(shí)例三：顏色濾光片設(shè)計(jì)綠色濾光片設(shè)計(jì)曲線圖（H(HLH2L)薄膜的色散及色散補(bǔ)償群速度的色散光學(xué)薄膜色散（GT腔）啁啾鏡的定義、設(shè)計(jì)及制備71薄膜的色散及色散補(bǔ)償群速度的色散71群速度的色散體現(xiàn)了光波能量的信息，表征了多個(gè)頻率成分的整體（群）行為載波表征整個(gè)光波的相位信息，其傳遞速度被定義為相速度72群速度的色散體現(xiàn)了光波能量的信息，表征了多個(gè)頻率成分的整體（受介質(zhì)折射率色散的影響，含有介質(zhì)折射率的波矢

其展開式的一階系數(shù)定義為群速度延遲二階系數(shù)定義為群速度色散通常情況下，利用下式表示對(duì)位相的整體關(guān)注：GDGDDTOD73受介質(zhì)折射率色散的影響，含有介質(zhì)折射率的波矢其展開式的一階群速度的色散高斯極限脈沖通過色散介質(zhì)的脈沖當(dāng)高斯極限脈沖通過色散介質(zhì)，會(huì)發(fā)生頻率啁啾，脈沖展寬。而鈦寶石是正色散介質(zhì)，加上自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)，在振蕩器里產(chǎn)生的光脈沖會(huì)發(fā)生上啁啾，也就是高頻成分滯后,脈沖同時(shí)被展寬。74群速度的色散高斯極限脈沖通過色散介質(zhì)的脈沖當(dāng)高斯極限脈沖通過光學(xué)薄膜的色散分析對(duì)于高反射膜，Rb=100%，令則75光學(xué)薄膜的色散分析對(duì)于高反射膜，Rb=100%，令則75GT腔的色散分析76GT腔的色散分析76GT腔的色散分析薄膜反射系數(shù)為：薄膜反射率為：反射光的相位變化：77GT腔的色散分析薄膜反射系數(shù)為：薄膜反射率為：反射光的相位變R=0.16時(shí)反射光的相位變化、群延遲時(shí)間、群延遲色散及三階色散

78R=0.16時(shí)反射光的相位變化、群延遲時(shí)間、群延遲色散及三階GT腔進(jìn)行色散補(bǔ)償實(shí)例Cr:LiSAF晶體的GDD和TOD79GT腔進(jìn)行色散補(bǔ)償實(shí)例Cr:LiSAF晶體的GDD和TOD7GT腔進(jìn)行色散補(bǔ)償實(shí)例設(shè)計(jì)的G-T鏡的膜層結(jié)構(gòu)（左圖）及對(duì)3-mmCr:LiSAF晶體的正群延遲色散進(jìn)行補(bǔ)償后剩余群延遲色散（右圖）80GT腔進(jìn)行色散補(bǔ)償實(shí)例設(shè)計(jì)的G-T鏡的膜層結(jié)構(gòu)（左圖）及對(duì)3啁啾鏡定義及分類理論設(shè)計(jì)制備結(jié)果81啁啾鏡定義及分類81啁啾鏡啁啾鏡特征在運(yùn)轉(zhuǎn)波段內(nèi)有足夠高的反射率；具有與運(yùn)轉(zhuǎn)激光相匹配的群色散延遲補(bǔ)償能力；考慮到抗激光損傷的要求，在運(yùn)轉(zhuǎn)波段內(nèi)沒有場強(qiáng)的共振吸收峰。群色散延遲和補(bǔ)償薄膜具有啁啾特性，所以稱為啁啾鏡或啁啾薄膜。82啁啾鏡啁啾鏡特征群色散延遲和補(bǔ)償薄膜具有啁啾啁啾鏡類型83啁啾鏡類型83啁啾鏡的特點(diǎn)一般啁啾鏡缺點(diǎn)：相位調(diào)制產(chǎn)生波紋、在腔內(nèi)形成較強(qiáng)的駐波場雙啁啾鏡優(yōu)點(diǎn)：在啁啾波區(qū)腔外側(cè)的反射率為零，以此來消除共振效應(yīng)和位相色散波紋本身的駐波場。雙啁啾鏡的設(shè)計(jì)思路：在單啁啾膜諧振層的外側(cè),構(gòu)筑一個(gè)寬頻帶減反射膜。耦合模理論可以給出良好的匹配條件。84啁啾鏡的特點(diǎn)一般啁啾鏡缺點(diǎn)：相位調(diào)制產(chǎn)生波紋、在腔內(nèi)形成較強(qiáng)啁啾鏡設(shè)計(jì)方法傅立葉變換法光學(xué)諧振方法非周期膜系設(shè)計(jì)方法85啁啾鏡設(shè)計(jì)方法傅立葉變換法85傅立葉變換法對(duì)于折射率按一定規(guī)律分布的薄膜，在薄膜厚度處微分反射系數(shù)：

薄膜的反射系數(shù)：傅立葉變換形式反傅立葉變換：為了實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)的高反射，薄膜必須有rugate結(jié)構(gòu)，即：86傅立葉變換法對(duì)于折射率按一定規(guī)律分布的薄膜，在薄膜厚度處微分光學(xué)諧振方法由于光學(xué)薄膜的位相特性取決于光波在薄膜中行進(jìn)的路程，所以可以利用附加共振腔的方法獲得必要的群延遲色散率。共振腔層的存在可以誘導(dǎo)光波進(jìn)入膜層內(nèi)部，通過共振腔的數(shù)目及其在膜系中的位置可以改變共振波長，因此可以調(diào)節(jié)不同級(jí)次延遲色散的大小和正負(fù)。87光學(xué)諧振方法由于光學(xué)薄膜的位相特性取決于光波在薄膜中行進(jìn)非周期膜系設(shè)計(jì)及雙啁啾88非周期膜系設(shè)計(jì)及雙啁啾88啁啾鏡制備飛秒脈沖鎖模實(shí)驗(yàn)得到的15fs脈沖89啁啾鏡制備飛秒脈沖鎖模實(shí)驗(yàn)得到的15fs脈沖89薄膜的應(yīng)力及應(yīng)力控制

薄膜應(yīng)力熱應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力多層膜應(yīng)力模型薄膜的面形控制工藝參數(shù)對(duì)薄膜應(yīng)力影響調(diào)整工藝參數(shù)控制薄膜應(yīng)力90薄膜的應(yīng)力及應(yīng)力控制薄膜應(yīng)力90薄膜應(yīng)力熱應(yīng)力若薄膜與基片間的熱膨脹系數(shù)不同或溫度在基片中不均勻分布，基片將產(chǎn)生附加變形，這種與溫度相關(guān)的變形驅(qū)動(dòng)力即為熱應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力薄膜應(yīng)力起源于薄膜生長過程中的某種結(jié)構(gòu)不完整性(如雜質(zhì)、空位、晶粒邊界、位錯(cuò)和層錯(cuò)等)、表面能態(tài)的存在以及薄膜與基片界面間的晶格錯(cuò)配91薄膜應(yīng)力熱應(yīng)力91薄膜應(yīng)力與基底彎曲(a)基片處于拉伸狀態(tài)下的薄膜(tf)自由狀態(tài)下的薄膜(b)M=Fts/292薄膜應(yīng)力與基底彎曲(a)基片處于拉伸狀態(tài)下的薄膜(tf)自由多層膜應(yīng)力模型模型假設(shè)多層膜中的膜層在平行于基底的平面上為各向同性膜層之間的界面互不相濕93多層膜應(yīng)力模型模型假設(shè)93多層膜應(yīng)力模型厚度為t的膜層沉積在基底上時(shí)，由于力及瞬時(shí)力矩的平衡作用，所產(chǎn)生的沉積應(yīng)力可表示為：其中，b為圓形基片的直徑，Ef為膜層的雙軸模量，δ為薄膜基底復(fù)合體的中性軸位置，F(xiàn)為膜層沉積所引起的基底與膜層之間的大小相等方向相反的力熱應(yīng)力為A、B兩種材料與基底之間熱應(yīng)力的和，表示為：其中EA、EB，νA、νB，αA、αB分別為材料A和材料B的彈性模量、泊松比及熱膨脹系數(shù)94多層膜應(yīng)力模型厚度為t的膜層沉積在基底上時(shí)，由于力及瞬時(shí)力矩多層膜應(yīng)力模型模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線的擬合情況95多層膜應(yīng)力模型模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線的擬合情況95工藝參數(shù)對(duì)薄膜應(yīng)力影響零應(yīng)力點(diǎn)沉積溫度對(duì)ZrO2薄膜應(yīng)力影響沉積溫度對(duì)SiO2薄膜應(yīng)力影響96工藝參數(shù)對(duì)薄膜應(yīng)力影響零應(yīng)力點(diǎn)沉積溫度對(duì)ZrO2薄膜應(yīng)力影響薄膜應(yīng)力控制沉積參數(shù)調(diào)整沉積溫度沉積速率氧分壓等薄膜后處理技術(shù)背面鍍膜退火離子刻蝕97薄膜應(yīng)力控制沉積參數(shù)調(diào)整97光學(xué)薄膜概況光學(xué)薄膜一般性質(zhì)光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞主要內(nèi)容98光學(xué)薄膜概況主要內(nèi)容98光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用光學(xué)薄膜在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用光學(xué)薄膜在顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用極紫外和軟X射線薄膜99光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用99光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用激光系統(tǒng)中對(duì)薄膜的要求光性、閾值、面形幾種主要光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜常用沉積技術(shù)電子束技術(shù)制備光學(xué)薄膜離子束輔助技術(shù)沉積光學(xué)薄膜離子束濺射技術(shù)沉積光學(xué)薄膜100光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用激光系統(tǒng)中對(duì)薄膜的要求100反射膜常規(guī)反射膜介質(zhì)反射膜金屬反射膜金屬＋介質(zhì)反射膜反射膜進(jìn)展超快系統(tǒng)中反射膜101反射膜常規(guī)反射膜101電介質(zhì)反射膜標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)奇數(shù)偶數(shù)反射率奇數(shù)偶數(shù)帶寬102電介質(zhì)反射膜標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)102金屬及金屬＋介質(zhì)反射膜金屬反射膜的反射率：利用低折射率材料，先把金屬光學(xué)常數(shù)中的虛部轉(zhuǎn)化為0，然后再鍍介質(zhì)反射膜后的反射率為：臨近金屬層的低折射率層的厚度為：103金屬及金屬＋介質(zhì)反射膜金屬反射膜的反射率：利用低折射率材料，反射膜反射率進(jìn)展104反射膜反射率進(jìn)展104超快系統(tǒng)中反射膜脈沖寬帶對(duì)反射膜性能的影響105超快系統(tǒng)中反射膜脈沖寬帶對(duì)反射膜性能的影響105增透膜常規(guī)增透膜理論矢量合成方法單波長增透寬帶增透超寬帶增透106增透膜常規(guī)增透膜理論106矢量作圖法此方法設(shè)計(jì)減反薄膜時(shí)比較直觀，其前提條件為：

膜層中無吸收層

薄膜特性可以近似的由界面處單次反射來決定。界面處振幅反射系數(shù)為：薄膜單層的位相厚度為：考慮到膜層的位相延遲，則反射系數(shù)為：107矢量作圖法此方法設(shè)計(jì)減反薄膜時(shí)比較直觀，其前提條件為：界面處符號(hào)定義及旋轉(zhuǎn)方向108符號(hào)定義及旋轉(zhuǎn)方向108單波長增透膜單層增透膜膜系結(jié)構(gòu)：A/L/G

反射率雙層增透膜膜系結(jié)構(gòu)：A/LH/G

折射率之間的關(guān)系109單波長增透膜單層增透膜雙層增透膜109增透膜三層和多層寬帶增透膜實(shí)現(xiàn)寬帶增透

層數(shù)越多，增透帶寬越大，效果越好倍頻增透膜通常用矢量法設(shè)計(jì)需要層數(shù)比增透波長數(shù)目多一多波長增透膜可用矢量法，計(jì)算機(jī)優(yōu)化更方便110增透膜三層和多層寬帶增透膜110三倍頻增透膜實(shí)例111三倍頻增透膜實(shí)例111多波長增透膜設(shè)計(jì)實(shí)例112多波長增透膜設(shè)計(jì)實(shí)例112干涉濾光片

結(jié)構(gòu)及理論分析FP腔干涉帶通濾光片的類型其它濾光片類型窄帶和超窄帶濾光片寬帶和超寬帶濾光片長通和短通截止濾光片113干涉濾光片結(jié)構(gòu)及理論分析113膜系結(jié)構(gòu)：，114膜系結(jié)構(gòu)：，114當(dāng),時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，115當(dāng),干涉濾光片干涉帶通濾光片的類型金屬濾光片：G/M2LM/G透導(dǎo)濾光片G/(HL)mHXLMXLH(LH)m/G電介質(zhì)濾光片：G/(HL)m2H(LH)m/G116干涉濾光片干涉帶通濾光片的類型116干涉濾光片的實(shí)例117干涉濾光片的實(shí)例117雙腔濾光片,膜系結(jié)構(gòu)：G/(HL)^8H2HH(LH)^8L(HL)^8H2HH(LH)^8118雙腔濾光片,膜系結(jié)構(gòu)：118薄膜的偏振和消偏振特性薄膜起偏振原因偏振分光設(shè)計(jì)棱鏡型平板型雙折射多層膜消偏振設(shè)計(jì)119薄膜的偏振和消偏振特性薄膜起偏振原因119傾斜入射起偏振實(shí)例120傾斜入射起偏振實(shí)例120兩種偏振態(tài)光波分離原因：等效導(dǎo)納發(fā)生變化正入射傾斜入射p-偏振s-偏振傾斜入射起偏振原因121兩種偏振態(tài)光波分離原因：等效導(dǎo)納發(fā)生變化正入射傾斜入射p-偏圖1，圖2分別表示入射介質(zhì)分別為空氣、玻璃（n=1.52）時(shí)不同材料的p,s光修正導(dǎo)納隨入射角度變化的情況圖1

圖2

122圖1，圖2分別表示入射介質(zhì)分別為空氣、玻璃（n=1.52）時(shí)為了對(duì)兩種不同材料滿足布儒斯特角條件，P光等效折射率必須相等：

同時(shí)由折射定律：

可以得到：

棱鏡型偏振分光設(shè)計(jì)123為了對(duì)兩種不同材料滿足布儒斯特角條件，P光等效折射率必須相等空氣中入射角度為0°時(shí)的光譜曲線空氣中入射角度為13°度時(shí)的光譜曲線棱鏡型偏振分光設(shè)計(jì)124空氣中入射角度為0°時(shí)的光譜曲線空氣中入射角度為13°度時(shí)的空氣中入射角度為13°時(shí)的光譜曲線實(shí)物圖片及光路傳輸棱鏡型偏振分光設(shè)計(jì)125空氣中入射角度為13°時(shí)的光譜曲線實(shí)物圖片及光路傳輸棱鏡型偏工作波區(qū)為：平板偏振膜126工作波區(qū)為：平板偏振膜126平板偏振膜實(shí)例127平板偏振膜實(shí)例127雙折射薄膜實(shí)現(xiàn)起偏p偏振分量膜系結(jié)構(gòu)為1.52/3HL3HL(2H2L)^112H2LH/1.0128雙折射薄膜實(shí)現(xiàn)起偏p偏振分量膜系結(jié)構(gòu)為1.52/3HL3HL薄膜消偏振設(shè)計(jì)利用入射介質(zhì)、膜層和基片組合設(shè)計(jì)利用吸收膜系實(shí)現(xiàn)消偏振分光鏡設(shè)計(jì)利用受抑全反射原理設(shè)計(jì)大角度下消偏振設(shè)計(jì)利用薄膜雙折射特性實(shí)現(xiàn)消偏振設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化程序進(jìn)行設(shè)計(jì)129薄膜消偏振設(shè)計(jì)利用入射介質(zhì)、膜層和基片組合設(shè)計(jì)129利用入射介質(zhì)、膜層和基片組合定義偏振分離量為：對(duì)于(H/2LH/2)組合，在若低折射率的值是高折射率值的三次方時(shí)，該膜層組合在該波長處無偏振分離處130利用入射介質(zhì)、膜層和基片組合定義偏振分離量為：對(duì)于(H/2吸收膜系實(shí)現(xiàn)消偏振分光鏡設(shè)計(jì)光波在介質(zhì)中的傳播是橫波，但光波在金屬中就不再是純橫波，它還有一部分是縱波，因此偏振效應(yīng)比較小，并且金屬膜的中性好，所以采用介質(zhì)-金屬-介質(zhì)消偏振膜系比全介質(zhì)消偏振薄膜具有更優(yōu)良的特性。金屬膜P偏振反射率最小值可近似表示為：純AG反射率和波長關(guān)系曲線1.52(Ag)1.52131吸收膜系實(shí)現(xiàn)消偏振分光鏡設(shè)計(jì)光波在介質(zhì)中的傳播是橫波，但光波吸收膜系實(shí)現(xiàn)消偏振分光鏡設(shè)計(jì)其次是設(shè)計(jì)Ag膜兩側(cè)得匹配膜系，銀膜兩側(cè)介質(zhì)材料相同，入射角相同，對(duì)于同一厚度的銀膜來說，介質(zhì)折射率越高，偏振效應(yīng)越小。

AG+匹配介質(zhì)反射率和波長關(guān)系曲線1.52(ZnSAgZnS)1.52132吸收膜系實(shí)現(xiàn)消偏振分光鏡設(shè)計(jì)其次是設(shè)計(jì)Ag膜兩側(cè)得匹配膜系，一般為了進(jìn)一步減少偏振效應(yīng)，需要插入中間折射率材料，比如選用MgO,MgF2材料，然后采用Needle方法進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，一個(gè)12層膜系設(shè)計(jì)結(jié)果如下（45°入射）：133一般為了進(jìn)一步減少偏振效應(yīng)，需要插入中間折射率材料，比如選用利用受抑全反射原理設(shè)計(jì)

大角度下消偏振棱鏡中單層膜的反射發(fā)生FTIR時(shí)，134利用受抑全反射原理設(shè)計(jì)

大角度下消偏振棱鏡中單層膜的反射發(fā)生設(shè)計(jì)實(shí)例d1取不同厚度值時(shí)的p,s兩種偏振光的反射率曲線(n0=2.4、n1=1.38，入射角度為45°)d1取不同厚度值時(shí)的p,s兩種偏振光的反射率曲線(n0=1.81、n1=1.46，入射角度為45°)135設(shè)計(jì)實(shí)例d1取不同厚度值時(shí)的p,s兩種偏振光的反射率曲線入射角度為45°時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)果，其中nA=n0=2.4nB=1.38入射角度為62°時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)果，其中nA=n0=1.81nB=1.46136入射角度為45°時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)果，其中nA=n0=2.4nB=雙折射薄膜消偏振設(shè)計(jì)消偏振薄膜設(shè)計(jì)思路消偏振薄膜設(shè)計(jì)實(shí)例分束薄膜截止濾光片帶通濾光片寬帶增透薄膜……137雙折射薄膜消偏振設(shè)計(jì)消偏振薄膜設(shè)計(jì)思路137正晶體光軸n0ngkikokeθ0θoθe在這種特殊情況下，兩種偏振態(tài)光波分離，且在界面均遵守Snell定律界面1界面2折射率折射角度p

:s:消偏振薄膜設(shè)計(jì)思路138正晶體光軸n0ngkikokeθ0θoθe在這種特殊情況下，如同各向同性薄膜，在消偏振分截止濾光片及帶通濾光片中經(jīng)常利用高低折射率交替膜堆

HL…H

基底H-折射率層H-折射率層L-折射率層139如同各向同性薄膜，在消偏振分截止濾光片及帶通濾光片中經(jīng)常利用正入射斜入射H-層L-層140正入射斜入射H-層L-層140對(duì)于兩種偏振態(tài)，高低折射率比值分別為：s-偏振光p-偏振光為了實(shí)現(xiàn)消偏振薄膜設(shè)計(jì)，必須滿足下列方程：因此，折射率調(diào)整須滿足：141對(duì)于兩種偏振態(tài)，高低折射率比值分別為：s-偏振光p-偏振光對(duì)于p偏振光，膜系的結(jié)構(gòu)為1.52/(HL)^15H/1.045消偏振分束薄膜H.J.Qi,R.J.Hong,K.Yi,J.D.Shao,Z.X.Fan,“Non-polarizingbeamsplitterdesign”,EurophysicsLetters,2004,67(5):859-865

142對(duì)于p偏振光，膜系的結(jié)構(gòu)為1.52/(HL)^15H/1對(duì)于s偏振光波，薄膜結(jié)構(gòu)為：1.52/0.8620H0.3698L1.3012H0.7343L1.3777H0.6182L(HL)^110.8250H1.0547L0.3934H0.4887L/1.045消偏振截止濾光片143對(duì)于s偏振光波，薄膜結(jié)構(gòu)為：1.52/0.8620H0.3對(duì)于p-偏振光，膜系為：1.52/(HL)^10H2L(HL)^10HL(HL)^10H2L(HL)^10H/1.045消偏振寬帶通濾光片144對(duì)于p-偏振光，膜系為：1.52/(HL)^10H2L對(duì)于p-偏振光，膜系為：1.52/1.5037H2.5875L2.1166H1.0280L0.9722H1.0141LH(HLHLHLH)^4H0.9442L0.8298H0.6370L/1.0H.J.Qi,R.J.Hong,K.Yi,J.D.Shao,Z.X.Fan,“Non-polarizingandpolarizingfilterdesign”,Appl.Opt.,2005,44(12):2343-2348

145對(duì)于p-偏振光，膜系為：1.52/1.5037H2.587波長分離膜（倍頻）146波長分離膜（倍頻）146短波通濾光片的實(shí)例消半波孔的短波通薄膜的制備147短波通濾光片的實(shí)例消半波孔的短波通薄膜的制備147抽運(yùn)光與輸出光的分離膜148抽運(yùn)光與輸出光的分離膜148抽運(yùn)光與輸出光的分離膜149抽運(yùn)光與輸出光的分離膜149光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用光學(xué)薄膜常用沉積技術(shù)電子束技術(shù)制備光學(xué)薄膜離子束輔助技術(shù)沉積光學(xué)薄膜離子束濺射技術(shù)沉積光學(xué)薄膜150光學(xué)薄膜在激光系統(tǒng)中的應(yīng)用光學(xué)薄膜常用沉積技術(shù)150電子束技術(shù)鍍膜室內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖及薄膜中心φ1800直徑的電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)151電子束技術(shù)鍍膜室內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖及薄膜中心φ1800直徑的電子束離子束輔助技術(shù)優(yōu)點(diǎn)提高薄膜致密性抑制薄膜內(nèi)大缺陷生成合適工藝可以提高薄膜損傷閾值152離子束輔助技術(shù)優(yōu)點(diǎn)152離子束濺射技術(shù)濺射過程三個(gè)階段離子源發(fā)射高能撞擊離子；被濺射的粒子（原子或分子）出射靶面；被濺射的粒子沉積在基片上成膜。153離子束濺射技術(shù)濺射過程三個(gè)階段153光通信薄膜類型有各類減反射膜、波帶分離膜、增益平坦濾光片(GFF)、波分復(fù)用濾光片(WDMF)和交叉波分離器(interleaver)等等光學(xué)薄膜在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用154光通信薄膜類型光學(xué)薄膜在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用154155155光通訊對(duì)薄膜濾光片的要求極端穩(wěn)定的中心波長窄的帶寬：目前200G、100G濾光片已是通用商品，50G濾光片（半寬小于±0.4nm），工藝成熟并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行高透過率：高通帶率，低通帶波紋高矩形度，高截止度，必須用多腔濾光片構(gòu)成高的環(huán)境穩(wěn)定性，膜層必須足夠致密，堆積密度約為1高溫度穩(wěn)定性，與基體的熱應(yīng)力匹配，進(jìn)行力學(xué)補(bǔ)償通帶內(nèi)的群延遲色散補(bǔ)償156光通訊對(duì)薄膜濾光片的要求156157157薄膜濾光片制備中使用技術(shù)DWDM濾光片的溫度漂移及抑止技術(shù)DWDM濾光片群延遲及群延遲色散及補(bǔ)償技術(shù)精確的膜厚控制技術(shù)158薄膜濾光片制備中使用技術(shù)158光學(xué)薄膜在顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用投影顯示系統(tǒng)分類LCD（LiquidCrystalDisplay）液晶投影顯示DLP（DigitalLightPorcessor）數(shù)字光處理投影顯示LCOS（LiquidCrystalonSilicon）硅基底上液晶投影顯示159光學(xué)薄膜在顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用投影顯示系統(tǒng)分類159LCD液晶投影顯示1、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、二向色鏡，4、反射鏡，5、X棱鏡，6、液晶光閥，7、投影透鏡160LCD液晶投影顯示1、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、二向色DLP投影顯示1、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、場透，4、色輪，5、光導(dǎo)管，6、反射鏡，7、TIR光門，8、DMD芯片，9、投影鏡頭161DLP投影顯示1、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、場透，4、LCOS投影顯示1、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、場透鏡，4、二向色鏡，5、折疊反射鏡，6、偏振分束鏡，7、LCOS面板，8、X棱鏡，9、投影鏡頭162LCOS投影顯示1、冷光片，2、紫外紅外濾光片，3、場透鏡，投影系統(tǒng)中需要的薄膜元件LCD冷光鏡、紫外紅外濾光片、折疊反射鏡、二向色鏡、偏振分束鏡、X-cube、減反射膜DLP冷光鏡、紫外紅外濾光片、折疊反射鏡、光導(dǎo)管、色輪、TIR棱鏡、減反射膜LCOS冷光鏡、紫外紅外濾光片、折疊反射鏡、二向色鏡、偏振分束鏡、X-cube、減反射膜163投影系統(tǒng)中需要的薄膜元件LCD163投影系統(tǒng)中的關(guān)鍵薄膜元件偏振與消偏振分束膜光導(dǎo)管用寬角度寬光譜反射膜高性能顏色濾光164投影系統(tǒng)中的關(guān)鍵薄膜元件偏振與消偏振分束膜164激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞光學(xué)薄膜的本征吸收光學(xué)薄膜的駐波場和溫度場光學(xué)薄膜的缺陷破壞光學(xué)薄膜的非線性吸收及熱力破壞光學(xué)薄膜激光破壞閾值的測量165激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞光學(xué)薄膜的本征吸收165激光對(duì)光學(xué)薄膜損傷的基本過程激光對(duì)光學(xué)薄膜的損傷過程包含了激光作用的光學(xué)力學(xué)過程、場擊穿過程等，但最基本的還是熱過程，光通過本征吸收、雜質(zhì)吸收和非線性吸收轉(zhuǎn)化為熱，由熱熔融或熱力耦合導(dǎo)致薄膜的最終損傷。166激光對(duì)光學(xué)薄膜損傷的基本過程激光對(duì)光學(xué)薄膜的光學(xué)薄膜的本征吸收設(shè)激光強(qiáng)度是高斯分布，則a為高斯半徑，時(shí)間為瞬間作用時(shí)，薄膜溫升：

I0和J0分別是x=0,r=0時(shí)的功率密度和能量密度，Dt為熱擴(kuò)散長度，α為吸收系數(shù)。對(duì)于一般材料,α=2πκ/λ.167光學(xué)薄膜的本征吸收設(shè)激光強(qiáng)度是高斯分布，則a為高斯半徑，時(shí)間光學(xué)薄膜中的駐波場和溫度場增透膜、反射膜、偏振膜、帶通濾光片的駐波場單層膜、增透膜、反射膜的界面溫度變化干涉濾光片的帶內(nèi)、帶外溫度場的變化168光學(xué)薄膜中的駐波場和溫度場增透膜、反射膜、偏振膜、帶通濾光片增透膜駐波場169增透膜駐波場169反射膜駐波場170反射膜駐波場170偏振膜駐波場171偏振膜駐波場171濾光片帶內(nèi)、外駐波場雙腔窄帶干涉濾光片的駐波場模擬172濾光片帶內(nèi)、外駐波場雙腔窄帶干涉濾光片的駐波場模擬172單層膜的溫度場研究表面吸附層厚度對(duì)TiO2單層膜溫度場分布的影響表面吸附層消光系數(shù)對(duì)TiO2單層膜溫度場分布的影響173單層膜的溫度場研究表面吸附層厚度對(duì)TiO2單層膜溫度場分布的高反射膜界面溫度研究

不考慮表面及界面吸收的溫度場考慮界表面吸附、界面吸收的溫度場174高反射膜界面溫度研究不考慮表面及界面吸收的溫度場考慮界表面濾光片帶內(nèi)、外溫度場變化175濾光片帶內(nèi)、外溫度場變化175光學(xué)薄膜的缺陷破壞缺陷是薄膜結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的成分，從幾何形態(tài)上看，缺陷可以是空洞和結(jié)瘤，從其功能上看，應(yīng)包括：結(jié)構(gòu)缺陷、雜質(zhì)缺陷、化學(xué)缺陷、力學(xué)缺陷、電致缺陷等。鑒于缺陷的組分形狀千變?nèi)f化，所以處理起來相當(dāng)困難，對(duì)于雜質(zhì)缺陷一般理解為吸收缺陷，為了便于處理把吸收缺陷當(dāng)作小球處理。

176光學(xué)薄膜的缺陷破壞缺陷是薄膜結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的成分，從幾光學(xué)薄膜的缺陷破壞雜質(zhì)熱傳導(dǎo)方程的精確解

其中從以上方程可以看出，由雜質(zhì)吸收引起的薄膜溫升與激光的強(qiáng)度分布、雜質(zhì)吸收截面和激光脈沖寬度密切相關(guān)，從薄膜破壞角度出發(fā)更關(guān)心r=a附近的溫升，當(dāng)該處溫升達(dá)到臨界溫度Tc時(shí)，對(duì)應(yīng)的激光能量Itl為薄膜的破壞閾值。

177光學(xué)薄膜的缺陷破壞雜質(zhì)熱傳導(dǎo)方程的精確解其中從以上雜質(zhì)缺陷的急劇加熱可能發(fā)展成熱爆炸過程，這個(gè)過程從缺陷內(nèi)部發(fā)生，在缺陷迅速升溫到數(shù)千度的高溫時(shí)，雜質(zhì)材料急劇氣化并形成很大的內(nèi)壓強(qiáng)，這種爆炸力向薄膜的外層發(fā)展，首先使膜層隆起繼而把膜層沖掉形成破坑，并在破坑的周邊形成波浪式力學(xué)波。雜質(zhì)缺陷不僅是直接熱源，而且還是非線性過程的薄弱環(huán)節(jié)，缺陷區(qū)域是初始電子易于發(fā)射的區(qū)域，這些電子構(gòu)成雪崩離化的初始電子從而大大降低薄膜的擊穿閾值。光學(xué)薄膜的缺陷破壞178雜質(zhì)缺陷的急劇加熱可能發(fā)展成熱爆炸過程，這個(gè)光學(xué)薄膜的缺陷破壞179光學(xué)薄膜的缺陷破壞179結(jié)瘤缺陷在薄膜破壞中的作用

結(jié)瘤缺陷是由于基體表面或薄膜內(nèi)部存在某種種子源。薄膜在種子上繼續(xù)沉積而形成的，它在薄膜內(nèi)部形成一個(gè)錐體，在薄膜表面形成凸起，錐體的形狀和取向，凸起的高低與形態(tài)與種子源密切相關(guān)，也與沉積工藝和沉積條件有關(guān)。180結(jié)瘤缺陷在薄膜破壞中的作用結(jié)瘤缺陷是由于基體

結(jié)瘤缺陷一個(gè)重要的作用就是改變激光在結(jié)瘤區(qū)內(nèi)及其周圍的場分布，在薄膜吸收不變的條件下，激光場的局部加強(qiáng)導(dǎo)致局部吸收增加，局部吸收增加導(dǎo)致局部溫度上升，劇烈的溫度梯度又導(dǎo)致薄膜內(nèi)應(yīng)力的增加，這種應(yīng)力與薄膜幾何畸變引起的附加應(yīng)力是形成薄膜破壞的重要因素。結(jié)瘤缺陷在薄膜破壞中的作用181結(jié)瘤缺陷一個(gè)重要的作用就是改變激光在結(jié)瘤區(qū)內(nèi)結(jié)瘤缺陷在薄膜破壞中的作用激光場分布的畸變函蓋了以下幾方面因素薄膜膜層形變，引起結(jié)瘤內(nèi)駐波場分布的變化結(jié)瘤與薄膜連接的部分嚴(yán)重的幾何變形導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域激光場的分布變化凸起的結(jié)瘤形成一個(gè)微透鏡，光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生聚焦強(qiáng)區(qū)從薄膜的應(yīng)力出發(fā)，薄膜在結(jié)瘤區(qū)由幾何形變產(chǎn)生應(yīng)力，而激光作用下，由于巨大的溫度梯度又產(chǎn)生熱致內(nèi)應(yīng)力，薄膜在激光作用下的應(yīng)力發(fā)展應(yīng)該是形變應(yīng)力與熱致應(yīng)力之和。182結(jié)瘤缺陷在薄膜破壞中的作用激光場分布的畸變函蓋了以下幾方面因光學(xué)薄膜非線性吸收及熱力破壞雪崩擊穿破壞多光子吸收破壞光學(xué)薄膜的熱力破壞183光學(xué)薄膜非線性吸收及熱力破壞雪崩擊穿破壞183雪崩擊穿雪崩擊穿的物理過程：由多光子離化的等多種過程。在薄膜內(nèi)產(chǎn)生少量的初始電子，在被聲子散射延遲的激光作用下，在導(dǎo)帶中運(yùn)動(dòng)加速到閾值能量εi，迅速產(chǎn)生光離化，從薄膜材料的價(jià)帶中激發(fā)次級(jí)電子進(jìn)入導(dǎo)帶底部，該電子交出相應(yīng)的能量后,也下落到導(dǎo)帶底部。位于導(dǎo)帶底部的電子再從激光中獲取能量，如此周而復(fù)始使電子密度雪崩式的增加，最終達(dá)到足夠高的電子密度，通過焦耳熱摧毀晶格。184雪崩擊穿雪崩擊穿的物理過程：由多光子離化的等多光子吸收多光子吸收系數(shù)多光子躍遷速率W185多光子吸收多光子吸收系數(shù)多光子躍遷速率W185光學(xué)薄膜的熱力破壞

熱力過程可由熱力耦合方程描述

ur表示位移量，αk為熱膨脹系數(shù)，為泊松比186光學(xué)薄膜的熱力破壞熱力過程可由熱力耦合方程描述ur表示位光學(xué)薄膜的熱力破壞熱爆炸模型

線性熱彈模型

E為楊式模量，為泊松比，i和h分別代表雜質(zhì)和基質(zhì)

內(nèi)破壞機(jī)制

187光學(xué)薄膜的熱力破壞熱爆炸模型187光學(xué)薄膜激光損傷測試技術(shù)激光損傷閾值測試規(guī)范ISO11254-1.2“Lasersandlaser-relatedequipment—Determinationoflaserinduceddamagethresholdofopticalsurface”(2000)“Laserinduceddamagethresholdandcertificationproceduresofopticalmaterials”NASAreferencepublication1395(1997)結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)188光學(xué)薄膜激光損傷測試技術(shù)激光損傷閾值測試規(guī)范188其他要求（穩(wěn)定性，監(jiān)控等）聚焦系統(tǒng)光斑高斯直徑1～1.25mm透鏡口徑是光斑尺寸的6倍透鏡最小的f數(shù)為50激光輸出能量較小時(shí)可適當(dāng)?shù)目s小光斑，但不得小于0.4mm光學(xué)薄膜激光損傷測試技術(shù)189其他要求（穩(wěn)定性，監(jiān)控等）光學(xué)薄膜激光損傷測試技術(shù)189損傷測試的重要概念損傷定義靶面光斑有效面積高斯半徑測試方法1-on-1,s-on-1,r-on-1,n-on-1損傷閾值的確定50％損傷幾率閾值0％損傷幾率閾值190損傷測試的重要概念損傷定義190激光損傷閾值測試標(biāo)準(zhǔn)裝置

191激光損傷閾值測試標(biāo)準(zhǔn)裝置191其他測試方法S-on-1基本與1-on-1相同維持恒定的能量密度重視功能上的意義，即用功能性損傷閾值衡量R-on-1能量以斜坡方式遞增預(yù)處理效果N-on-1R-on-1方法的簡化192其他測試方法S-on-1192實(shí)驗(yàn)裝置建立及參數(shù)測量

193實(shí)驗(yàn)裝置建立及參數(shù)測量193光斑尺寸的測量相紙削波成像法刀口掃描法科學(xué)CCD成像法194光斑尺寸的測量相紙削波成像法194激光薄膜光熱測量表面熱透鏡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：大光斑探測光的引入而使表面熱透鏡技術(shù)更易于優(yōu)化、調(diào)節(jié)信號(hào)，測量的準(zhǔn)確度和可重復(fù)率得到了提高，而同時(shí)保持了光熱偏轉(zhuǎn)方法的靈敏度；通過使用CCD作為探測器件或使用針孔光電探測器可反演獲得整個(gè)表面變形區(qū)域的形狀分布，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)值擬合可得出樣品的光學(xué)、熱學(xué)以及機(jī)械性能，通過高度聚焦抽運(yùn)光，表面熱透鏡技術(shù)可以做徑向分辨的樣品吸收?qǐng)D譜，這對(duì)研究強(qiáng)激光薄膜是十分有利的。修正的表面熱透鏡技術(shù)(背向反射式)有巨大的潛力獲得高空間分辨率，借助于近場光學(xué)技術(shù)，抽運(yùn)光可以聚焦至納米量級(jí)。195激光薄膜光熱測量表面熱透鏡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：195激光薄膜光熱測量

表面熱透鏡光熱顯微鏡196激光薄膜光熱測量表面熱透鏡光熱顯微鏡196光熱顯微成像雜質(zhì)、缺陷的分析

高反射膜的光熱顯微像（全部像區(qū)的尺寸為2.4mm×2.4mm）197光熱顯微成像雜質(zhì)、缺陷的分析高反射膜的光熱顯微像197總結(jié)光學(xué)薄膜概況光學(xué)薄膜一般性質(zhì)光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞198總結(jié)光學(xué)薄膜概況198謝謝大家

歡迎大家積極討論199謝謝大家

歡迎大家積極討論199范正修

2006年10月26日光學(xué)薄膜及其應(yīng)用200范正修2006年10月26日光學(xué)薄膜及其應(yīng)用1主要內(nèi)容薄膜概況光學(xué)薄膜一般性質(zhì)光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用光學(xué)薄膜的激光損傷201主要內(nèi)容薄膜概況2主要內(nèi)容光學(xué)薄膜概況光學(xué)薄膜一般性質(zhì)光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞202主要內(nèi)容光學(xué)薄膜概況3薄膜概況研究領(lǐng)域薄膜物理薄膜化學(xué)薄膜材料薄膜力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域光學(xué)薄膜電學(xué)薄膜半導(dǎo)體薄膜磁性薄膜生物薄膜203薄膜概況研究領(lǐng)域4薄膜光學(xué)形成發(fā)展歷史17世紀(jì)中期，“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（RobertBoyleandRobertHooke）1801ThomasYong引入光波干涉原理1816Fresnel發(fā)現(xiàn)了光波偏振特性,結(jié)合Yong干涉理論及Huygens的子波傳播理論形成了光波衍射理論1817Fraunhofer制成了第一塊減反薄膜1873Maxwell提出了Maxwell方程（ATreatiseonElectricityandMagnetism）204薄膜光學(xué)形成發(fā)展歷史17世紀(jì)中期，“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（Ro1886Rayleigh證實(shí)了Fresnel反射定律1899Fabry-Perot干涉儀1932Rouard發(fā)現(xiàn)金屬薄膜可以增加外部反射、降低內(nèi)部反射1934Bauer用鹵化物制備了減反薄膜1934Pfund用ZnS為Michelson干涉儀制備分束鏡1939Geffcken制備了金屬－介質(zhì)干涉濾光片2051886Rayleigh證實(shí)了Fresnel反射定律6光學(xué)薄膜概況薄膜特點(diǎn)干涉原理，相干相長與相干相消重要性“有光就有膜”涉及生活方方面面，如眼鏡，裝飾膜等，投影系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)，大型激光裝置等面臨問題涉及到薄膜制備的各個(gè)方面，如可用材料少，材料特性可控程度不高，仍不能任意設(shè)計(jì)光性曲線，可用沉積技術(shù)少，沉積過程控制水平不高等；206光學(xué)薄膜概況薄膜特點(diǎn)7主要內(nèi)容薄膜概況光學(xué)薄膜一般性質(zhì)光學(xué)薄膜在一些光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用激光對(duì)光學(xué)薄膜的破壞207主要內(nèi)容薄膜概況8光學(xué)薄膜一般性質(zhì)理想光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜吸收及散射折射率不均勻性和折射率漸變薄膜薄膜的各向異性和雙折射薄膜薄膜的偏振和消偏振特性208光學(xué)薄膜一般性質(zhì)理想光學(xué)薄膜9薄膜的相位及位相薄膜等效折射率、等效導(dǎo)納和等效界面薄膜的色散及色散補(bǔ)償薄膜的應(yīng)力及應(yīng)力控制209薄膜的相位及位相薄膜10理想光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜改變光束切向方向－薄膜波導(dǎo)改變光束法向方向－光學(xué)薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜薄膜波導(dǎo)210理想光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜355nm1064nm增透薄膜高反射薄膜理想光學(xué)薄膜薄膜光性計(jì)算方法等效界面法矩陣法等效界面法211理想光學(xué)薄膜薄膜光性計(jì)算方法等效界面法12矩陣法＝界面的透射及反射系數(shù)：第一個(gè)界面處的電場關(guān)系：薄膜內(nèi)部的電場關(guān)系：薄膜內(nèi)部電場方向符號(hào)表示212矩陣法＝界面的透射及反射系數(shù)：第一個(gè)界面處的電場關(guān)系：薄膜內(nèi)依次類推：=矩陣法設(shè)：,則可以得到：213依次類推：=矩陣法設(shè)：,則可以得到：14光學(xué)薄膜吸收材料吸收共振吸收單光子吸收自由電子吸收雜質(zhì)吸收色心吸收聲子吸收多光子吸收214光學(xué)薄膜吸收材料吸收15光學(xué)薄膜吸收折射率由實(shí)數(shù)變?yōu)閺?fù)數(shù)：折射角由實(shí)數(shù)變?yōu)閺?fù)數(shù)：等效導(dǎo)納由實(shí)數(shù)變?yōu)閺?fù)數(shù)；反射系數(shù)和透射系數(shù)…..膜層厚度引起的位相差…..215光學(xué)薄膜吸收折射率由實(shí)數(shù)變?yōu)閺?fù)數(shù)：16光學(xué)薄膜吸收反射系數(shù)透射系數(shù)216光學(xué)薄膜吸收反射系數(shù)17勢(shì)透過率與薄膜吸收損耗勢(shì)透過率反射率透射率吸收率217勢(shì)透過率與薄膜吸收損耗勢(shì)透過率18光學(xué)薄膜的散射光學(xué)薄膜的表面散射光學(xué)薄膜的體散射218光學(xué)薄膜的散射光學(xué)薄膜的表面散射19光學(xué)薄膜的表面散射表面統(tǒng)計(jì)參量均方根粗糙度（RMS）相關(guān)長度高度分布函數(shù)自協(xié)方差函數(shù)（ACF）表面散射處理方法標(biāo)量理論－散射總損耗問題矢量理論－研究散射的角分布219光學(xué)薄膜的表面散射表面統(tǒng)計(jì)參量20光學(xué)薄膜的表面散射散射引起界面反射及透射系數(shù)變化220光學(xué)薄膜的表面散射散射引起界面反射及透射系數(shù)變化21光學(xué)薄膜的體散射體散射的貢獻(xiàn)與薄膜的吸收類似存在散射薄膜的位相厚度界面起伏引起的厚度變化體散射等效的吸收221光學(xué)薄膜的體散射體散射的貢獻(xiàn)與薄膜的吸收類似界面起伏引起的厚多層膜散射特性理想多層薄膜上述參數(shù)利用散射薄膜的相應(yīng)值替換222多層膜散射特性理想多層薄膜上述參數(shù)利用散射薄膜的相應(yīng)值替換2光學(xué)薄膜的分層界面散射模型223光學(xué)薄膜的分層界面散射模型24不同RMS粗糙度條件下玻璃基片的Rs和TIS變化曲線計(jì)算實(shí)例224不同RMS粗糙度條件下玻璃基片的Rs和TIS變化曲線計(jì)算實(shí)例梯度折射率薄膜光學(xué)薄膜通常具有折射率漸變性質(zhì)利用折射率漸變?cè)O(shè)計(jì)并制備新型薄膜225梯度折射率薄膜光學(xué)薄膜通常具有折射率漸變性質(zhì)26梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜內(nèi)電磁場傳輸由解微分方程可得到電磁波在非均勻介質(zhì)中的傳輸狀況，但是解微分方程的方法主要決定于折射率漸變的函數(shù)，只有在某些情況下才能精確解。

226梯度折射率薄膜梯度折射率薄膜內(nèi)電磁場傳輸由解微分方程可得到電梯度折射率薄膜設(shè)計(jì)方法薄膜特征矩陣法傅立葉合成法計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)227梯度折射率薄膜設(shè)計(jì)方法薄膜特征矩陣法28梯度折射率膜的應(yīng)用

利用GLAD技術(shù)制備的寬帶增透薄膜228梯度折射率膜的應(yīng)用利用GLAD技術(shù)制備的寬帶增透薄膜梯度折射率膜的應(yīng)用Rugate小波函數(shù)折射率曲線及光譜特性229梯度折射率膜的應(yīng)用Rugate小波函數(shù)折射率曲線及光譜特性3梯度折射率膜的應(yīng)用紅色濾光片折射率隨厚度變化圖和0°入射時(shí)膜層透過率曲線圖230梯度折射率膜的應(yīng)用紅色濾光片折射率隨厚度變化圖和0°入射時(shí)膜薄膜的各向異性和雙折射薄膜各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu)雙折射薄膜理論分析雙折射薄膜生長過程模擬雙折射薄膜實(shí)驗(yàn)制備及光學(xué)特性分析231薄膜的各向異性和雙折射薄膜各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu)32各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu)1995年，Robbie小組最早利用GLAD技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的MgF2“雕塑”薄膜，并用掃描電鏡觀察到薄膜的螺旋結(jié)構(gòu)K.Robbie,M.J.Brett,A.Lakhtakia."Firstthinfilmrealizationofahelicoidalbianisotropicmedium",J.Vac.Sci.TechnolA,Vol.13:2991(1995)雕塑薄膜的制備示意圖232各向異性薄膜的微結(jié)構(gòu)1995年，Robbie小組最早利用GL雙折射薄膜理論分析介電常數(shù)變?yōu)榻殡姀埩侩p折射結(jié)構(gòu)二維理論模型雙折射結(jié)構(gòu)三維理論模型雙折射薄膜界面特性分析雙折射薄膜的電場傳輸特性分析233雙折射薄膜理論分析介電常數(shù)變?yōu)榻殡姀埩?4雙折射結(jié)構(gòu)二維理論模型表示不同的入射方向，傾斜柱表示薄膜的柱狀方向S偏振光的有效介電常數(shù)入射角無關(guān)的物理量，取決于柱狀結(jié)構(gòu)的方向等參量。但是P偏振光與入射方向及柱狀結(jié)構(gòu)的方向有關(guān)，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到P偏振光折射率的解析形式。WANGJian-Guo,SHAOJian-Da,FANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~223234雙折射結(jié)構(gòu)二維理論模型表示不同的入射方向，傾斜柱表雙折射結(jié)構(gòu)三維理論模型傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的三維示意圖，其中，d為薄膜厚度(或光柵凹槽深度)；Λx,y為x軸和y軸方向的光柵周期；Lx,y是x方向和y方向光柵脊的寬度傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的截面示意圖，其中為柱狀角的方向WANGJian-Guo,SHAOJian-Da,andFANZheng-Xiu,ChinesePhysicsLetters,2005,22(1):221~223235雙折射結(jié)構(gòu)三維理論模型傾斜柱狀結(jié)構(gòu)薄膜的三維示意圖，其中，d雙折射薄膜界面特性分析

雙折射特性增加光波在界面?zhèn)鬏數(shù)膹?fù)雜性即使對(duì)單軸雙折射薄膜，同樣存在不同于各向同性界面的傳輸行為同側(cè)折射236雙折射薄膜界面特性分析雙折射特性增加光波在界面?zhèn)鬏數(shù)膹?fù)雜性雙折射薄膜的電場傳輸特性分析非常波在各向同性介質(zhì)與各向異性介質(zhì)界面處的入射波、反射波和折射波的示意圖

非常光波在雙折射薄膜內(nèi)部正向及反向傳播的波矢及光線方向示意圖

237雙折射薄膜的電場傳輸特性分析非常波在各向同性介質(zhì)與各向異性介雙折射薄膜界面同側(cè)折射在雙折射薄膜與入射介質(zhì)界面產(chǎn)生同側(cè)折射現(xiàn)象時(shí)對(duì)應(yīng)的范圍隨入射角度的變化關(guān)系光線在兩個(gè)沿光軸成45度角切割的具有正折射率的單軸晶體界面出現(xiàn)的同側(cè)折射現(xiàn)象Y.Zhang,B.Fluegel,A.Mascarenhas,Phys.Rev.Lett.91,157404(2003)H.J.Qi,J.G.Wang,J.D.Shao,Z.X.Fan,ScienceinChina,Ser.G,2005,48(5):513~520

238雙折射薄膜界面同側(cè)折射在雙折射薄膜與入射介質(zhì)界面產(chǎn)生同側(cè)折射雙折射薄膜的電場傳輸特性分析垂直入射條件下雙折射薄膜界面及內(nèi)部正向及反向傳播的電場示意圖各向同性薄膜特征矩陣其中，對(duì)于p偏振光，對(duì)于s偏振光，239雙折射薄膜的電場傳輸特性分析垂直入射條件下雙折射薄膜界面及內(nèi)利用電磁場切向連續(xù)條件，可以得到：其矩陣形式為：特征矩陣同樣，上述結(jié)果可以推廣到多層薄膜H.J.Qi,D.P.Zhang,J.D.ShaoandZ.X.Fan.“Matrixanalysisofanisotropicopticalthinfilm”,EurophysicsLetters,2005,70(2):257~263

240利用電磁場切向連續(xù)條件，可以得到：其矩陣形式為：特征矩陣同樣Zig-Zag生長的MonteCarlo模擬

薄膜生長簡化模型無邊沿粘附、無擴(kuò)散有邊沿粘附、無擴(kuò)散有邊沿粘附、有擴(kuò)散入射粒子傾斜引入對(duì)稱改變?nèi)肷浣嵌攘Ｗ釉谝痪S晶格上沉積及吸附示意圖，可能的吸附位置用(a~d)表示擴(kuò)散粒子最近鄰位置示意圖及編號(hào)241Zig-Zag生長的MonteCarlo模擬薄膜生長簡不同沉積溫度下束流入射角為60o時(shí)薄膜模擬結(jié)果H.J.Qi,J.D.Shao,D.P.Zhang,K.Yi,Z.X.Fan,AppliedSurfaceScience(Accepted)

242不同沉積溫度下束流入射角為60o時(shí)薄膜模擬結(jié)果H.J.Q夾具運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制示意圖

王建國,

邵建達(dá),

范正修.夾具三維運(yùn)動(dòng)控制裝置,

發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200410018497.6

王建國,邵建達(dá),

范正修.鍍膜夾具的計(jì)算機(jī)控制裝置，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200410084247.2雙折射薄膜實(shí)驗(yàn)制備及分析243夾具運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制示意圖王建國,

邵建達(dá),

范正修.夾具

(a)α=60o（b）α=80o不同角度制備ZrO2薄膜的SEM結(jié)構(gòu)α=60o時(shí),β=33o；α=80o時(shí),β=45oZrO2薄膜結(jié)構(gòu)與光性分析244(a)α=60o

不同基片旋轉(zhuǎn)速度制備的ZrO2薄膜的SEM結(jié)構(gòu)(a)0rpm;(b)0.14rpm;(c)1.08rpm;(d)17.3rpm(a)(d)(b)(c)柱體直徑在30～50nm之間245不同基片旋轉(zhuǎn)速度制備的ZrO2薄膜的SEM結(jié)構(gòu)(a)(d(a)(b)(c)(d)TiO2薄膜斷面SEM結(jié)構(gòu)(a)α=60o(b)α=70o(c)α=75o(d)α=80oTiO2薄膜結(jié)構(gòu)與光性分析246(a)(b)(c)(d)TiO2薄膜斷面SEM結(jié)構(gòu)TiO2(a)(b)(c)(d)GLADTiO2薄膜的表面SEM結(jié)構(gòu),(a)α=60o;(b)α=70o;(c)α=75o;(d)α=80o;內(nèi)插圖為表面結(jié)構(gòu)的FFT變換。兩個(gè)耳朵的形貌表明GLAD表面具有各向異性的結(jié)構(gòu)。247(a)(b)(c)(d)GLADTiO2薄膜的表

TiO2薄膜：沉積角度為75o，基片的旋轉(zhuǎn)速度分別為:(a)0.135rpm(b)1.08rpm(c)17.3rpm(a)(b)(c)248TiO2薄膜：沉積角度為75o，基片的旋位相延遲膜定義及應(yīng)用背景分類設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果249位相延遲膜定義及應(yīng)用背景50反射式相位延遲器能對(duì)入射偏振光的p,s分量的相位發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一定的相移，但是并不影響其高的反射率。相位延遲器（QWR）對(duì)每個(gè)波長在主角范圍內(nèi)，均能獲得相移，即對(duì)入射線偏振光產(chǎn)生相位變化，把線偏振光變成圓偏振光，反之亦然。在具有波片功能的同時(shí)，還可用作光束相移轉(zhuǎn)向器件及光束相移平移器件。位相延遲膜250反射式相位延遲器能對(duì)入射偏振光的p,s分量位相延遲膜角立方反射鏡：利用光束在3塊空間互成54.7°的反射鏡的表面3次反射，反射光偏振態(tài)的變化而獲得相位延遲。外反射式相位延遲器：利用不同偏振態(tài)光在不同厚度的膜層相位變化而獲得相位延遲。全內(nèi)反射式相位延遲器：利用光的全內(nèi)反射原理以及不同偏振態(tài)光穿透深度不同而調(diào)節(jié)相位延遲。251位相延遲膜角立方反射鏡：52入射角為54°,270°相位延遲膜的透射率和相移特性全介質(zhì)層相位延遲膜設(shè)計(jì)與制備252入射角為54°,270°相位延遲膜的透射率和相移特性全介質(zhì)入射角為45°,全介質(zhì)層相位延遲膜的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測量與擬合曲線（該樣品的在1315nm處相移為267.5°，與設(shè)計(jì)要求的僅相差2.5°）全介質(zhì)層相位延遲膜設(shè)計(jì)與制備253入射角為45°,全介質(zhì)層相位延遲膜的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測量與擬合曲線雙波段相位延遲膜設(shè)計(jì)的光譜特性和相移特性曲線在632.8nm需要達(dá)到85％左右的反射率，相對(duì)于相移在設(shè)計(jì)光譜范圍內(nèi)的振蕩增大。雙反射帶相位延遲膜的設(shè)計(jì)與制備254雙波段相位延遲膜設(shè)計(jì)的光譜特性和相移特性曲線在632.8nm雙波段相位延遲膜的測試的光譜特性和相移特性曲線樣品在1315nm處的相移值為267.2°，僅與設(shè)計(jì)值相差2.8°255雙波段相位延遲膜的測試的光譜特性和相移特性曲線樣品在13單層膜的相位延遲

寬波段相位延遲膜的設(shè)計(jì)256單層膜的相位延遲寬波段相位延遲膜的設(shè)計(jì)57等效折射率、等效導(dǎo)納和等效界面等效折射率、導(dǎo)納和界面概念等效折射率理論推導(dǎo)257等效折射率、等效導(dǎo)納和等效界面等效折射率、導(dǎo)納和界面概念58等效折射率對(duì)稱膜系pqp的矩陣推導(dǎo)單層膜的特征矩陣：258等效折射率對(duì)稱膜系pqp的矩陣推導(dǎo)單層膜的特征矩陣：5925960等效折射率對(duì)于一個(gè)對(duì)稱周期膜系(PQP)S若若是有條件的，該條件正好對(duì)應(yīng)截止區(qū)與透射區(qū)的分界線260等效折射率對(duì)于一個(gè)對(duì)稱周期膜系(PQP)S若若是有條件的，26162禁帶區(qū)透射區(qū)262禁帶區(qū)透射區(qū)63等效折射率性質(zhì)263等效折射率性質(zhì)64等效折射率應(yīng)用－波紋壓縮(0.5LH0.5L)^4膜系產(chǎn)生的波紋264等效折射率應(yīng)用－波紋壓縮(0.5LH0.5L)^4膜系產(chǎn)波紋壓縮方法選取適當(dāng)?shù)慕M合膜，使其通帶內(nèi)的等效折射率與基片相接近改變基本