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1、物理光学第十七次课薄膜光学基础1第1页，共17页，编辑于2022年，星期日n1=1n2=1.596%的光透射n1=1通过两个界面后，92%的光透射 比较复杂的光学系统中光能的损失将是比较严重的，例如八个折射率为1.5的透镜并列组成的光学系统，沿着系统中轴传播的光能反射损失就大约达到48%。对于现代更加复杂的光学系统(如变焦距物镜包括十多个透镜)来说，可想而知，光能的反射损失就更严重了。所以必须消除或者减少反射。有效的解决办法就是在玻璃零件表面镀制起增透(减反射)作用的薄膜。2第2页，共17页，编辑于2022年，星期日i3dAi1i2BCDER1ER2ER3ER4E0n1n2n3ET1ET2ET
2、3ET4GF一单层膜的分光特性上表面相邻两束光的位相差：上表面各光波的复振幅为：其中，r21=-r12在无吸收的情况下3第3页，共17页，编辑于2022年，星期日i3dAi1i2BCDER1ER2ER3ER4E0n1n2n3ET1ET2ET3ET4GF下表面相邻两束光的位相差：下表面各光波的复振幅为：4第4页，共17页，编辑于2022年，星期日和透射系数：(2)单层薄膜反射率：(3)于是得到单层薄膜反射系数：(1)单层薄膜透射率：(4)由(3)和(4)式得：R+T=1 (5)上式是在薄膜无吸收的情况下的结果。5第5页，共17页，编辑于2022年，星期日在正入射的情况下，i1=i2=i3=0，则
3、有：(7)(8)(3)(1)(6)(9)6第6页，共17页，编辑于2022年，星期日n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38单层膜的 (d)曲线图7第7页，共17页，编辑于2022年，星期日(1)、n1n2n2n3)(10)(12)(11)位相厚度位相厚度(3)(13)光学厚度光学厚度 8第8页，共17页，编辑于2022年，星期日(15)(16a)(10)(14)(16b)这样的膜层称之为消反膜消反膜或增透膜增透膜。消反射条件消反射条件 9第9页，共17页，编辑于2022年，星期日n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38单层膜的 (d
4、)曲线图10第10页，共17页，编辑于2022年，星期日(2)、n1n3(或n1n2n3)(17)(18)这种膜层称为增反膜增反膜或称高反膜高反膜。(10)(11)(14)11第11页，共17页，编辑于2022年，星期日n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38单层膜的 (d)曲线图12第12页，共17页，编辑于2022年，星期日n2=3n2=2n2=1.7n2=1.23n2=1.35n2=1.38称具有这样光学厚度的薄膜为四分之一波长膜四分之一波长膜。单层膜的折射率大(小)于周围媒质的折射率时，四分之一波长膜是高反膜；单层膜的折射率处于两种周围媒质折射率之间时，四
5、分之一波长膜是增透膜。13第13页，共17页，编辑于2022年，星期日根据上面的讨论，无论单层膜的折射率大(小)于周围媒质的折射率还是处于两种周围媒质折射率之间，当薄膜是半波长膜时，反射率和不存在单层膜时的反射率相同。允许N=0仅是理论上的讨论。但N=0相当于实际上没有镀膜，所以对于半波长膜实际上N的取值应该从1开始，即最薄的膜厚(光学厚度)应该是：称具有这样光学厚度的薄膜为半波长膜半波长膜。n2=1.7n2=3n2=2n2=1.23n2=1.38n2=1.3514第14页，共17页，编辑于2022年，星期日在斜入射的情况下，入射光要分别按p偏振光和s偏振光来考虑。由第七次课的知识可知，(7)
6、式和(8)式中的nj(j=1，2，3)分别用对应的等效折射率来表示。对于s偏振光为：njcosij (j=1，2，3)对于p偏振光为：nj/cosij (j=1，2，3)在正入射的情况下，i1=i2=i3=0，则有：(7)(8)(3)(1)(6)15第15页，共17页，编辑于2022年，星期日以上是针对单层膜的讨论。但是，单层膜往往达不到特殊要求，这就要求采用多层膜，例如用双层、三层以及层数更多的膜系。进行理论分析设计的方法有很多，如递推法(鲁阿德法)、干涉矩阵法、菲涅耳系数矩阵法，瓦失切克法等等。16第16页，共17页，编辑于2022年，星期日 薄膜在现代尖端科学技术领域中有着广泛的应用，薄
7、膜有很多种类，应用于光学领域的起分光作用的薄膜称为光学薄膜光学薄膜。有关薄膜薄膜的理论和研制技术已构成现代光学的一个新的分支领域薄膜光学薄膜光学。常见的光学薄膜有金属薄膜和透明介质膜等。光学薄膜起着分光作用，不但有单层膜，更多的是多层膜，因此镀制在光学零件表面上光学薄膜本身就构成一个分系统，可简称为薄膜系统薄膜系统。根据方才的讨论可知，光学薄膜的工作原理和光学性质可以用多光束干涉理论来分析，但与法布里-珀罗干涉仪的情况不同，不但要记入第一束反射光，还要考虑薄膜两侧媒质的折射率不相同，把媒质分为入射媒质入射媒质、薄膜媒质薄膜媒质和基底媒质基底媒质三部分。本次课仅仅讲了光学薄膜的最基础知识，没有涉及薄膜光学的设计理论、工艺技术和太具体的应用，仅在物理光学的框架内，着重阐述多光束干涉理论在光学薄膜内的用途。作业：3.29、3.3017第17页，共17页，编辑于2022年，星期日