【正文】 57~263 42 ZigZag生長(zhǎng)的 Monte Carlo 模擬 ?薄膜生長(zhǎng)簡(jiǎn)化模型 ?無(wú)邊沿粘附、無(wú)擴(kuò)散 ?有邊沿粘附、無(wú)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? 粒子在一維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) 43 不同沉積溫度下束流入射角為 60186。 入射時(shí)膜層透過(guò)率曲線圖 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) ?雙折射薄膜理論分析 ?雙折射薄膜生長(zhǎng)過(guò)程模擬 ?雙折射薄膜實(shí)驗(yàn)制備及光學(xué)特性分析 33 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.First thin film realization of a helicoidal bianisotropic medium , J. Vac. Sci. Technol A, :2991 (1995) 雕塑薄膜的制備示意圖 34 雙折射薄膜理論分析 ?介電常數(shù)變?yōu)榻殡姀埩? ?雙折射結(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(chǎng)傳輸特性分析 35 雙折射結(jié)構(gòu)二維理論模型 s? 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(wú)關(guān)的物理量，取決于柱狀結(jié)構(gòu)的方向等參量。1 范正修 2022年 10月 26日 光學(xué)薄膜及其應(yīng)用 2 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 3 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 4 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 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)（ Robert Boyle and Robert Hooke） ? 1801 Thomas Yong引入光波干涉原理 ? 1816 Fresnel 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 ? 1817 Fraunhofer制成了第一塊減反薄膜 ? 1873 Maxwell提出了 Maxwell方程（ A Treatise on Electricity and Magism） 6 ? 1886 Rayleigh 證實(shí)了 Fresnel反射定律 ? 1899 FabryPerot 干涉儀 ? 1932 Rouard發(fā)現(xiàn)金屬薄膜可以增加外部反射、降低內(nèi)部反射 ? 1934 Bauer用鹵化物制備了減反薄膜 ? 1934 Pfund用 ZnS為 Michelson干涉儀制備分束鏡 ? 1939 Geffcken制備了金屬－介質(zhì)干涉濾光片 7 光學(xué)薄膜概況 ?薄膜特點(diǎn) ?干涉原理，相干相長(zhǎng)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(wèn)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(guò)程控制水平不高等； 8 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 9 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 10 ?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 11 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 355nm 1064nm 增透薄膜 高反射薄膜 薄膜波導(dǎo) 12 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 13 矩陣法 00EE??10100 nnnnr???10002nnnt???????? 111000 rrt ????????11EE111 1 2 2iiE e E e E E???? ? ? ?? ? ?＝ 界面的透射及反射系數(shù)： 第一個(gè)界面處的電場(chǎng)關(guān)系： 薄膜內(nèi)部的電場(chǎng)關(guān)系： 111 1 1 1 2 2 2 2iin E e n E e n E n E??? ? ? ? ?? ? ?薄膜內(nèi)部電場(chǎng)方向符號(hào)表示 14 依次類推： ??00EE = 1 10010 0iiiiiimi m mm iii iiiabe r e E Ecdr e et??????? ????????? ?? ??? ???? ?? ???????? ????矩陣法 aEEt m 101 ?????設(shè)： , 21 iccc ?? 21 iaaa ??則 ? ? ? ?222112212211aacacaicacar????? ? ?22111221cacacacatgr ????可以得到： ? ? ? ?? ?221 1 2 2 1 2 2 1222212a c a c a c a cRraa??? ? ??????22211aaT ??15 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 16 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 ….. njjj i C O IC O R ????c osiknn ???17 光學(xué)薄膜吸收 ?反射系數(shù) ?透射系數(shù) ?? ri??0 1 0 10 1 0 1( ) ( )( ) ( )n n i k kn n i k k? ? ??? ? ?000 1 0 12 ( )( ) ( )n ikn n i k k?? ? ?ti?? ???18 勢(shì)透過(guò)率與薄膜吸收損耗 ?勢(shì)透過(guò)率 ?反射率 ?透射率 ?吸收率 ??1TR ?? ATT?00BCRBC?????? ?????*00 ??????????CBCB??01*00R e ( )( ) ( )mT B C B C???? ?????*0*00R e ( )( ) ( )mBCAB C B C?????????19 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 20 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(zhǎng)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(wèn)題 ?矢量理論－研究散射的角分布 204~ ?????????Rs)( 00kkFgdp dp ???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 ????????? ????11!411mmgg mmgLTett ?????????? ????1 !41mmgg mmgLTerr ?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 ?存在散射薄膜的位相厚度 ? ?? ?4202330 0 3164s i n2??????? nnadIISVSV???? ?? ? ? ?)(?2 0 xzdi ISVn ???? ??? 總界面起伏引起的厚度變化 體散射等效 的吸收 23 多層膜散射特性 ?理想多層薄膜 ??????????????????????????????????? ? ????????? 0111 111001001111miijijiiiiimjjEeerereeerererrtEEjjjj?????????? ? ? ?? ? ? ?1 2 1 20 11 2 1 20 0ma i a b i bE Ec i c d i dE? ????????? ???????? ?????? ???? ??上述參數(shù)利用散射薄膜的相應(yīng)值替換 24 光學(xué)薄膜的分層界面散射模型 25 400 500 600 700 8004 . 2 3 24 . 2 3 64 . 2 4 04 . 2 4 44 . 2 4 84 . 2 5 24 . 2 5 64 . 2 6 0 ?? ??? nm ?? ??? nm ?? ??? nm ?? ??? nm ?? ??? nm Rs(%)波長(zhǎng) / n m400 500 600 700 8000 . 01 . 0 x 1 032 . 0 x 1 033 . 0 x 1 034 . 0 x 1 035 . 0 x 1 036 . 0 x 1 03 TIS波長(zhǎng) / nm ?? ??? nm ?? ??? nm ?? ??? nm ?? ??? nm ?? ??? nm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 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) ?利用折射率漸變?cè)O(shè)計(jì)并制備新型薄膜 27 梯度折射率薄膜 ?梯度折射率薄膜內(nèi)電磁場(chǎng)傳輸 ? ? ? ?22 2 l n l n 0E E E Ec? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ?22 2 l n l n 0H H H Hc? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????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。 28 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) 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 30 梯度折射率膜的應(yīng)用 0 2 4 6 8 10 12 141. 41. 61. 82. 02. 2Refractive IndexO pti c al T hi c k ness400 500 600 7000. 00. 20. 40. 60. 81. 0TransmittanceWa v el eng th(nm)Rugate小波函數(shù)折射率曲線及光譜特性 31 梯度折射率膜的應(yīng)用 0 10 20 30 401. 01. 21. 41. 61. 82. 02. 2Refractive IndexO pti c al T hi c k ness400 450 500 550 600 650 7000. 00. 20. 40. 60. 81. 0TransmittanceWa v el eng th(nm)紅色濾光片折射率隨厚度變化圖和 0176。