薄膜光学-全部知点问题全答版

薄膜光学：1.整部薄膜光学的物理依据就是光的干涉。研究光的本性及其传播规律的学科就是光学。研究光在薄膜中的传播规律是薄膜光学。2.列举常用的光学薄膜滤光片、反射镜镀膜镜片牛顿环3.利用薄膜可以实现的功能提高或降低反射率、吸收率与透射率方面，在使光束分开或合并方面，或者在分色方面，在使光束偏振或检偏方面，以及在使某光谱带通或阻滞方面，在调整位相方面等等，光学薄膜均起着至关重要的作用。减少反射，提高透过率；提高反射率；提高信噪比；分光或分束；保护探测器不被激光破坏，重要票据的防伪等等；4.电磁场间的关系：111HNkE光学导纳：HNNkE，这是的另一种表达式称为光学导纳坡印廷矢量（能流密度）的定义:单位时间内，通过垂直于传播方向的单位面积的能矢量S5.光在两种材料界面上的反射：0101cos,cosNprsN光：光：01010101R(p偏振光为横磁波，s偏振光为横电波)6.掌握单层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3PPT中P15-211112111sincos1sincosiBCiBC称为膜系的特征矩阵201100110200110011coscos(-)coscoscoscos(-)coscosNNpNNNNsNN偏振偏振CYB单层膜的反射系数和反射率为：000000,YYYrRYYY7.掌握多层膜的特征矩阵公式：薄膜光学3PPT中P26-298.【计算】偶数四分之一光学膜层的特征矩阵：2231222rrsrrY或奇数四分之一光学膜层的特征矩阵：222422231rrrrrsY或计算多膜层（膜层厚度为四分之一波长的整数倍）的反射率。【计算题：薄膜光学3PPT中P35】四分之一波长的光学厚度(QWOT)或二分之一波长的光学厚度(HWOT)9.单层减反膜的设计方法：【薄膜光学3PPT中P37】10.无论膜层是否有吸收，膜系的透射率与光的传播方向无关。（不需要推导）玻璃的透射率为定值，玻璃两面得反射率和吸收率可能会有不同。11.厚基片反射率和透射率的计算【薄膜光学3PPT中P52-54，不需掌握推导】222213222222431rrrrsY222213312222242rrsrrY21ababpabRRRRRRRbabababaabbabaRRTTTRRRRRRTTTTT112同理：对于透射率12.有些镀膜元件表面反射的光色彩与入射光颜色不同，主要原因在于在不同的波段元件表面对于光的反射不同。13.单层λ0／4减反膜的优缺点？双层λ0／4-λ0／4减反膜的优缺点？只能在较窄的光谱范围内有效地减反射，在中心波长处增透效果好但是带宽较小λ0／4-λ0／2型双层增透膜的优缺点？在一定程度上展宽了带宽但是总体的减反射效果不理想14.λ0/4-λ0/2-λ0/4型增透膜的优点？不仅提高了增透效果，而且展宽了带宽。15.λ0/4-λ0/2-λ0/4型增透膜:G/M2HL/A的设计。当其中有一膜层材料实际不存在时，应可用奇数层高低交替的材料来替代xL/yH/xL或xH/yL/xH，该替代多层光学厚度之和必须等于原来膜层的光学厚度，即2x+y=0.25。【薄膜光学5PPT中P25-42】16.红外宽带减反膜的具体设计方法。17.单层膜的反射率计算：22220101(/)/(/)ssRnnnnnn【一般不会超过50%】高反射率膜堆典型的结构？该结构的特点？18.如何提高高反射率膜堆的反射率？nH/nL越大，或层数（2S+1）越多，反射率越高。层数越多，反射率可无限地接近100％。但实际上，由于膜层中吸收和散射损失，膜系达到一定层数后，反射率不再提高，甚至会下降。19.典型的λ0/4高反射介质膜堆特点：四点。对于(LH)S膜系，有如下特点：（1）所有高反射带的波数宽度均相等；（2）各高反射带的波长宽度并不相等，波数越大对应的高反射带波长宽度越窄。（3）高反射带的波数宽度仅仅与构成多层膜的两种膜料的折射率有关。（4）两种膜料的折射率差越大，高反射带愈宽。20.展宽高反射带宽的方法？两点。2arcsin/4t,t(1+kHLHLnngnn－由公式＝得出，膜堆所得到的高反射区域宽度＋仅取决于膜层的折射率。材料的折射率是有限的，一般在1.35～6之间：可见光区域（1.35n2.6）；红外区域n6。膜层厚度可以按算术级数递增，也可以按几何级数递增。对展宽高反射带的方法有两个：于一个q层的膜堆，算术级数（1）膜系各层的厚度形成规则递增或递减递。增：2q-177),t(1+2k),...,t[1+(q-2)k],t[1+(q-1)k]t,kt,kt,...,kt/0.8[()]1.2[()]/2/4GHLHHLHA（）将两个、甚至多个中心波长不同的多层膜堆联合叠；几何级数递增加使用。：。例：。777777/0.8[()]1.2[()]/0.81.22/0.8[()]1.2[()]/0.8[()]1.2[(2)/4GHLHHLHAHHHGHLHHLHAGAHLHHLH00例：。＋，对于来说，＝。在波长处是具有良好透射性的，结果造成两个膜堆的高反射带连接区出现很窄的透射带，如课本P27图2.2.3所示。（）将两个、甚至多个中心波长不同的多层膜堆联合叠加使用。改善方法：在和之间增加一77/0.8[()]1.2[()]/LGHLHLHLHA层，即，反射率曲线如图所示。21.区分介质高反射膜与金属高反射膜，各自的优缺点？22.在金属高反射膜中引入介质膜为何能够改善金属高反射膜的机械性能？一般采用金属－介质高反射膜：（1）改善金属与基底的附着力，如G/Al2O3-Ag，G/Cr-Au；（2）高硬度透明膜对金属层起到保护作用；（3）提高金属层的反射率。23.分光膜可以分为分束膜和分色膜；分色膜是按颜色（波长）不同进行分光；分束膜是把一束光按比例分成光谱成分相同的两束光，在一定的波长区域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率、反射率比例，因而反射光和透射光不具有颜色，并呈中性。24.中性分束镜可分成介质中性分光镜、偏振中性分束棱镜和金属中性分光镜。25.介质中性分光镜结构：周期性多层介质膜系(LH)S。较高反膜相比：层数少，反射率低（~50%）。26.介质中性分光镜特点：3点。（1）因为无吸收，分光效率高；（2）偏振效应明显；（3）分光特性色散明显。27.如何改善分束镜分光曲线的平坦程度或者说色中性？3点。1.可将LH交叠结构边界的H或L改成2H、2L、甚至2M，改善分光曲线的平坦程度（色中性）；2.将膜系中的H层换成中等折射率的M膜层；3.整体调整H、L膜层材料，改变nH与nL比值或通过改变膜厚来改变nH与nL的比值。28.偏振中性分束棱镜工作原理？利用斜入射时的偏振效应实现中性分束。即，选用膜层材料的折射率匹配满足布儒斯特角条件（tanH=nL/nH）使反射光的P分量为零，仅有S分量；同时透射光尽量全部为P分量。偏振中性分束棱镜工作前提条件？1）仅适用于自然光或圆偏振光的中性分束；（2）分出的两束光可以光强相等，但其偏振状态不同，是两束偏振方向互相垂直的两束线偏振光。哪种金属分光镜在较宽的光谱范围内中性较好，且机械性能与化学性能都非常好？镍铬合金（80Ni-20Cr)在较宽的光谱范围内中性较好，且机械性能与化学性能都非常好。29.截止滤光片：要求某一波长范围的光束高效透射而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射(或称抑制)。长波通滤光片：抑制短波区、透射长波区的滤光片；短波通滤光片：抑制长波区、透射短波区的滤光片30.截止滤光片分为吸收型、薄膜干涉型和吸收与干涉组合型。31.列举吸收型截止滤光片，介绍其特点（优缺点）吸收型——应用最广泛优点：材料来源广泛，如颜色玻璃、晶体、烧结多孔明胶、无机和有机液体以及吸收薄膜；使用简单，对入射角不敏感造价便宜或适中缺点：截止波长不能随便移动32.衡量干涉截止滤光片的重要指标？1．透射曲线开始上升(或下降)时的波长以及此曲线上升(或下降)的许可斜率2．高透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射带内许可的最小透射率3．具有低透射率的反射带(抑制带)的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率。33.干涉截止滤光片压缩通带波纹的方法？1）选取适当的组合膜，使其通带内的等效折射率与基片相接近。（前提：基片表面反射损失不太大）2）改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变到更接近预期值，要使这种方法有成效，则要求光洁基片保持低的反射率。在可见光区，玻璃是十分满意的基片材料，但是这种方法不能不加修改就用于红外区，例如用于硅板和锗板。3）更常用的方法是在多层膜的两侧(靠近基底侧和靠近入射介质侧)加镀匹配层，使其同基底以及入射介质匹配。以上均可归结为：在特定波长处满足减反射条件。34.L/2HL/2适合短波通，H/2LH/2适合长波通35.列举截止滤光片的应用：1、彩色分光膜；2、反热镜和冷光镜；3、红外截止滤光片（CCD系统）。36.反热镜：短波通滤光片，即抑制红外光，透射可见光（截止波长：0.7微米）要求：透射光不影响色彩平衡。冷光镜：长波通滤光片，即透射近红外光，反射可见光两者作用：抑制无用的能量37.列举常用的物理气相沉积（PVD）技术。热蒸发；溅射；离子镀；离子辅助镀技术38.真空镀膜系统由哪几部分构成？真空系统；热蒸发系统；膜厚控制系统。物理气相沉积的过程中为何需要高真空系统？大气PVD存在的问题：常温常压下，空气分子密度：1.28X10-3g/cm3，即气体分子个数2.08X1022个/g气体分子间距离3.34X10-6mm气体分子的空间密度2.68X1016个/mm3导致：常压时，气体分子密度太高，蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件。空气中活性气体分子与膜层、膜料、蒸发器反应，空气分子进入膜层成为杂质。39.什么样的真空条件下可以镀膜？气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离这样得到的膜层：纯度高，膜层坚硬，成膜速度快。列举2－3种可以将真空腔抽到高真空的设备。罗茨泵10～104Pa油扩散泵：1～10-5Pa涡轮分子泵：1～10-8Pa低温冷凝泵：10-1～10-8Pa40.热电偶真空计、热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计各自适用的真空监测范围？1.热电偶真空计工作原理：通过热电偶中热丝的温度与压强的关系确定的真空度温差电偶真空计测量范围：0.13~13Pa2.热阴极电离真空计工作原理：具有足够能量的电子在运动中与气体分子碰撞，产生电离，形成正离子与电子。电子在运动中与分子的碰撞次数正比于分子的密度，一定温度下也正比于气体压强，故产生的正离子数也正比于气体压强。因此，电离是与压强有关的现象，可作为真空测定原理的依据。测量范围：0.1~10-5Pa3.冷阴极电离真空计工作原理：放电管在压强（10-1~10-2Pa）较低时自持放电就熄灭，想要将下限扩展到高真空范围，可用磁场控制电子运动的方法，增加电子的路程，利用这种方法制成的真空计，就是冷阴极电离真空计，也称磁控放电真空计。测量范围：1~10-6Pa41.热蒸发、溅射及离子镀、离子辅助镀的工作原理。电阻热蒸发：低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生焦耳热，使蒸发源中承载的膜料汽化或升华。电子束热蒸发：灯丝通大电流，形成热电子发射流。电子流在电场中被加速，同时，电磁场将电子流聚成细束，并对准坩锅内的膜料，造成局部高温而汽化蒸发。溅射：用高速正离子轰击膜料（靶）表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的动量而从靶表面溢出，在被镀件表面凝聚成膜。离子镀：膜料为加热蒸发，但