第二篇-第十章-分光镜

薄膜光学与薄膜技术基础第十章分光镜曹建章薄膜光学与薄膜技术基础在光学系统或光学实验中，通常需要将一光源的光束分成两束，两束光一束作为参考光，另一束作为测试光。一般的方法是用分光镜，使一部分光能量反射，而另一部分光能量透射，透射光与反射光的比称之为分光比，用T/R表示。由于反射率和透射率随入射角变化，所以分光最简单的方法是将玻璃倾斜放置，就可分离出反射光和透射光。固定玻璃的倾斜角后，随着入射光入射角的不同，也可得到不同的的分光比T/R。但是当玻璃的倾角和入射光的入射角确定之后，分光比就是确定的值。一般情薄膜光学与薄膜技术基础况下，应用中对分光镜的反射角（也称分离角）和分光比都有特定的要求，如果玻璃倾斜放置并改变入射角也不能满足应用中的分光要求，这时就需要在玻璃表面镀膜，以得到所需的分光比。依据光谱特性来区分，分光镜可分为中性分光镜和双色分光镜。中性分光镜即将一束光分成光谱成分相同而传播方向不同的两束光。中性分光镜仅改变光强，而不改变颜色。双色分光镜则将谱成份分成两部分，一部分反射，一部分透射。依据光的偏振特性，将光束分成薄膜光学与薄膜技术基础为S-偏振光和P-偏振光，这种分光镜称之为偏振分光镜。偏振分光属于中性分光,即使和值差异很大,但在角入射时,如果接近于垂直入射的反射率，这种情况也属于中性分光。按分光镜的几何构型分光镜又分为平板分光镜和棱镜分光镜，在斜入射时这两种分光镜都存在偏振效应，大多数实际应用中偏振效应会造成光学系统性能的劣变，所以需要消偏振，由此又产生消偏振分光镜。10.1中性分光镜常用的中性分光镜有两种几何形式：一种pRsR0450.5psRR薄膜光学与薄膜技术基础分光形式是在透明的平行平板基底上镀一层膜，如图10-1（a）所示；另一种分光形式是在直角棱镜斜面上镀膜，然后两直角棱镜再胶合成立方体，如图10-1（b）所示。平板分光透射光束经过平板，而反射光束未经过平板，两束光存在光程差。立方棱镜分光反射光束和透射光束不存在光程差，这是立方棱镜分光的优点，所以在高性能光学系统中常采用立方棱镜分光。另外，立方棱镜分光在光学仪器中装配方便，且膜层不暴露在空气中，不易损害和腐蚀，因而对膜层材料的机械性能和化学性能要045薄膜光学与薄膜技术基础求比较低。为了减小光学系统中的杂散反射光，分光镜的自由表面一般都镀有增透膜。入射光透射光反射光薄膜透明介质平板直角棱镜直角棱镜薄膜透射光反射光入射光（a）平板分光（b）棱镜分光图10-1两种中性分光镜的几何形式薄膜光学与薄膜技术基础由于基底介质和薄膜都存在色散和吸收，入射角变化会引起R和T的变化，且和、和也会随入射角的变化而变化，这些都是设计中性分光镜需要考虑的因素。10.1.1金属膜中性分光在平板基底表面或直角棱镜基底斜面上镀金属膜就构成金属膜中性分光镜。在可见光区，金属银的吸收最小，所以可用作金属分光。但由于银膜的中性较差，在蓝光波段反射率降低，且机械强度和化学稳定性都不好，因此在平板分光中很少使用银膜，一般都用在棱镜分光镜pRsRpTsT薄膜光学与薄膜技术基础中。金属铬由于机械强度和化学稳定性都非常好，且其中性也比较好，分光比随波长的变化也很小，因此金属膜中性分光镜常用铬膜。在可见光区铬膜分光反射光束呈白色，透射光束略带棕色。由于金属膜都存在吸收，分光效率偏低。为了减小吸收损耗，可在金属膜分光镜上加镀一层四分之一波长厚度的介质膜，如图10-2所示。图中数据是在光垂直入射时，入射光波长，玻璃基底（n=1.52）表面镀铬膜550nm薄膜光学与薄膜技术基础的反射率R、透射率T和吸收率A的测量数值以及在铬膜（Cr:=2-j3）和玻璃表面之间加镀硫化锌（ZnS：n=2.35）膜的反射率R、透射率T和吸收率A的测量值。由图中数据可以看出，光正向入射的情况下，加镀硫化锌膜之后，吸收降低；反向入射，吸收增加。在铬膜的前表面加玻璃片，光正入射时，吸收大大降低，反射率和透射率都有提高；光反向入射时，反射降低，吸收增加，透射不变。根据图中数据也可以看出，单层铬膜的T+R约为60%，加镀四分之一波长硫化锌介质膜后，T+R提高到82%。铬膜前表面加玻璃片，单层铬膜的T+RN薄膜光学与薄膜技术基础约为51%，加镀硫化锌膜后，T+R提高到75%。结构RTA0.280.320.400.090.320.590.470.320.210.030.320.650.170.340.490.330.420.250.020.420.56空气n=1.0铬N=2-j3硫化锌n=2.4玻璃n=1.52图10-2玻璃表面镀铬膜及铬膜与玻璃表面之间加镀介质硫化锌膜的反射率R、透射率T和吸收率A的比较薄膜光学与薄膜技术基础在玻璃和铬膜之间镀高折射率介质膜可以减小铬膜的吸收，以增加膜层的透明度。在玻璃与金属膜之间镀金属膜也可以减小金属膜的吸收，比如为了减小铝膜的吸收，在玻璃（玻璃的温度必须加热到左右）基底的表面镀一层银膜，然后将铝膜加镀在银膜上，则铝膜的透明度在波长处可增加到3.5倍，在处可增加2.5倍，而铝膜与空气界面的反射率仍然保持不变。除此之外，欲使分光的效果更佳，也可选耐热镍铬合金膜（Ni-80%,Cr-20%）、镍铬合0300C1m700nm薄膜光学与薄膜技术基础金膜（Ni-90%,Cr-10%）和镍铬铁合金膜（Ni-80%,Cr-14%，Fe-6%）。在的波段范围内，镍铬合金具有非常平坦的分光特性。由于镍铬的蒸发温度不同，蒸镀时温度的高低很重要，因为温度高低决定镍、铬的百分比，是比较适合的合金温度。此外，为了提高合金膜的性能，蒸镀时基底温度需大于，蒸镀后在空气中以的温度进行老化处理1～2小时。铂和铑用作中性分光金属膜，中性特性很好，机械强度和化学稳定性也很好。图10-3是在偏振光和非偏振光入射情况下得到的0250C0200C薄膜光学与薄膜技术基础镍铬铁合金分光膜实测光谱透射和反射曲线。有时由于膜厚不易控制，在入射角给定的情况下，要得到合适的分光比T/R很难。解决问题的办法是把膜层用如图10-4所示的马赛克图案代替（微波技术中称之为频率谐振表面）。pRsRpTsTRT0.00.20.40.60.81.00.40.50.60.7反射率和透射率m图10-3镍铬铁合金分光膜实测反射率和透射率曲线10-4马赛克式分光镜薄膜光学与薄膜技术基础黑区是不透明的高反射金属膜，即高反射区，白区是高透射区。通过控制黑白区面积之比可得到所需的分光比T/R，而且T+R值很高。应该注意的是黑白间隔要大于波长两个数量级以避免引起衍射效应，尤其是间隔小于可见光波长会产生色差。金属膜平板分光的反射率与入射光的方向有关,T和R的取值取决于具体的应用。比如,对于非偏振显微镜上的双目镜,要求，见图10-5(a)；对于垂直反光镜，应该取最大值，见图10-5(b)；在某些干涉仪中,最pspsTTRRppssRTRT薄膜光学与薄膜技术基础（a）（b）（c）1R2R反射率、透射率0.00.20.30.50.0100.0140.0180.022mRT图10-5平板分光的三中使用方法图10-6X-射线分光镜的实测特性曲线大条纹可见度要求和，见图10-5(c)。这些条件对于介质膜立方棱镜分光和金属膜立方棱镜分光自然是满足的。对于X-射线区域分光镜的研究目前仅限于接近垂直入射的情况，并在很窄的波长范围内才有效。12ppppRTRT12ssssRTRT薄膜光学与薄膜技术基础X-射线区域分光镜是由沉积在膜片或基底上的多层反射膜系构成，膜片或基底要薄，以增强透射分量。图10-6给出的是X-射线分光的实测反射和透射曲线，X-射线分光镜的构成是在0.03µｍ厚的薄膜上镀11个周期Mo和Si膜层，入射角为。10.1.2介质膜中性分光在光学系统中使用分光镜，通常采用有效透射率描述其分光效果和性能。有效透射率定义为分光镜的反射率与透射率的乘积,用表示。如果，，，这是的34SiN00.5TR0.5R0.5T0.25TRTR薄膜光学与薄膜技术基础最佳值，因而对应的也是分光效果和性能最佳的分光镜。因而对应的也是分光效果和性能最佳的分光镜。大多数金属分光镜值在０.0８到０.１之间。介质膜分光与金属膜分光相比较，其优点在于介质膜吸收很小，所以分光效率高。但介质膜存在色散，且其偏振效应明显，要产生中性分光比较困难。即使如此，介质膜分光都比金属膜分光性能要好。在透明平板基底上镀四分之一波长厚的高折射率膜，可以增加反射率，减小透射率。因TR薄膜光学与薄膜技术基础此，选择不同折射率的介质作为分光膜，就可得到不同的分光比。假设玻璃基底（）上镀四分之一波长高折射率介质膜（），入射介质为空气（），根据式（3-39），斜入射时中心波长处的反射率为光学等效导纳1.52Gn1n01.0n0*0000YYRYY(10-1)111111cossincossinGGjYj(10-2)薄膜光学与薄膜技术基础而为入射角，和分别为膜层和玻璃基底中的透射角。玻璃平板角放置,入射角，取不同折射率，分光膜的反射率极值曲线如图10-7所示。01111110022coscoscos42nd000111cos,cos,cos,GGGnnnS波010101,,,PcoscoscosGGGnnn波(10-3)(10-4)(10-5)01G04500451n薄膜光学与薄膜技术基础102030405060701.01.52.02.53.042.3%46%15.8%18.5%0045pR0045sR000R2CeOZnS1n反射率（%）图10-7不同折射率四分之一波长分光膜反射率极值曲线薄膜光学与薄膜技术基础硫化锌是常用的分光镀膜材料，折射率，由图可知，在时，Ｓ-波偏振的有效透射率为Ｐ-波偏振的有效透射率为由此得到非偏振情况下的有效透射率为12.35n00450.460.540.248ssTR0.1850.8150.151ppTR110.2480.1510.222ssppTRTRTR薄膜光学与薄膜技术基础可以看出，介质膜分光的有效透射率比金属膜分光的有效透射率大，分光效果和性能更好。同样，由图中和值数据可计算出二氧化铈的有效透射率为。如果分光膜用二氧化铈，比硫化锌分光膜更加牢固。在可见光波段，介质膜的折射率通常小于2.5，因此，对自然光进行分光，要达到分光比T/R=1，单层介质分光膜很难实现，必须采用多层介质膜分光。对于平板分光，通常采用膜系sRpR0.189TR2ALHG(10-6)薄膜光学与薄膜技术基础作为分光膜，其中入射介质A为空气，，基底G为玻璃，,高低折射率介质选择硫化锌(ZnS:)和氟化镁(MgF:)。图10-8就是分光膜（10-6）计算特性曲线，图10-8（a）对应于入射角，图10-8（b）对应于入射角（设计角），图10-8（c）对应于入射角。在某些光学系统中平板分光的背面反射会造成双像并引进像差，因而必须采用立方棱镜分光镜。如果采用四分之一波长单层高折射率介质膜分光，立方棱镜分光的反射率比平板分01.0n1.52Gn2.35Hn1.38Ln004000450050薄膜光学与薄膜技术基础光的反射率还要低，所以棱镜分光必须采用多层介质膜。在两直角棱镜间胶合多层膜系pTpRsTsRpTpRsTsRpTpRsTsR0.00.20.40.60.81.0反射率和透射率0.60.50.7m0.60.50.7m0.60.50.7m（a）0040（b）0045（c）0050图10-8平板多层分光膜特性曲线2LMHMHMLGGnn(10-7)薄膜光学与薄膜技术基础反射率和透射率0.00.20.40.60.81.00.60.50.7m0.60.50.7m0.60.50.7mpTpRsTsR（a）0040