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薄膜光学与薄膜技术基础第八章截止滤光片曹建章薄膜光学与薄膜技术基础截止滤光片与电路中的低通滤波器和高通滤波器相对应,低通对应于短波长高透射,长波长高反射,高反射波长区域称之为截止区,而高通对应于短波长高反射,长波长高透射,短波长区域为截止区。由此把截止滤光片分为两大类:短波通截止滤光片(低通)和长波通截止滤光片(高通)。截止滤光片可分为吸收型、薄膜干涉型和吸收与干涉组合型。吸收型截止滤光片与干涉型相比,缺点是截止波长不易改变且过渡带的宽度很宽,因此,实际中很不实用。截止滤光片在光学系统中应用很广泛,薄膜光学与薄膜技术基础比如热反射镜、冷反射镜、双色分光和太阳能电池覆盖膜等。8.1截止滤光片的特性描述理想的截止滤光片是以某波长为分界线,在其一边为高反射区,另一边为高透射区,高反射的区域称之为截止区,分界线处对应的波长称之为截止波长。通常把截止长波区,透射短波区的滤光片称之为短波通截止滤光片,而把截止短波区,透射长波区的滤光片称之为长波通截止滤光片,如图8-1所示是理想截止滤光片透射率随波长的变化曲线,图8-1(a)是薄膜光学与薄膜技术基础短波通截止滤光片,与电路中的低通滤波器相对应;图8-1(b)是长波通截止滤光片,与电路中的高通滤波器相对应。因为假定理想截止滤光片在透射带内透射率,截止带内透射率,所以描述理想截止滤光片特性参数仅需一个截止波长,对于短波通截止滤光片,截止区为;对于长波通截止滤光片,截止区为。实际的截止滤光片,在其截止区和透射区之间存在一过渡带,且在截止区存在波纹,透射区也存在波纹,如图8-2所示。描述实际的1T0Tccc薄膜光学与薄膜技术基础截止滤光片通常需要如下参数:1.截止波长:定义为过渡带内取0.05处所对应的波长,为透射带内最大透射率,截止波长也可记作。cT1.00.0透射区截止区cT1.00.0透射区截止区(a)短波通(b)长波通图8-1理想截止滤光片示意图maxTmaxT0.05c薄膜光学与薄膜技术基础40050080090010001100nm0.020.040.060.080.0100.0透射率(%)0.050.80.50.020.040.060.080.0100.0400500600900100011001200nm透射率(%)0.050.50.8mintTtavTravTmaxrTtavTmintTmaxrTmax0.5TTmax0.5TTmax0.05TTmax0.05TTmax0.8TTmax0.8TTravTmaxTmaxT(a)短波通(b)长波通图8-2实际截止滤光片的描述2.截止滤光片分界波长:定义为过渡带内取0.5处所对应的波长,分界波长也可记作。3.透射区域的平均透射率和最小透射率,比如,平均透射率=90%,最小透射率=80%。0maxT0.5tavTmintTtavTmintT薄膜光学与薄膜技术基础4.透射区域的有效谱范围:对于短波通截止滤光片是指小于分界波长的范围,图8-2(a)短波通截止滤光片的有效透射谱范围是;对于长波通截止滤光片是指大于分界波长的范围,图8-2(b)长波通截止滤光片的有效透射谱范围是。5.截止区域的最大透射率和平均透射率,比如,最大透射率=1%,平均透射率=0.1%。6.截止区域的有效谱范围:对于短波通截止滤光片是指大于分界波长的范围,图8-2(a)00400nm001200nmmaxrTravTmaxrTravT0薄膜光学与薄膜技术基础短波通截止滤光片的有效截止谱范围是;对于长波通截止滤光片是指小于分界波长的范围,图8-2(b)长波通截止滤光片的有效截止谱范围是。7.截止斜率S:S定义为其中为过渡带内取0.8处所对应的波长。截止斜率表示透射区到截止区变化的快慢程度,也即反映过渡带的宽窄,S小过渡带窄,S大过渡带宽。01100nm00400nm0.80.050.5100%S(8-1)0.8maxT薄膜光学与薄膜技术基础8.2吸收型截止滤光片任何材料对光都有吸收,根据材料的吸收特性可制镀截止滤光片。比如半导体材料硅(Si)、锗(Ge)和碲化铅(PbTe)对于可见光和近红外光波段具有强烈的吸收,硅的截止波长,锗的截止波长,碲化铅的截止波长,因此硅、锗和碲化铅半导体材料可制镀不同截止波长的长波通截止滤光片。但半导体材料折射率很高,硅的折射率为3.45(3.0μm),锗的折射率为4.25,碲化铅的折射率为5.6(5μm),这样高的折射率在1cm1.65cm3.4cm薄膜光学与薄膜技术基础透射区域会引起高的反射损耗,降低透射率。另一方面,为了减小截止区域的透射,半导体膜要镀的比较厚,比如厚度取数倍,这样也会造成透射区域透射率降低。如果在基底和半导体膜之间及半导体膜表面加镀增透膜,就可解决透射区域透射率低的问题。图8-3是碲化铅长波通截止滤光片实测透射率曲线,其截止滤光片的构成为420001301444ZnSPbTeZnSACaF(8-2)薄膜光学与薄膜技术基础2.02.53.03.54.04.55.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0透射率m图8-3碲化铅(PbTe)长波通截止滤光片实测透射特性曲线其中A为空气,。碲化铅镀在基底介质氟化钙(CaF2)上,为了减小透射区域的反射损耗,在基底介质氟化钙与碲化铅膜层之间及碲化铅表面加镀了硫化锌(ZnS)增透膜。03m04薄膜光学与薄膜技术基础由图可见,透射区域的范围内平均透射率大于80%。如果不镀增透膜,反射损耗大于65%,透射率小于35%。介质对光的吸收存在短波长和长波长吸收边缘,介质不同其吸收边缘也不同,利用这一点就可以制镀具有不同截止波长的截止滤光片,图8-4(a)是在玻璃基底上镀不同吸收介质得到的不同截止波长长波通截止滤光片透射率曲线,曲线1是玻璃基底透射率,曲线2是玻璃基底上蒸发厚的ZnS膜,曲线3到5是在玻璃基底上沉积ZnS和Ge混合膜,曲线6是玻璃基底上45mm薄膜光学与薄膜技术基础蒸镀沉积厚的Ge膜。图8-4(b)是二氧化钛基底上镀不同厚度的重金属膜得到的长波通截止滤光片透射率曲线,曲线7是TiO2+1.5SiO2,曲线8是TiO2,曲线9是TiO2+0.5PbO,曲线10是TiO2+0.15Fe2O3,曲线11是TiO2+5.7UO3。吸收截止滤光片的最大优点是对角度变化不敏感,但其缺点是截止斜率大,过渡带宽,且截止波长受镀膜材料吸收边缘的限制不能任意调节,所以应用中不是很实用。要得到具有任意截止波长的滤光片,且具有窄的过渡带,途径是利用四分之一波长周期多层膜系。薄膜光学与薄膜技术基础1234560.40.60.81.02.00.20.00.40.60.81.0透射率m78910110.300.400.500.600.20.00.40.60.81.0透射率m(a)(b)图8-4具有不同截止波长长波通截止滤光片透射率曲线8.3干涉型截止滤光片8.3.1四分之一波长周期膜系的透射特性如果在四分之一波长周期多层膜系的最外边镀相同的介质,即取,这样膜系就具0Gnn薄膜光学与薄膜技术基础有对称性,可表示为、等,这里A、B、C、D表示不同折射率介质的四分之一波长光学厚度膜层。图8-5是两种介质构成的周期多层膜系透射率曲线。由图可见,在0~波长范围,此周期多层膜系具有长波通截止滤光片的特性,在波长范围,此周期多层膜系具有短波通截止滤光片的特性。相对于吸收型截止滤光片周期多层膜系截止斜率小,过渡带窄,克服了吸收型截止滤光片的缺点。但是这种四分之一波长周期多层膜系不能直接作截止滤光片使用,因为在透mCABACmDACABACAD020103薄膜光学与薄膜技术基础射带内出现波纹,使透射带内平均透射率明显降低;其二是截止区和透射区的有效范围窄;其三是截止波长对入射角很敏感,这一点是干涉型截止滤光片的共同缺点,必须加以克服。tavTc0.00.20.40.60.81.0透射率(a)(b)1.01.52.02.5折射率光学厚度m相对波数00.01.02.03.00.01.02.03.04.05.0123图8-5四分之一波长周期膜系的透射率曲线(a)透射率曲线,(b)折射率剖面薄膜光学与薄膜技术基础8.3.2周期对称膜系的光学等效导纳和等效相位为了解决以上干涉型截止滤光片出现的问题,下面在理论上对其进行必要的分析。目前,设计截止滤光片最有效的方法仍然是1952年爱普斯坦(Epstein)提出的对称膜系可等效为一单层膜的数学方法。讨论从最简单的三层对称膜系开始。假设无吸收三层对称膜系为,则膜系特征矩阵为0GnABAn11122122cossincossincossinsincossincossincosAABBAAABAAAABBBAAAjjjQQQQjjjQ薄膜光学与薄膜技术基础(8-3)式中对式(8-3)进行矩阵运算,得到22cos,cosAAAABBBBndnd(8-4)cos,cos,coscosAABBABABABnSnSnnPP偏振偏振,,偏振,偏振(8-5)11221cos2cossin2sin2ABABABBAQQ(8-6)薄膜光学与薄膜技术基础1211sin2coscos2sinsin22ABABABABBABABAjQ(8-7)2111sin2coscos2sinsin22ABABAABABBBABAQj(8-8)由于和为实数,,和为虚数,且显然,三层对称膜系特征矩阵元素与单层膜特征矩阵11Q22Q1122QQ12Q21Q11121122122121221QQQQQQQQQ(8-9)薄膜光学与薄膜技术基础cossinsincosjj(8-10)中的元素具有共性,因此,可令得到三层对称膜系等效特征矩阵为1122cosQQ1221sin,sinjQQj(8-11)(8-12)cossinsincosjj(8-13)薄膜光学与薄膜技术基础其中为等效层的相位,而为等效层的光学等效导纳。根据式(8-11)和式(8-12)可得将式(8-6)、式(8-7)和式(8-8)代入,得到2112QQ(8-14)11arccosQ(8-15)1/211sin2coscos2sinsin2211sin2coscos2sinsin22ABABABABBBABAAABABABABBBABA(8-16)薄膜光学与薄膜技术基础1arccoscos2cossin2sin2ABABABBA(8-17)严格讲,虽然三层对称膜系特征矩阵元素,但元素和并不具有单层膜元素的完全特征,因此等效是近似的,仅是对滤光片的定性描述,而不是定量描述。这种近似等效通过分析光学等效导纳和等效相位,可以确定滤光片基本形式。当滤光片的基本形式确定之后,在此基础上就可以利用矩阵计算进行优化。1122QQ12Q21Q薄膜光学与薄膜技术基础上述结果可以推广到任意多层对称膜系,即任意多层对称膜系都可近似等效为具有单层膜特征矩阵的形式,其等效过程如下:如果膜系是由m个基本对称膜系构成的,即那么,周期对称膜系的特征矩阵就是
本文标题:第二篇-第八章-截止滤光片
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