光学器件减反射膜的设计与制备新稿
光学器件减反射膜的设计与制备
摘要
光学薄膜作为现代光学的一个重要分支，已被广泛应用于工业、农业等各个领域，其在人们的日常生活中起着越来越重要的作用。减反射膜作为光学膜中最重要的一种，它的发展也得到了更广泛的关注。
本文主要通过对光学薄膜特性的理论计算，包括薄膜的基本理论，单层薄膜的特性计算和多层薄膜的特性计算，来对光学薄膜的特性达到一定程度的认识。并通过对光学减反射膜的设计原理、选材及流程的掌握来对减反射膜有一个更深的了解。最终利用直流反应溅射法制备TiO2薄膜，摸索其制备工艺。利用透射光谱，采用“包络法”计算薄膜的折射率、厚度、吸收系数和消光系数，从而分析薄膜的光学性能。
【关键词】光学薄膜光学减反射膜磁控溅射原理TiO2薄膜
The design and preparation of the anti-reflection coating
on optical device
Abstract
optical films which act as an important branch of modern optics has been widely used in agriculture, industry and other areas.It plays an increasingly important role in people’s daily life. anti-reflection coating as the most important kind of optical films which development also had been widely concerned.
This article mainly on the optic theory of the film, including film's basic theory, the calculation of the characteristics of the single layer film and multilayer films in order to know more about optical film’s nature.And through master the optical anti-reflection coating’design principles、material of choice and process to know more knowledge of anti-reflection coating. Eventually using direct response from the law covered to make T i O2 film, and to explore its workmanship. By using spectrum and adopting the way of development to calculate the refraction、thickness、Absorption coefficient and coefficient to analysis the nature of films.
【Key words】optical film optical anti-reflection radiation principle T i O2 film
绪论
光学薄膜作为现代光学的一个重要分支，己经被广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输、医学、军事、天文、红外物理学、激光技术等领域，在人们的日常工作和生活中起着越来越重要的作用。在科技日新月异的今天，现代通讯、能源利用、宇航技术等领域的飞速发展，为光学薄膜的发展提出了更高的要求。
自70年代以来，薄膜技术得到突飞猛进的发展。无论在学术上，还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。薄膜技术已经成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域，在新技术革命中具有举足轻重的作用。薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品的全方位开发与应用。从发展趋势看，国内外薄膜产业方兴未艾，多种迹象表明。薄膜技术在近期内，将有较大的突破。从而必将带动薄膜产业更大的发展。
十余年来，在薄膜技术飞速发展，工业上有许多更大突破的同时，伴随有各种类型的新型材料的开发，新功能的发现不断。所有这些都蕴藏极大的发展潜力，并为新的技术革命提供可靠的基础。现在薄膜技术和薄膜材料除大量用于电子器件和大规模集成电路之外，还可用于支取磁性膜及磁记录介质、绝缘膜、电介质膜、压电膜、光学膜、光导模、传感器膜，耐磨、抗蚀、自润滑膜，装饰膜以及各种特殊需要的功能等。减反射薄膜作为光学薄膜中最重要的一种，它的发展也得到了更广泛的关注，减反射薄膜的实用研究成为一项极有意义的工作。
减反射膜，用于减少光学元件表面的反射，增加工作波段内光线的透过率。20世纪30年代发现的减反射膜促进了薄膜光学的早期发展。对于推动技术光学发展来说，在所有的光学薄膜中，减反射膜起着最重要的作用。直至今天，就其生产的总量来说，它仍然超过所有其他类型的薄膜。
传统的光学玻璃行业如眼镜、照明、汽车玻璃，以及现代光纤通信、光电仪器如热成像、微光夜视、CCD摄像中的光电传感器不断推陈出新，为提高工作波段光线透过率对减反射膜的设计和制备要求越来越高。在太阳能行业，为减少电池表面光的反射损失，增加光的透射，目前主要采用两种方法:(1)将电池表面腐蚀成绒面，增加光在电池表面的入射次数。(2)在电池表面镀一层或多层光学性质匹配的减反射膜。减反射膜的设计直接影响着太阳电池对入射光的反射率，对太阳电池效率的提高起着非常重要的作用。
由此可见减反射膜的重要性，因此我们有必要对该问题进行一个具体的阐述和分析。
本文主要分为三部分：第一部分讲的是光学薄膜特性的理论计算；第二部分的主要内容是光学减反射膜材料选择和膜系的设计；第三部分则主要阐述了TiO2薄膜光学常数计算和单层SiO2减反射膜层得初步实现。
1 光学薄膜的基本理论
1.1 薄膜干涉
光学薄膜是由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。
光学薄膜多是依据光的干涉理论设计的，它可以用来得到各种各样的光学特性。它可以减少表面的反射以增加光学系统的透射率和对比度；或者增加表面反射以减少光摄、高的透射，以实现分色、合色的目的；也可以使不同偏振状态的光束具有不同的传播特性，以达到偏振分束、偏振转换的功能。下面我们就利用光程差的概念来具体讨论薄膜的干涉问题。
图1-1 薄膜干涉
如图1-1所示，1和2分别表示薄膜的上、下表面与其它介质的界面，0n 和2n 分别为介质的折射率，1n 为薄膜的折射率，1d 为薄膜的厚度。一单色光以入射角0θ入射到薄膜的界面1，一部分在界面1上反射，振幅为1s ，另一部分透过界面1，在界面2上反射，然后再透过界面1，振幅为2s 。根据反射和折射定律，很容易证明，当界面1和2平行时，1s 和2s 两反射光相互平行。它们将在无穷远处会聚，产生干涉。实验室中，可利用凸透镜将其会聚于焦平面上来观察，当然也可用眼睛直接观察。
反射光1s 和2s 的干涉强度决定于它们的光程差。根据光程差的定义和几何关系，得1s 和2s 的光程差为：
01101
1101sin tan 2cos 22θθθ?-=
?-?=?d n d n AD n AB n （1-1） 根据折射定律，有 1100sin sin θθ?=?n n （1-2）
将式（3-2）代入式（3-1），得
111cos 2θd n =? （1-3）
相应的相位差为
λθππλδ1
11cos 42d n =??
= （1-4）
如果先不考虑光在界面1、2上反射时的相位跃变，则当光程
差满足条件),2,1,0(,cos 2111 ===?k k d n λθ时，产生相长干涉，叠加后振幅最大，光强最大；当界面1 界面2
光程差满足条件),2,1,0(,2)
12(cos 2111 =-==?k k d n λθ时，产生相消干涉，叠加后振
幅最小，光强最小。
为了计算干涉叠加后的光强，设1s 和2s 两反射光的振动方程为 t s E ωcos 11=
)cos(22δω-=t s E （1-5）
所以，叠加后的合振动为
)cos(21?ω-=+=t s E E E （1-6）
其中，s 是合振幅，?是合振动的初相位。二者和1s 、2s 、δ关系如下
δcos 22122212s s s s s ++= （1-7）
δ
δ?cos sin tan 212s s s += （1-8） 根据光强的定义，双光束干涉强度公式为
δcos 22121I I I I I ±+= （1-9）
其中，21,,I I I 分别为合振动、1s 和2s 的强度，式中的±号由相位差δ确定。当光由光疏媒质射向光密媒质界面上反射时，将有π的相位跃变（通常称为半波损失）。式中的±号正是考虑到界面上反射时的相位跃变情况。
1.2 单层薄膜的特性计算
实际上，光束照射到平面薄膜上时，光束将在薄膜上、下两界面多次反射，因而产生一组反射光束 ,,,321s s s 和一组透射光束 ,',','321s s s ，如图3-2所示。
图1-2 多光束干涉
当薄膜表面的反射系数不高时，通常只考虑前两束反射光1s 和2s 的作用，忽略反射两次以上的微弱光强的反射光束作用，也就是把多光束干涉作为双光束干涉来处理。但是如果薄膜表面的反射率较高时，如此处理时不严格的，必须考虑一组反射光 ,,,321s s s 或透射光 ,',','321s s s 之间的多光束干涉。
对于多光束干涉光强的计算方法和双光束干涉完全相同，也是先将振动叠加，再计算强度，差别在于参与干涉的光束由两束增加到多束，采用复振幅叠加较为方便。为此，先计算各反射光束 ,,,321s s s 或透射光束 ,',','321s s s 的振幅和相位。
设在1、2两界面上向入射媒质方向反射的光的振幅反射系数分别为21,r r ，透射光的振幅透射系数为'1t ；向基片方向反射光的振幅反射系数分别为'1r ，透射光的透射系数分别为21,t t 。当1n 和2n 介质没有吸收时，根据斯托克定律，有
'11r r -= （1-10）
1'112
1=+t t r （1-11）
根据叠加原理，反射光束叠加后的合振幅的反射系数为 ++++=---δδδ33
221112*********'''''i i i e r r t t e r r t t e r t t r r
δδ
i i e
r r e r t t r ---+=212111'1' （1-12） 利用式（3-10）和（3-11），（3-12）式可写为
界面1 界面2
12345
δδ
i i e
r r e r r r --++=21211 （1-13） 反射光的强度可用反射率表示，为
δ
δcos 21cos 2212221212221*r r r r r r r r rr R ++++=
= （1-14）
根据能量守恒原理，所以透射率为 δcos 21)1)(1(12122212221r r r r r r R T ++--=-= （1-15）
由上式可见，当210n n n ><时，0,021> 1.3 多层膜系的特性计算 一般减反膜可由简单的单层膜或多层膜系构成，前者仅能使某一波长的光反射率为零，而后者则可使某一波段的光反射率为零。对于常见光学器件来说，需要对可见光增透，所以应采用多层膜系结构。对于多层膜系的特性计算方法有递推法、矩阵法和矢量法[15,16]。虽然利用组合导纳的递推法或矩阵法计算膜系的反射率比较严格、准确，但计算太繁杂，用来设计减反膜不是很有效。设计多层膜系最简捷的途径是用矢量法，首先通过试行法设计比较满意的结构，然后用计算机进行数值计算作精确校核，以消除矢量法所固有的近似影响。矢量法有两个假设前提：一是膜层要没有吸收；二是在确定多层膜的特性时，只考虑入射到每个界面的单次反射。 图1-3 多层膜界面上的反射 如图1-3所示，忽略膜层内的多次反射， ,,,321s s s 分别表示各界面的反射光的振幅， 界面1 界面2 界面3 界面4 每个界面的反射系数都有一个特定的相位滞后，它对应于光从入射表面进至该界面又回到入射表面的过程。反射光的叠加后合成的振幅反射系数应由每一界面的反射系数的矢量合确定。所以，合成的振幅反射系数为[15] ++++=++-+--)(4)(321321211δδδδδδi i i e r e r e r r r （1-16） 其中 21,r r 分别为个界面的振幅反射系数，如果膜层没有吸收，则个界面的振幅反射系数为实数 ,,,,4 3434323232121210101n n n n r n n n n r n n n n r n n n n r +-=+-=+-=+-= （1-17） 振幅反射系数可正可负，根据相邻两媒质的有效折射率的相对大小而定。若在所考虑的整个波段内，忽略膜的色散，则对于所有波长，振幅反射系数 21,r r 均相等。 各层薄膜的相位滞后为 ,cos 4,cos 4,cos 43 3332 2221 111λθπδλθπδλθπδd n d n d n === （1-18） 因而合成振幅反射系数可以用解析法求得，由于两相继矢量间的夹角为 ,,,321δδδ，故而通常采用矢量图解法求解更为方便。 利用矢量法计算的步骤是：首先根据式（1-17）和（1-18）计算各个界面的振幅反射系数和各层膜的相位滞后，把各个矢量按比例画在同一张极坐标图上，然后按三角形法则求合矢量。合矢量的模即为膜系的振幅反射系数，幅角就是反射光的相位变化，能量反射率就是振幅反射系数的平方。 2 光学减反射膜的设计 20世纪30年代发现的减反射膜促进了薄膜光学的早期发展。对于推动技术光学发展来说，在所有的光学薄膜中，减反射膜起着最重要的作用。直至今日，就其产生的总量来说，它仍然超过所有其他类型的薄膜。因此研究减反射膜的设计和制备技术，对于生产实践有着重要的意义。 2.1 减反射膜系设计材料的选择 一般来说，选择膜层材料应主要考虑以下几个方面的特性：膜料的透明光谱区域、透明度、折射率、材料的蒸发方式、机械牢固性、化学稳定性及抗高能辐射等。下面简单介绍常用的二氧化钛、氟化镁、二氧化硅三种薄膜材料的性质。 （1）二氧化钛 二氧化钛（TiO 2）薄膜折射率高，在250℃波长为550nm 时的折射率为2.3，透明区为0.35～12um ，在整个可见和近红外光谱区都是透明的。具有很强的牢固度，呈现压应力，这些优异的性能使得它在光学薄膜中的应用十分诱人。但是TiO 2材料在真空中加热失氧现象严重，形成高吸收的亚氧钛薄膜Ti n O 2n-1（n=1,2,…,10）。所以为了获得高纯度的Ti02，我们常采用电子束直接蒸发TiO 2，并用离子源辅助的方法，就算在低温甚至室温也可以得到比较高的折射率，通常同时需要充入足够的氧气并保持高真空度。 （2）二氧化硅 二氧化硅（SiO2）是唯一例外的分解很小的低折射率氧化物材料，当波长为550nm 时折射率为1.46，透明区一直延伸到真空紫外（0.18～8um ）。它的光吸收很小，膜层牢固且抗磨耐腐蚀，应用极其广泛。SiO2在高温蒸发时与TiO2类似，也可生成低价氧化物SiO 和Si2O3。这种低价氧化物常比高价氧化物易蒸发，所以薄膜中具有复杂的成分。SiO2薄膜的结构精细，呈网络状玻璃态，不但散射吸收小，而且保护能力极强。 2.2 单层减反射膜的设计 当光线从折射率n0的介质射入折射率为n1的另一介质时，在两介质的分界面上就会产生光的反射．如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率R 为 如果不考虑吸收，透射率为T=1－R 。例如，折射率为1.52的冕牌玻璃，每个表面的反射约为4.2 ％左右。折射率较高的火石玻璃，则表面反射更为显著。 为了减少表面反射光，最简单的途径是在玻璃表面上镀一层低折射率的薄膜。 我们来看一下简单的单层增透膜。设膜的厚度为d ，当光垂直入射时，薄膜两表面反射光的光程差为 2nd ，由于在膜的上、下表面反射时都有相位突变 ，结果没有附加的相位差，两反射光干涉相消时应满足： 膜的最小厚度应为（相应于k=0 ）: 由于反射光相消，因而透射光加强。 单层增透膜只能使某个特定波长λ的光尽量减少反射，对于相近波长的其他反射光也有不同程度的减弱，但不是减到最弱，对于一般的照相机和目视光学仪器，常选人眼最敏感的波长λ=550nm 作为“控制波长”，镜片在白光下观看此薄膜的反射光，黄绿色光最弱，红光蓝光相对强一些，因此镜面呈篮紫色。 此时中心波长处的反射率为 2 1 010)(n n n n R +-=2(21)/2nd k λ=+n d 4λ=222102210)//(n n n n n n R +-= 对于折射率为1.52的玻璃，镀上单层厚度为99.6nm的MgF2薄膜后，在550nm中心波长的反射率可由4.2%降至1.3%左右，整个可见光区平均反射率为1.5%左右。 单层减反射膜的出现，在历史上市一个重大的进展。直至今日仍广泛地用来满足一些简单的用途。但是它存在两个主要的缺陷，首先，对大多数应用来说，剩余反射还显得太高；此外，从未镀膜表面反射的光线，在色彩上仍保持中性，而从镀膜表面反射的光线破坏了色的平衡。 基本上有两个途径可以提高单层膜的性能，即或采用变折射率的所谓非均匀膜，亦或者是采用多层减反射膜。 2.3双层减反射膜的设计 对于单层氟化镁来说，冕牌玻璃的折射率是太低了。为此，我们可以在玻璃基片上先镀一层λ0/4厚的、折射率为n2的薄膜，这时对于波长λ0/4来说，薄膜和基片组合的系统可以用一折射率为Y=n22/ng的假象基片来等价。显然，当n2>ng时，有Y>ng。也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率的λ0/4厚的膜层后，基片的折射率好像从ng提高到n22/ng，然后再镀上λ0/4厚的MgF2膜层就能起到更好的增透效果。 例如，对于折射率为1.52的基片，先淀积一层折射率为1.70的SiO镀层。这时Y=n22/ng =1.90，相当于基片的折射率从1.52提高到1.90。因此MgF2膜刚好满足理想减反射的条件，使波长的反射光减至接近于0。但对于偏离λ0的波长不满足干涉相消的条件，表面反射会显著增加，光谱反射率曲线呈V字形，所以这种λ0/4 -λ0/4双层减反射膜称为V形膜。 此外，厚度为λ0/4 -λ0/2型的双层减反射膜，在中心波长λ0的两侧可望有两个反射率极小值，光谱反射率曲线呈W形，所以也把这种双层减反射膜称作为W形膜。对于中心波长λ0，厚度为λ0/2的膜层是虚设层，对反射率毫无影响，但是影响着其它波长的反射 率。适当地选择虚设层的折射率，可以减小中心波长两侧的折射率。 双层减反射膜性能比单层减反射膜要优越得多。但它并没有克服单层减反射膜的上述两个抓哟缺陷，尤其是对于冕牌玻璃更是如此。 2.4多层减反射膜的设计 正如上面所说的，双层减反射膜的特性比单层膜要优越得多。但是，在许多也能够用例子里，即使是一个理想的多层膜，还是会形成过大的反射率或不适宜的光谱带宽度。因此在这些例子中，都要用三层或者更多层的减反射膜。 例如先在玻璃基片上镀一层折射率为1.62、厚度为λ0/2的Al2O3薄膜，然后再镀上λ 0/4的MgF2薄膜，其反射率曲线如下图所示。 再例如在玻璃基片上先镀上一层厚度为λ0/4的CeF3薄膜，再镀上一层厚度为λ0/2的ZnO薄膜，最后再镀上一层厚度为λ0/4的MgF2薄膜，则其在空气中这样的三层膜的反射率 曲线为下图所示。 3 光学薄膜材料及减反射膜的初步制备 3.1光学薄膜的制备方法 光学薄膜一般可通过化学气相沉积和物理气相沉积两种工艺获得。在物理气相沉积方法中，根据膜料汽化方式的不同，又可分为热蒸发、溅射、离子镀技术，但各种方法都存在自身的优缺点。由于溅射法具有膜厚可控性和重复性好；薄膜与基片的附着力强；膜层纯度高；使用不同材料同时溅射可以制备混合膜、化合膜等特殊材料的薄膜等优点，本论文采用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公式研制的JGP-560型超高真空多功能磁控溅射系统，以反应溅射法制备满足光学水晶低通滤波器设计要求的可见光增透、近红外截止的光学薄膜。 3.1.1磁控溅射原理 溅射是一个极为复杂的物理过程，涉及的因素很多。溅射是动量转移过程，所以溅射出的粒子具有反向性。粒子和固体表面相互作用的关系及各种溅射产物，都伴随着离子轰击，或由固体表面溅射出中性原子或分子等多个作用过程。实际进行溅射时，一般是让被加速的正离子轰击阴极靶，故也称此过程为阴极溅射。 溅射镀膜是基于载能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程均是建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。辉光放电是在真空度约为0.1～10Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压，而产生一种气体放电的现象。溅射过程就是利用了辉光放电阶段。 磁控溅射中的放电过程是异常阴极辉光放电，放电产生的等离子体为Ar+，尽管也受到磁场同样的洛伦兹力，但由于Ar+靠近阴极，且其质量大，惯性很大，当Ar+跑向靶面时，受磁场的影响很小。因此，大离子基本上是垂直撞击靶面。靶材表面原子由于受高能Ar+轰击而被轰出表面。当溅射的原子到达衬底后，由于粘附力的作用，其中大部分沉积在衬底上形成薄膜。磁控溅射放电基本上克服了二极溅射的低速高温的致命缺点，沉积速率较后者大为提高。同时，它又保持了溅射镀膜的优点，即溅射粒子到达衬底时动能很大，因而粒子在衬底表面的扩散速率相应增大，薄膜生长过程中的阴影效应相应减少。这样，薄膜中的空隙变得更小、更少，薄膜更致密。 3.1.2溅射镀膜设备简介 本论文制备薄膜采用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公式研制的JGP-560型超高真空多功能磁控溅射系统，示意图如图4-1所示。本系统主要包括：真空主溅射室、真空进样室、主溅射室抽真空系统、进样室抽真空系统、真空系统电源控制柜、溅射系统电源控制 柜、机械手。可用于溅射生长单层膜、多层膜、介质膜、金属膜、磁性薄膜和半导体薄膜等。 图3-1 JGP560型超高真空多功能磁控溅射系统 真空主溅射室的真空度可以达到6.0×10-6Pa，用来溅射和沉积薄膜。主溅射室内部下底盘上有五个磁控靶，靶极设有遮挡板，在计算机控制下，打开或遮挡靶位。磁控靶的直径为60mm，采用竖直向上溅射成膜的结构形式。工作时各靶均用循环水冷却，以确保不至于因溅射时离子的轰击而使其温度过高。主溅射室上部有可旋转的圆形样品大转盘，转盘上均匀分布有6个样品放置位，可放样品最大半径为30mm，其中一个样品位上有加热丝，可将基片最高加热到400℃，并采用温度控制器进行控温操作。样品大转盘的转动是由步进电机驱动，通过计算机可以控制基片旋转到设定靶位。样品位上可加直流负偏压，以提高成膜质量。靶相对于基片位置在40～80mm范围内可调。进样室的真空度可达到4×10-6Pa，其内可用来传输衬底、衬底预处理、存放样品、反溅射等操作。 JGP560型超高真空多功能磁控溅射系统配备了两套抽真空系统，主溅射室和进样室可以各自独立使用也可以同时使用，同时使用时，必须关闭主溅射室和进样室之间的阀门G2，将两室分开。两套抽真空系统都为两级真空系统，一级为机械泵、二级为分子泵，两级之间的开关状态是用电磁阀来控制的。当系统内处于大气状态时，开启机械泵，打开预抽通道V5，将进样室和主溅射室的气压抽至低于20Pa后，关闭预抽通道V5 (这样做的目的就是要保证分子泵两端气压低于20Pa的工作条件)。再开启分子泵，开启机械泵与分子泵之间的电磁阀，开启分子泵与溅射室之间的阀门G1。 磁控溅射系统最大优点即为掺杂，一次可放入多个靶材，靶材可以由多种成分制成，从而做到掺杂。还可以通过计算机控制在不同靶材之间切换生长，从而生长出多层膜而无需拿 出主溅射室。 3.1.3直流反应溅射制备薄膜流程 溅射法是一种比较成熟的薄膜制备技术，直流反应溅射是在溅射时通入反应气体，使其与靶材发生化学反应，从而得到与靶材完全不同的新物质膜。图4-2给出了直流反应溅射法制备TiO 2薄膜的工艺流程。 图4-2 直流反应溅射法工艺流程图 （1）基片清洗 基片表面平整光滑影响薄膜的反射光性能。所以镀膜前必须对基片进行清洗和烘干以去除基片表面污物和化学物质。 （2）抽本底真空 本底真空一般应控制在Pa 4105-?以上，以尽量减少真空室腔体内残余气体，保证薄膜 的纯洁度。 （3）加热 烘烤的作用是使基片表面出气取水，提高膜-基结合力；消除薄膜应力，提高膜层粒子的聚集度。一般选择在150～200℃之间。 （4）氧氩分压 直流溅射需要满足辉光放电的气压条件，一般选择在0.01～1Pa 范围内。当真空度达到要求后，根据试验需要通入氩气和氧气，调解气体的流量和比例。 （5）预溅射 预溅射是通过离子轰击的方法去除靶材表面的氧化膜（由于靶材材料易氧化，在其表面形成的一层氧化薄膜）以及其它非靶材物资。 （6）溅射 溅射时建立在等离子体的条件下，氩气电离后形成正离子高速轰击靶材表面，使钛靶粒子溅射出来并与氧气发生氧化反应生成二氧化钛，达到基片表面形成薄膜。 3.2 TiO 2薄膜光学常数的测量和计算 为了研究TiO 2薄膜的光学性质，计算其光学常数。我们以光学水晶为衬底，采用金属钛靶进行直流反应溅射镀制TiO 2薄膜，制备参数为：本底真空5×10-4Pa ，溅射功率为150W ，氧气和氩气比为10:20ml/min ，衬底温度为室温，工作气压2Pa ，靶基距50mm ，镀膜时间60分钟。 3.2.1 TiO 2薄膜的透射谱 为了研究薄膜的光学透过性，计算其光学常数，我们对光学水晶衬底和制备的TiO 2薄膜，利用日本岛津公司的UV-1601紫外可见光谱仪在200～800nm 的波长范围内，按1nm 的扫描步长进行了透射光谱测量，其透射光谱如图4-3所示。 图4-3 光学水晶衬底和TiO2薄膜的透射光谱 从透射光谱图4-3可以看出：（1）镀膜后的透射率发生了变化，TiO2薄膜在300～370nm 的紫外波段有较强的吸收，透射率较低特别是在200～320nm透射率为零，而在450～760nm 的可见光范围内透射率很高，最高可达95%；（2）透射光谱在可见光区有明显的干涉条纹，且干涉条纹的周期不断发生变化。明显的干涉条纹和较大的调制深度表明薄膜具有很好的光学质量[38]。 3.2.2 TiO2薄膜的折射率计算 为了计算TiO2薄膜的光学常数，利用透射光谱，采用“包络法”可以计算薄膜的折射率、厚度、吸收系数和消光系数。以光学水晶为衬底的TiO2薄膜的包络图谱，如图4-4所示。 图4-4 TiO 2薄膜的透射谱包络图谱 图4-5 TiO 2薄膜的折射率与波长的关系 采用“包络法”计算薄膜的折射率是基于下面的两个公式[39-41]： 2/12/12 2])([s n N N n -+= (4-1) 2 1)11(22max min ++-=s s n T T n N (4-2) 式中，max T 和min T 是对应于波长λ的最大和最小透过率（如图4-4所示），s n 是波长为λ时，光学水晶衬底的折射率，计算得到的薄膜的折射率与波长呈现出典型的电子带间跃迁的色散关系，如图4-5所示。其中实点为计算得到的值，实线为拟合的曲线。由图4-5可以看出，当波长从700nm 减小到400nm 时，折射率从2.03增加到2.20。 3.2.3 TiO 2薄膜的厚度计算 薄膜厚度的计算是基于下面的公式[39-41]： ] )()([2'122121λλλλλλn n M d -= (4-3) 其中，M 是两个最大（或最小）透过率之间的峰值（或谷值）的数目，通常取为1，1λ和2λ是相邻最大（或最小）的峰值（或谷值）对应的波长，)(1λn 和)(2λn 是相应的折射率。结合透射谱，利用（4-3）式，我们可以得到一系列'd 厚度值，取平均得到'd ，然后利用双光束干涉公式[39-41] ： λ''2m d n = (4-4) 式中'm 是对应于最大值的整数或最小值的半整数，利用（4-4）式得到一些列的'm ，取'm 最近临的整数或半整数，得到修正的m ，然后再利用双光束干涉公式（4-4）及λ,m 和n ，计算得到一些列d 值，取平均得到TiO 2薄膜的平均厚度d 。具体计算结果如表4-1所示，最终得到的薄膜的平均厚度为348.6nm 。 表4-1 TiO 2薄膜厚度的计算结果 )(nm λ n )('nm d 'm m )(nm d )(nm d 702 2.04457 360.657 2.1008 2 34 3.348 348.6 492 2.08281 3.0526 3 35 4.328 392 2.30050 4.2331 4 340.795 570 2.06272 2.6103 2.5 345.417 433 2.11136 3.5172 3.5 358.893 3.2.4 TiO 2薄膜的吸收系数的计算 当薄膜的厚度已知时，还可通过透射谱计算薄膜的吸收系数α，计算公式[39-41]为： d T )1ln(=α (4-5) 图4-6是根据透射谱计算得到的吸收系数与波长的关系，图中薄膜在可见及近红外区域为低吸收区域，这与透射谱中反映的高透过是一致的，在本征吸收边以外，发现了一些对应于杂质吸收的吸收带。这是由于在禁带中，杂质形成了一些分裂的能级，当杂质的含量增加到足够高时，杂质的波函数就会重叠，形成了一个杂质能带，从而在吸收谱上表现了出来。 图4-6 TiO 2薄膜的吸收系数与波长的关系 3.2.5 TiO 2薄膜的消光系数的计算 薄膜的消光系数k 可以利用前面求得折射率和薄膜厚度从透射光谱中计算得到[42]： ]) (1)(1))(())((ln[421min max 21min max 00T T T T n n n n n n n n d k s s -+?++--=πλ (4-5) 图4-7所示为计算得到的消光系数与波长λ的关系。可见消光系数随着波长的增加而下降，在近红外区有上升趋势。在可见光区消光系数数量级为3 10-，这一非常小的值表明薄膜具有良好的透明性和均匀性。 3.3单层SiO2减反射膜的初步制备 由于SiO2薄膜与石英玻璃衬底的折射率非常接近，都在1.46附近，所以我们尝试在折射率为1.52左右的K9玻璃衬底上采用磁控溅射法制备了单层SiO2薄膜作为减反射膜，按 照单层减反射膜的设计理论，单层SiO2的厚度在94nm左右。主要研究沉积SiO2薄膜时工作气压和衬底温度这两个工艺参数对增加可见光透过率的影响。 3.3.1 SiO2沉积气压对增透效果的影响 上图是k9玻璃衬底和在不同气压下沉积了SiO2单层减反射膜的k9玻璃在300-800nm 范围内测量的透过率曲线。从上图可见，在k9玻璃衬底上沉积单层SiO2能够增大可见光范围的透过率，但是增加的幅度并不大，这主要是因为SiO2的参考折射率1.45虽然小于衬底K9玻璃的折射率1.52，但还远大于单层减反射膜的理想折射率1.23，所以增透效果有限。同时可以看出，在1Pa气压下沉积的SiO2单层减反射膜增透效果较好，在550nm处可见光的透过率可以从未镀膜状态时的91.5%提高到92.8%，如果玻璃正反两面都镀膜的话将可以达到94%左右。 3.3.2 SiO2沉积温度对增透效果的影响（自己写几句话） 结论 参考文献 [1] 马永新，周友苏，万春平等。溶胶-凝胶法二氧化硅增透膜的制备与研究。航天器环境工 程，2008,25(3):298-300 [2] 郑臻荣，顾培夫，陈海星等。超宽带减反射膜的设计和制备。光学学报， 2009,29(7):2026-2029 [3] 潘静，王永强，胡晓云等。sol-gel法制备纳米TiO2-SiO2 宽带高增透膜。电子元件与材 料，2009,28(9):1-4 [4] 张家斌，付秀华，贺才美等。可见与近红外增透膜的设计和制备。激光与红外， 2009,39(5):528-530 [5] 杭凌侠，田刚，潘永强等。玻璃基底上双波段增透膜的设计与制备。西安工业大学学报， 2009,29(1):1-4 [6] Jeong S.H., Kim J.K., Kim B.S. et al.. Characteriza tion of SiO2 and TiO2 ?lmsprepared using rf magnetron sputtering and their application to anti-re?ection coating. Vacuum 2004,76:507–515 [7] Lee S.E., Choi S.W., Yi J. et al.. Double-layer anti-re?ection coating using MgF2 and CeO 2 ?lms on a crystalline silicon substrate. Thin Solid Films, 2000,376:208-213 [8] Lien S.Y., Wuu D.S., Yeh W.C., et al.. Tri-layer antire?ection coatings (SiO2/SiO2–TiO2/TiO2) for silicon solar cells using a sol–gel technique. Solar Energy Materials & Solar Cells , 2006,90:2710–2719 致谢 第13课.带有衍射光学元件的激光扩束器 在第11课中，您了解了如何使用普通球面透镜设计激光扩束器，并了解到需要多个透镜元件才能获得良好的性能。第12课采用相同的设计，使用两个非球面元件，效果极佳。本课程将证明您可以使用DOE（衍射光学元件）。 to within10%.目标是将腰半径为0.35mm的HeNe激光器转换成直径为10mm且均匀至10％以内的光束 这是我们初始的输入文件： RLE!Beginning of lens input file.。 ID KINOFORM BEAM SHAPER WA1.6328!Single wavelength UNI MM!Lens is in millimeters OBG.351!Gaussian object;waist radius-.35mm;define full aperture=1/e**2point. 1TH22!Surface2is22mm from the waist. 2RD-2TH2GTB S!Guess some reasonable lens parameters;use glass type SF6from Schott catalog SF6 3TH20!Surface3is a kinoform on side2of the first element 3USS16!Defined as Unusual Surface Shape16(simple DOE) CWAV.6328!Zones are defined as one wave phase change at this wavelengt HIN1.798855!Assume the zones are machined into the lens.You can also apply!a film of a different index. RNORM1 4TH2GTB S SF6 4USS16 CWAV.6328 HIN1.798855 RNORM1!The first side of the second element is also a DOE 5CV0TH50!Start with a flat surface 7!Surfaces6and7exist AFOCAL!because they are required for AFOCAL output. END!End of lens input file. 我们给第2个表面指定了一个合理RD值。这是现阶段还没有DOE的非球面系数的系统： TFCalc设计膜层方法指导（简单） 假设我们要设计一个反射率>%高反膜系（波长10600nm）： 条件： （1）基底材料：GaAs （2）膜料：ZnSe，YF3 具体步骤： 1．点击TFCalc图标进入其操作界面： 图中弹出对话框，要求输入要编辑的文件名。因为我们是要新编膜系，则点击“取消”按钮，则只显示如下界面： 图中自左到右的菜单名称中文意思分别是：“文件”、“编辑”、“修改”、“运行”、“结果”、“杂项”和“帮助”。点击其中的任何一项将弹出其包含的菜单内容。 2．点击第一项“File”，弹出如下菜单项： 左图中的中文意思自上到下分别是： 新建膜系文件 重新打开膜系文件 关闭膜系文件 保存膜系文件 以其他的文件名保存膜系文件 恢复原始文件 打印膜系 打印设置 退出TFCalc 关于TFCalc 3．点击第一项“New Coating”弹出如下“编辑环境对话框”： 上图左边图中英文对应的中文意思分别是： Angle角度Incident Medium入射介质 Substrate基底Front Layer基底前面 Back Layer基底后面Exit Medium出射介质 在上图的右边框内分别输入： Reference Wavelength(参考波长)：1580 Illuminate（光源）：WHITE（白光） Incident angle（入射角）： Incident medium（入射介质）：AIR（空气） Substrate（基底）GaAs（砷化镓） Thickness（厚度）mm1（一般不考虑基底材料的厚度） Exit medium（出射介质）GaAs（如果是透视膜系，则出射介质一般是空气） Detector（探测器）：IDEA(理想探测器) First Surface（第一面）Front 注：光源、基底材料、探测器应该分别在Illuminate、substrate、detector库中存在。这些库可以增减。4．点击下面的“Analysis Parameters”（分析参数）按钮，弹出下面的对话框： Top Hat Beam Shaper-高帽光束整形 HOLO/OR几十年来服务于堆栈高帽元件模拟，可以很好地 定义高斯光束，将其在工作平台上转换为均匀强度光斑。 应用领域：激光切割,激光焊接，激光显示，激光医学和审 美激光应用 Beam Splitter/Multispot-分束器/多场 分束器元件为衍射光学元件，用于将一束激光光束分离为几束，每束光都有最初那束光的特性，这些特性不包括光能量大小和传播角度。多束光方向可以形成一维或二维光图像。 应用领域：激光打孔，医疗表面处理，并行处理，并行激光扫描 Homogenizer/Diffuser-均化器/扩散器 HOLO/OR有多样且广泛的工业衍射光元件，允 许在合理的价格范围内提供解决方案。 应用领域：允许任何光束类型，小扩散角，自定 义角度，各种波长和尺寸，自定义形状 Beam Sampler-光束采样器 HOLO/RO介绍一种新的ED匀化器，由纯石英 玻璃或硒化锌材料组成，可选择在这两种材料表 面进行高功率ARV-镀膜，有利于给出解决方案， 显著减少0.2% 的后向反射。（每个面0.1%） 应用领域：直插式功率，嵌入式光束分析 Dual Wavelength-双波长产生器 衍射光学给出了一个独特的构想，可以只影响 一个波长。在多波长光束中，双波长光束组合 器是衍射光学元件，用于将两束入射光以不同 的波长组合到相同焦点上，为在所需观察面上 获得一个强光斑，就必须在激光光束射向光斑 的路径上放置一个透明的衍射光学元件。 应用领域：外科手术激光系统，工业二氧化碳激光系统 Vortex lens-涡旋透镜 Holo-Or介绍了VL系列涡旋微透镜，由纯石英 玻璃或硒化锌材料组成，可选择在这两种材料 表面进行高功率ARV-镀膜，有利于给出解决方 案，显著减少0.2% 的后向反射。（每个面0.1%） 应用领域：天文学，光学镊子，加密术 Lenslet arrays-微透镜阵列 微透镜阵列基底由微衍射透镜覆盖，微透镜阵 列作为扩散器，或者作为局部焦点和采样点。 衍射微透镜阵列的优势在于其占空因子为 100%，高于折射微透镜阵列。可以很容易地进 行设计和成像，并修正微透镜成像系统像差。 应用领域：光束扫描仪，焦平面阵列光传感器 Multifocal Lenses-多焦点透镜 衍射光学可以从一个入射光产生多个输出光束，而不是典型的折射透镜，沿着光轴由一个焦点获得多个焦点，并都处于焦平面，这样的透镜被称为多焦微透镜，它们对于并行放大系统，光传感，视觉应用等十分重要。同时，这些透镜也可以应用于准长焦点元件，在材料处理上有效创建长深度焦点。 膜系设计设计实验报告 系别：光电信息系 专业：光电信息工程 班级：B120105 学生：王晶 学号：B12010539 任课教师：李媛 2015年12月 实验一用TFCalc软件设计增透膜 1、实验目的：学习并掌握用TFCalc软件设计膜系结构的方法 掌握增透膜的设计方法 2.、实验工具：TFCalc膜系设计软件 3、设计指标及参数要求：基底材料：B K7或K9 基底折射率：1.51680 高折射率材料：HfO2、ZnS、ZrO2、ZnSe、Ta2O5 低折射率材料：MgF2、SiO2、BaF2、YF3 400nm-700nm 反射低于1.0% （R<1%）。 4.、实验内容：设计一个增透膜 5、设计结果分析： 1）膜系结构：G/2H/A (其中H:HFO2 L:MgF2) 2）膜系设计光谱曲线图 3）膜层结构 4）实验数据表 380 0.8767 393 0.5177 765 1.3355 778 1.6132 381 0.8229 394 0.5134 766 1.3556 779 1.636 382 0.7743 395 0.5114 767 1.3759 780 1.659 383 0.7308 396 0.5114 768 1.3965 781 1.6822 384 0.6921 397 0.5133 769 1.4172 782 1.7055 385 0.6579 398 0.517 770 1.4382 783 1.7291 386 0.628 399 0.5222 771 1.4593 784 1.7529 387 0.602 400 0.5288 772 1.4807 785 1.7769 388 0.5799 401 0.5366 773 1.5023 786 1.801 389 0.5613 402 0.5455 774 1.5241 787 1.8254 390 0.546 403 0.5554 775 1.546 788 1.8499 391 0.5337 404 0.5661 776 1.5682 789 1.8747 392 0.5244 .... ...... 777 1.5906 790 1.8996 衍射光学元件示意图 经过多年发展，海纳光学已经成为国内极具权威的衍射光学元件供应商。衍射光学元件主要分为光束整形器、分束器、多焦点DOE、长焦深DOE、衍射锥镜、螺旋相位片、匀化片和其它图案的衍射元件DOE。这里我们挑选较常用的整形镜、分束器、多焦点DOE，专门给出了这些衍射光学元件的示意图，衍射元件应用原理图，让用户能够对衍射元件的使用、安装位置和衍射过程一目了然。 一、光束整形器，整形镜，Beam Shaper, Top hat beam shaper 平顶光束整形器的作用是把高斯光束转换为平顶光束，即高斯整平顶。平顶光斑具有效率高、光斑小、能量均匀性好等特点，顶部能量绝对均匀，边缘陡峭，无高级次衍射，也称为平顶帽式光斑。光束整形器又称为整形镜，高斯整平顶DOE，平顶光整形器，平顶帽式整形镜，平顶光DOE，是最具代表性的衍射光学元件之一。 下面图片可以清晰地看到整形镜获得平顶光斑的过程，整形镜得到的平顶光斑的尺寸为衍射极限的1.5倍~几百倍，要求入射的高斯光束为TEM00的单模光。一般整形镜的衍射效率>93%，均匀性>95% (多台阶整形镜)，对安装精度要求较高。 整形镜不仅可以把入射光整形成圆形、正方形，还可以整形成直线、长方形、六边形等其它用户需要的形状。下图是把高斯光整形成直线光斑的示意图，这里我们用到一个模组而不是单独的镜片，这个模组成为Leanline，其克服了整形镜的工作距离限制，能够在一定工作距离范围内保持光束整形的效果。 二、匀化器、匀化镜、均匀光斑DOE、扩散片，Homogenizer, Diffuser 激光匀化器的作用是把入射激光转换成能量均匀分布的光斑，这里的光斑尺寸一般较大，形状可以为圆形、正方形、线性、六边形和其它任意用户想要定制的形状。入射激光可以为单模或多模，衍射效率70%~90%不等。 下图清晰地给出了匀化器的匀化过程，一般的结构是激光通过匀化器和聚焦系统后即可匀化，但这里还配合了一个激光扩束缩束镜，通过调节这个扩束缩束镜就可以直接调节输出光斑的大小。 多层衍射光学元件及镜头 添加用户：风雨无阻添加时间：2008-08-22 来源：点击：77214 Canon于2000年9月4日宣布研制成功世界上第一片用于照相机摄影镜头中的“多层衍射光学元件”(Multi- Layer Diffractive Optical Element，)，并将于2 000年9月20~25日在德国科隆举办的Photokina 2000大会上展示使用该光学镜片的EF 400/4 DO IS USM镜头的样品，该镜头的正式出售版预计于2001年上半年面市。 右边为多层衍射光学镜片， 左边为EF 400/4 DO IS USM样品。 多层衍射光学镜片同时具有萤石和非球面镜片的特性，所以该镜片的推出，是光学工业的一个里程碑。 衍射光学元件有衍射光栅，通过衍射改变光路(这里所说的衍射是指光线遇到障碍物时，将偏离直线传播，在边缘有扩散的倾向)。这样的光学元件原来应用在工业仪器，比如分光仪和信号读出光学系统(比如CD和DVD播放机)。但由于这类光学元件在自然光(白光)进入镜头时，会产生过多的衍射光，其结果是产生眩光，导致影像质量下降。 Canon研制的多层衍射光学元件(MLDOE)由两块有同心圆衍射光栅的单层衍射光学元件组成，其光栅相对组合。当入射光进入MLDOE时，不会产生多余的衍射光，几乎所有的光线都用于成像。Canon的研究成果首次表明：在照相机镜头中是可以采用衍射光学元件的。 多层衍射光学元件 多层衍射光学元件原理图 单层衍射光学元件和多层衍射光学元件的衍射特性 衍射光学元件最重要的特性是波长合成结像的位置与折射光学元件的位置是反向的。在同一个光学系统中，将一片MLDOE与一片折射光学元件组合在一起，就能比萤石元件更有效地校正色散(色彩扩散)。而且，通过调整衍射光栅的节距(间隙)，衍射光学元件可以具有与研磨及抛光的非球面镜片同样的光学特性，有效地校正球面以及其他像差。 MLDOE校正色散的原理 在生产MLDOE衍射光栅时，需要微米级(1微米=1/1000mm)的精度来保证衍射光 典型膜系介绍 根据其作用可以将光学薄膜的类型简单的分为： 1、减反射膜或者叫增透膜 2、分束膜 3、反射膜 4、滤光片 5、其他特殊应用的薄膜 一. 减反射膜（增透膜） 在众多的光学系统中，一个相当重要的组成部分是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中，增透膜是不可缺少的，否则，无法达到应用的要求。 就拿一个由18块透镜组成的35mm 的自动变焦的照相机来说，假定每个玻璃和空气的界面有4%的反射，没有增透的镜头光透过率为23%，镀有一层膜（剩余的反射为%）的镜头光透过率为%，镀多层膜（剩余的反射为%）的为%。 大功率激光系统要求某些元件有极低的表面反射，以避免敏感元件受到不需要的反射光的破坏。此外，宽带增透膜可以提高象质量、色平衡和作用距离，而使系统的全部性能增强。 当光线从折射率为n0的介质射入折射率为n1的另一介质时，在两介质的分界面上就会产生光的反射， 如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率R 为： 例，折射率为的冕牌玻璃，每个表面的反射约为%，折射率较高的火石玻璃表面的反射更为显著。 这种表面反射造成了两个严重的后果： ①光能量损失，使像的亮度降低； ②表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也达到像平面，使像的衬度降低，分辨率下降，从而影响光学系统的成像质量。 减反射膜，又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。 最简单的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低 的介于空气折射率和光学元件折射率之间的薄膜。以使某些颜色的单色光在表面 R T n n n n R -=???? ??+-=12 1010透射率 1.APSS.v 2.1.Winall.Cracked 光子学设计软件，可用于光材料、器件、波导和光路等的设计 2.ASAP.v7.14/7.5/8.0.Winall.cracked/Full 世界各地的光学工程师都公认ASAPTM（Advanced Systems Analysis Program，高级系统分析程序）为光学系统定量分析的业界标准。 注：另附9张光源库 3.Pics3d.v200 4.1.28.winall.cracked 电子.光学激光2D/3D有限元分析及模形化装置软件 https://www.wendangku.net/doc/ad3576170.html,stip.v2004.1.28.winall.cracked 半导体激光装置2D模拟软件 5.Apsys.2D/3D.v2004.1.28.winall.cracked 激光二极管3D模拟器 6.PROCOM.v2004.1.2.winall.cracked 化合物半导体模拟软件 7.Zemax.v2003.winall.cracked/EE ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起。 8.ZEBASE Zemax镜头数据库 9.OSLO.v6.24.winall.licensed/Premium OSLO 是一套处理光学系统的布局和优化的代表性光学设计软件。最主要的，它是用来决定光学系统中最佳的组件大小和外型，例如照相机、客户产品、通讯系统、军事 /外太空应用以及科学仪器等。除此之外，它也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软件工具。 10.TracePro.v324.winall.licensed/Expert TracePro 是一套能进行常规光学分析、设计照明系统、分析辐射度和亮度的软件。它是第一套以符合工业标准的ACIS(固体模型绘图软件)为核心所发展出来的光学软件，是一个结合真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件，它可将真实立体模型及光学分析紧紧结合起来，其绘图界面非常地简单易学。 11.Lensview.UPS.winall.cracked LensVIEW 为搜集在美国以及日本专利局申请有案的光学设计的数据库，囊括超过 18,000个多样化的光学设计实例，支持Zemax，OSLO，Code V等光学设计软件。 12.Code V.v940.winall.licensed CODE V是美国著名的Optical Research Associates公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。 13.LightTools.v4.0/sr1.winall.cracked LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中 衍射光学元件 ?-高帽光束整形 HOLO/OR几十年来服务于堆栈高帽元件模拟，可以很好 地定义高斯光束，将其在工作平台上转换为均匀强度光 斑。 应用领域：激光切割,激光焊接，激光显示，激光医学和审 美激光应用 ?Beam Splitter/Multispot-分束器/多场 分束器元件为衍射光学元件，用于将一束激光光束分离为几束，每束光都有最初那束光的特性，这些特性不包括光能量大小和传播角度。多束光方向可以形成一维或二维光图像。 应用领域：激光打孔，医疗表面处理，并行处理，并行激光扫描 ?Homogenizer/Diffuser-均化器/扩散器 HOLO/OR有多样且广泛的工业衍射光元件，允 许在合理的价格范围内提供解决方案。 应用领域：允许任何光束类型，小扩散角，自定 义角度，各种波长和尺寸，自定义形状 ?Beam Sampler-光束采样器 HOLO/RO介绍一种新的ED匀化器，由纯石英玻璃或硒化锌材料组成，可选择在这两种材料表面进行高功率ARV-镀膜，有利于给出解决方案，显著减少0.2% 的后向反射。（每个面0.1%） 应用领域：直插式功率，嵌入式光束分析 ?Dual Wavelength-双波长产生器 衍射光学给出了一个独特的构想，可以只影响 一个波长。在多波长光束中，双波长光束组合 器是衍射光学元件，用于将两束入射光以不同 的波长组合到相同焦点上，为在所需观察面上 获得一个强光斑，就必须在激光光束射向光斑 的路径上放置一个透明的衍射光学元件。 应用领域：外科手术激光系统，工业二氧化碳激光系统 ?Vortex lens-涡旋透镜 Holo-Or介绍了VL系列涡旋微透镜，由纯石 英玻璃或硒化锌材料组成，可选择在这两种材 料表面进行高功率ARV-镀膜，有利于给出解 决方案，显著减少0.2% 的后向反射。（每个 面0.1%） 应用领域：天文学，光学镊子，加密术 ?Lenslet arrays-微透镜阵列 微透镜阵列基底由微衍射透镜覆盖，微透镜阵 列作为扩散器，或者作为局部焦点和采样点。 衍射微透镜阵列的优势在于其占空因子为 100%，高于折射微透镜阵列。可以很容易地 进行设计和成像，并修正微透镜成像系统像 差。 应用领域：光束扫描仪，焦平面阵列光传感器 第13课. 带有衍射光学元件的激光扩束器 在第11课中，您了解了如何使用普通球面透镜设计激光扩束器，并了解到需要多个透镜元件才能获得良好的性能。第12课采用相同的设计，使用两个非球面元件，效果极佳。本课程将证明您可以使用DOE（衍射光学元件）。 目标是将腰半径为0.35mm的HeNe激光器转换成直径为10mm且均匀至10％以内的光束 这是我们初始的输入文件： RLE ! Beginning of lens input file.。 ID KINOFORM BEAM SHAPER WA1 .6328 ! Single wavelength UNI MM ! Lens is in millimeters OBG .35 1 ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture = 1/e**2 point. 1TH 22 ! Surface 2 is 22 mm from the waist . 2RD -2 TH 2 GTB S ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog SF6 3TH 20 ! Surface 3 is a kinoform on side 2 of the first element 3 USS 16 ! Defined as Unusual Surface Shape 16 (simple DOE) CWAV .6328 ! Zones are defined as one wave phase change at this wavelengt HIN 1.7988 55 ! Assume the zones are machined into the lens. You can also apply ! a film of a different index. RNORM 1 4 TH 2 GTB S ! The first side of the second element is also a DOE SF6 4 USS 16 CWAV .6328 HIN 1.7988 55 RNORM 1 5 CV 0 TH 50 ! Start with a flat surface 7 ! Surfaces 6 and 7 exist AFOCAL ! because they are required for AFOCAL output. END ! End of lens input file. 我们给第2个表面指定了一个合理RD值。这是现阶段的系统，还没有DOE的非球面系数： TFC膜系设计实例教程 TFC膜系实例设计步骤（首先以AR膜三层为例介绍） 1．首选镀膜材料：AL2O3 ZRO2 MGF2 2．AR膜技术要求：400------700 R〈1 3．运行TFC软件(如图1)，选择“取消”按钮，如要打开已设计好的膜系文件，可按“打开”来调用文件。 图1 4．在File菜单中选择New Coating选项（如图2）。 图2 5．进入环境编辑界面（Edit Environment）如图3 图3 6.在环境编辑界面中，第一项为监控波长（Reference wavelength）,默认设制为550（图3）。如果设计400-700波段的AR的话，就可以用这个设制。如要设计红外波段的话，那就要改大点。设好后，点击Analysis Parameters….项，进入下一个波段的设制界面（Set Analysis Parameters）。（如图4） 图4 6．在Set Analysis Parameters界面中选Wavelengths and Angles设计波段范围，在第一个输入框里输入起始波段400，第二输入框里输入结束波段700，第三个输入框里的为步长，可以不改，其它的不动（如图4）。输入完成后，按“OK”键确认，返回到如图3的界面，再按“OK”键，进入设计界面（如图5） 7.在Modify菜单中选Layers—Front(如图6)，然后进入添加膜层。（如图7） 图6 图7 7．选择Options Front Layers…..,添加层数，如图7，在弹出的输入框的第一个中输入3代表3层，如图8 图8 8．然后点“OK”，进入，出现如图9的画面。 二元光学元件的设计理论、特殊工艺与应用分析 摘要：二元光学自从80年代提出以来，由于其具有衍射效率高，色散性能好，以及具有传统光学不具有的独特的光学性能，而获得了迅速的发展。本文介绍了二元光学的发展历程、加工方法、特殊工艺，并阐述了常用二元光学器件的具体应用，及其发展方向。为同类元器件的研制与推广提供参考。 关键词：微光学、二元光学、衍射、光刻工艺 1、前言 传统光学元件是基于折反射原理的器件，如透镜、棱镜等都是用机械或手工的方法进行加工，不仅制造工艺复杂、而且元件尺寸大、重量大，已不能适应现代光学设备小型化、阵列化的趋势。80年代中期，美国MIT林肯实验室的威尔得坎普率先提出了“二元光学”的概念，二元光学有别于传统光学元件制造方法，基于衍射光学的原理，元件表面采用浮雕结构，制造上可以采用现有集成电路生产方法，由于采用二元掩模故称为二元光学。关于二元光学的准确定义，至今还没有统一的看法，但目前的共识是二元光学基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计、并采用超大规模集成电路制造工艺在元件表面蚀刻产生不同台阶深度的浮雕结构，形成具有极高衍射效率的衍射光学元件，是光学与微电子学相互渗透交叉的前沿学科[1]。它的出现将给传统光学设计和加工工艺带来新的革命。 2、二元光学元件研究进展 2.1 设计理论 二元光学元件的设计类似于传统的光学元件的设计方法，已知入射光的光场分布，以及所要达到的输出平面的光场分布，如何计算中间光学元件的参数，使得入射光经过光学系统后光场分布符合设计要求。但是它们之间不同之处在于传统光学设计软件采用的是光线追击以及传递函数的设计方法，而二元光学采用的是衍射理论及傅立叶光学的分析方法。但是在设计方法上仍有其共同点：如修正算法、模拟退火法、二元搜索法等也同样适合于二元光学元件的设计。由于在许多情况下，二元光学元件的特征尺寸在波长量级或亚波长量级，故标量衍射理论已不在适用，因此必须发展描述光偏振特性和不同偏振光之间相互作用的矢量衍射理论[2]。 2.2 加工工艺 二元光学元件基本制作工艺采用类似超大规模集成电路中微电子加工技术，而二元光学元件采用表面三维浮雕结构，需同时控制平面尺寸及纵向深度，其加工难度更大。近年 最新修正版 TFCalc 薄膜设计软件 功能强大 ★TFCalc 是一个光学薄膜设计和分析的通用工具，这里有按顺序排列介绍了TFC 的功能：吸收、有效镀膜、角度匹配、双锥形的穿透、黑体光源、色彩优化、约束、继续优化目标、派生目标、探测器、散射公式、电场强度、同等折射率、同等堆叠、获得材质、全局优化、组优化、发光体、膜层敏感性、局部优化、多重环境、针优化、光学监控、光学密度、相位移动、psi、发光分布、折射率的确定、反射、敏感度分析、堆叠公式、综合、穿透率、隧道效应、可变材料。 创新 ★TFCalc 软件是膜系设计软件中提供创新方法的领导者。例如，TFCalc 允许活动材料-材料的折射率随着外部影响而改变。这个功能是其它商业软件没有的功能。 容易使用 ★TFCalc 是标准的windows 和苹果机程序；薄膜设计工程师利用菜单、对话框和窗口来输入并显示结果。 ★Software Spectra 努力让TFCalc 软件尽可能的容易使用，特别是对仅仅偶尔使用软件的工程师来说这一点更加重要。TFCalc 软件包中包含了大量的设计实例。 价格 ★TFCalc 软件每套售价1.6 万元人民币，包含一年的升级和技术支持服务。量大和教学会有一定的折扣优惠。 多种平台 TFCalc 可以在以下计算机和操作系统下工作： ★运行windows 3.1 ，3.11，95，98，2000，XP 的PC。 ★运行System 7 或更新版本的苹果电脑。 ★TFCalc 所输出的文件格式兼容这两个平台，让你和同时可以共享数据。 TFCalc 3.80 功能概 要 TFCalc 是一款具有多种强大功能的软件。这个概要并没有列出它的所有功能。要想了解TFCalc 的所有功能，可以阅读TFCalc 用户手册。另外一种学习TFCalc 软件的方法就是使用它的演示版本。 薄膜 ★基层的两侧可以达到5000 层 ★膜层可以手动的添加，也可以使用堆叠公式自动创建，例如（HL）^5 1.2(HL)^5 ★膜层可以具有可变的折射率 ★膜层可以是两种材料的混合体 ★膜层的厚度可以用物理的或波长的四分之一作为厚度输入值 ★膜层的厚度可以被束缚 ★厚度可以根据角度值做调整 ★一个膜层可以被等效膜层的（HLH）或者（LHL）的堆叠所代替 ★膜层可以成组的对称保存或者按顺序移动 ★折痕的镀膜也可以模拟 ★膜层可以由活动性和增益性材料组成 分析 ★计算反射、穿透、吸收、光学密度、损耗、相位改变、psi、组延迟（GD）、组延迟散射（GDD）、TOD 和电场强度 ★计算反射或穿透颜色（CIE 和LAB） ★计算连续膜层的等价折射率（Herpin） ★计算反射、投射、吸收、光学密度、损耗、相位改变和正常生产中的公差（厚度和折射率）的敏感度 ★计算膜层的敏感度 ★计算反射，穿透、吸收、密度和用户自定义的损耗平均锥角（也叫做biconical） ★交互式的分析可以用来决定影响表现的参数的改变 ★使用交互式的功能可以创造生动的结果 ★生产分析可以让用户决定一个膜层的生产 ★Muller 或Abeles 相位改变的定义都可以选定 ★模拟光的监控器的输出 优化 ★三个局部方法：可变的公制、梯度和单一的 ★全局搜索可以用来找到最佳的镀膜设计 ★针优化（带有隧道效应的）用来针对综合的非寻常设计 ★厚度和折射率都可以设为变量 ★膜层的厚度可以在优化过程中被束缚 ★背离和折射率的轮廓可以在优化过程中显示出来 ★灵活的评价函数 衍射光学元件的基本原理 衍射光学元件是由二元光学的发展而衍生出来的一种新的光学器件，属于微光学范畴。光的衍射理论是设计衍射光学元件的基本原理。光的衍射公式复杂冗长，不便于实际应用，维尔克斯光电根据实际工程中holoor衍射光学元件的使用情况，精心总结了以下简化的公式，以相对简单的方式阐述衍射光学元件基本原理。 衍射光学公式： 光栅方程&垂直入射： 光栅方程&斜入射 衍射角度随波长的变化： 衍射极限的光斑尺寸： Holoor以对比度来定义光斑均匀性： Holoor的衍射光学元件DOE对于校准后的激光光束效果最好，但也可用于调制未校准的激光光束； DOE衍射光学元件不要求激光光束是偏振的或相干的； DOE衍射光学元件不会影响激光的偏振态，除了亚波长regime。 激光光束分束器/激光点阵衍射光学元件/多光斑衍射光学元件用到的衍射光学原理 Holoor 激光光束分束器/激光点阵衍射光学元件/多光斑衍射光学元件用于把一个激光光束分解为多个光束，而且每个光束的特性和入射的原始激光光束一致。 入射激光光束模式：单模/多模 相邻激光点/激光光斑的间距： 每个点的尺寸： 容忍度：对于X轴Y轴Z轴的对准偏差不敏感 衍射效率：70~95% 均匀性：典型值<5% 平顶光束整形器 Holoor平顶光束整形器的作用是把一个高斯入射激光光束在一个特定的工作平面上转化为一个均匀的激光光斑，形成一个具有极好的能量均匀性的像。 特性：成像尺寸可以为衍射极限的1.5倍~几百倍 输入激光模式：单模TEM00 （建议M2<1.3） 衍射效率：>93% 衍射均匀性：典型值<5%，无杂散光 容忍度：对于X轴Y轴的对准/校准敏感，聚焦和输入光束尺寸有关 激光匀化器、扩散器 Holoor 激光匀化器、扩散器的作用是是激光束变为任意形状的、具有均匀能量分布的大光斑，光斑形状可以为圆形、正方形、线性、六边形，甚至是任意形状。 输入激光模式：单模或多模（M2越大匀化效果越好） 衍射效率：典型值70%~90% 容忍度：对于X轴Y轴Z轴的对准偏差不敏感 TFC膜系设计中文教程 TFCalc Examples Antireflection (AR) Filters Page AR-1 Single-Layer Description 这是最古老的AR设计。假定入射介质是空气，基板具有折射率Ns,那么折射率小于Ns的任何药材组成的四分之一波长厚度的膜层，其反射在参考波长下都最小。若膜层的折射率是Ns的平方根，则其反射在参考波长处是零。但若Ns,1.9，则不存在反射可以降到零的永久药材。在这种情况下，我们需要一个两层的膜系。 Plot 裸的基板的反射率大约是4.2%，四分之一波长厚度的MgF2会将其在 550nm处Comment 的反射降到大约1.3%。 Antireflection (AR) Filters Page AR-2 Two-Layer (V coating) Description 一个两层膜的AR膜系比单层的在反射上有更多的控制。一个两层膜的滤波器可以在某单一波长处反射为0，这就是称其为V-coating的原因。对 于给定的两个药材，可以有两种产生0反射的设计。但此种膜系的缺点就在于0反射处波长对于加工误差很敏感，这可以用本软件显示其敏感度来说明。 Plot 此图显示的是两种设计的反射。一个相当厚的ZrO2膜层处在玻璃基板和MgF2膜Comment层之间。为使反射降到0，可以用优化来确定两个膜层的厚度。 Antireflection (AR) Filters Page AR-3 Two-Layer (W coating) Description 一个两层膜的AR膜系比单层的在反射上有更多的控制。一个两层膜的滤波器的另一特性是可使某一范围内的反射很低(但不为0)。这就是为什么称它为W-coating。 Plot 这是经典的H/2 L/4设计。 TFCalc 薄膜设计软件 功能强大 ★TFCalc 是一个光学薄膜设计和分析的通用工具，这里有按顺序排列介绍了TFC 的功能：吸收、有效镀膜、角度匹配、双锥形的穿透、黑体光源、色彩优化、约束、继续优化目标、派生目标、探测器、散射公式、电场强度、同等折射率、同等堆叠、获得材质、全局优化、组优化、发光体、膜层敏感性、局部优化、多重环境、针优化、光学监控、光学密度、相位移动、psi、发光分布、折射率的确定、反射、敏感度分析、堆叠公式、综合、穿透率、隧道效应、可变材料。 创新 ★TFCalc 软件是膜系设计软件中提供创新方法的领导者。例如，TFCalc 允许活动材料-材料的折射率随着外部影响而改变。这个功能是其它商业软件没有的功能。 容易使用 ★TFCalc 是标准的windows 和苹果机程序；薄膜设计工程师利用菜单、对话框和窗口来输入并显示结果。 ★Software Spectra 努力让TFCalc 软件尽可能的容易使用，特别是对仅仅偶尔使用软件的工程师来说这一点更加重要。TFCalc 软件包中包含了大量的设计实例。 价格 ★TFCalc 软件每套售价1.6 万元人民币，包含一年的升级和技术支持服务。量大和教学会有一定的折扣优惠。 多种平台 TFCalc 可以在以下计算机和操作系统下工作： ★运行windows 3.1 ，3.11，95，98，2000，XP 的PC。 ★运行System 7 或更新版本的苹果电脑。 ★TFCalc 所输出的文件格式兼容这两个平台，让你和同时可以共享数据。 TFCalc 3.80 功能概 要 TFCalc 是一款具有多种强大功能的软件。这个概要并没有列出它的所有功能。要想了解TFCalc 的所有功能，可以阅读TFCalc 用户手册。另外一种学习TFCalc 软件的方法就是使用它的演示版本。 薄膜 ★基层的两侧可以达到5000 层 ★膜层可以手动的添加，也可以使用堆叠公式自动创建，例如（HL）^5 1.2(HL)^5 ★膜层可以具有可变的折射率 ★膜层可以是两种材料的混合体 ★膜层的厚度可以用物理的或波长的四分之一作为厚度输入值 ★膜层的厚度可以被束缚 ★厚度可以根据角度值做调整 ★一个膜层可以被等效膜层的（HLH）或者（LHL）的堆叠所代替 ★膜层可以成组的对称保存或者按顺序移动 ★折痕的镀膜也可以模拟 ★膜层可以由活动性和增益性材料组成 分析 ★计算反射、穿透、吸收、光学密度、损耗、相位改变、psi、组延迟（GD）、组延迟散射（GDD）、TOD 和电场强度 ★计算反射或穿透颜色（CIE 和LAB） ★计算连续膜层的等价折射率（Herpin） ★计算反射、投射、吸收、光学密度、损耗、相位改变和正常生产中的公差（厚度和折射率）的敏感度 ★计算膜层的敏感度 ★计算反射，穿透、吸收、密度和用户自定义的损耗平均锥角（也叫做biconical） ★交互式的分析可以用来决定影响表现的参数的改变 ★使用交互式的功能可以创造生动的结果 ★生产分析可以让用户决定一个膜层的生产 ★Muller 或Abeles 相位改变的定义都可以选定 ★模拟光的监控器的输出 优化 ★三个局部方法：可变的公制、梯度和单一的 ★全局搜索可以用来找到最佳的镀膜设计 ★针优化（带有隧道效应的）用来针对综合的非寻常设计 ★厚度和折射率都可以设为变量 ★膜层的厚度可以在优化过程中被束缚 ★背离和折射率的轮廓可以在优化过程中显示出来 ★灵活的评价函数 最新修正版 TFC 膜系设计实例教程 AR 膜三层为例介绍） 首选镀膜材料：AL2O3 ZRO2 MGF2 AR 膜技术要求：400——700 R 〈 1 运行TFC 软件（如图1），选择“取消”按钮，如要打开已设计好的膜系文件，可 按“打开”来调用文件。 TFCalc HlFCalc 打开 ②区1 辜找范围GL ）: 1 口 我的文档 二1 ikl Thi n Pi Im Center 收蔵夹 芒1图片收藏 s 我的视频 討我的音乐 己新建文件夹 文件名①）：［1 1打开1 文件类型迂］1 Coating File C*. TFD) 二1 取消J 图1 F.lc Edit Mod ； fy JJL 二 f,11 = c 旦廿； 在File 菜单中选择 New Coating 选项（如图 2）。 TFC 膜系实例设计步骤（首先以 1. 2. 3. 4. N?w Coating CtrH-H Open Coating... CtrlfO Reopen 匚eating 1「 T 11 L- ? : 1 _ .i-l'S 二 -A 「 二 1」□孔 1 1 f.rl-r Printer Setup... File Exit TFCalc About TFCalc... 图2 最新修正版5.进入环境编辑界面（Edit Environment ）如图3 Ed.x± ￡nTxr onKczk± Coaling name: untiled ReJerenee wavelength (nm) 6?在环境编辑界面中，第一项为监控波长（ Referenee wavelength ），默认设制为550 （图3）。如果设计400-700波段的 AR 的话，就可以用这个设制。如要设计红外波段的话，那就要改大点。设好后，点击 Analysis Parameters ….项，进入 下一个波段的设制界面（ Set Analysis Parameters ） o （如图4） Set Analysis Para>eters Wavelengths and Angles | Cone-Angle | Ph 至E and Color Both, r^nge of angles at each wavelength 6. 在Set Analysis Parameters 界面中选 Wavelengths and Angles 设计波段范围，在第一个输入框里输入起始波段 400, 第二输入框里输入结束波段 700,第三个输入框里的为步长，可以不改，其它的不动（如图 4）o 输入完成后，按 “0K ”键确认，返回到如图 3的界面，再按“ 0K ”键，进入设计界面（如图 5） 丘 — — — — — — ， X ） OK Ircidenft Medium Angle 尸fDOt L 曲乎srs^^ SutrslreCe Back Layers Enil Medium Cancel lllumirkarit ' Incident angle (deg]: Incidert mediurriL Sub^ttolu. Thickness (mnnjr Enil Medium: Detector: Fkst Suiface: [WHITE 丽— 1^ |QLASS [GLASS jlDEAL I Front ~ Ana^s-is Paramelers... Enviromienr 1 550_0 l? by p 厂匚empute Lone-Angle Average OK Cancel tc i [300 to Both, r^nge of wavelengths at each angle第13课带有衍射光学元件的激光扩束器
TFCalc设计膜层方法指导(简单)
衍射光学元件
膜系设计
衍射光学元件示意图,衍射元件应用原理图
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光学薄膜技术第二章课件
常见光学仿真设计软件
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SYNOPSYS 光学设计软件课程第13课：带有衍射光学元件的激光扩束器
TFC膜系设计实例教程_最新修正版
二元光学元件的设计理论
膜系设计软件TFC的中文说明书_最新修正版
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TFC膜系设计中文教程
膜系设计软件TFC的中文说明书
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