2010薄膜光学习题与解答
一、概念：
二、证明：
1.光学厚度为λ0/2的膜层，在其中心波长处为虚设层。
2.证明：在边界处E与H的切向分量连续。
3.试证明所谓的薄膜系统的不变性：即当薄膜系统的所有折射率都乘以一个相同的常数，或
用它们的倒数替代时，膜系的反射率和透过率没有任何变化。
三、设计问题：
1.分析并设计一个应用于太阳能集热器的膜系，注意阳光的色温为5800K，黑体辐射为750K。
（查找资料获得阳光辐射曲线和黑体辐射曲线，利用TFCalc设计膜系）。
2.计算一个简单周期规整膜系A|(LH)7|S的截止波长位置、带宽、截止深度及其在截止波长处
的反射率（H:TiO2，n=2.3；L:SiO2，n＝1.45；A:空气，S:K9）。
3.设计一款宽带高反射膜，H:TiO2，n=2.3；L:SiO2，n＝1.45，需要考虑那些主要问题？
4.设计一个覆盖可见光波段的宽带全介质高反射膜，叙述其设计思想与设计步骤。
5.设计一个可见光区的减反射膜，要求如下：波长区间400～700nm，平均反射率<0.4%，最
大反射率<0.6%。
6.设计一个可见光区的高反射膜，要求如下：波长区间400～700nm，平均反射率>99%，最
小反射率>98%。
7.在空气中自然光入射到金属材料铝和银时，用TFCale软件分析两种材料反射光偏振效应最
大值出现的角度与数值的步骤。（λ＝500nm，Al：0.64-i5.50，Ag：0.050-i2.87）
8.请设计CCD使用的IR-CUT膜系
9.请设计冷光镜
10. 请设计棱镜分色系统所需要的所有膜系
11. 设计投影机用X 棱镜中的两个膜系
12. 设计泰曼干涉仪的金属（Al ）分光镜（光源为He-Ne 激光），要求到达接收平面的干涉图对
比度最好。
13. 试在玻璃基底（n ＝1.52）上设计一诱导透射滤光片，中心波长为500nm ，要求峰值透过率
大于70％，在400nm ～1500nm 的波长范围内背景透过率小于0.1%，整个多层膜与合适的吸收玻璃胶合。
四、判断题
1. 光束斜入射到膜堆时，S －偏振光的反射率总是比p －偏振光的反射率高（正确）
2. 对称膜系可以完全等效单层膜（错误，仅在通带中有类似特性）
3. 对于吸收介质，只要引入复折射率，进行复数运算，那么就可以完全使用无吸收时的公式
（正确）
4. 膜层的特征矩阵有两种表达方式：导纳矩阵和菲涅尔系数矩阵（错误）
5. 简单周期性多层膜，在其透射带内R<<1（错误）
6. 在斜入射情况下，带通滤光片S －偏振光的带宽比p －偏振光的带宽为大（正确）
7. 在包含吸收介质时，光在正反两个入射方向上的透过率是一样的（正确）
8. 发生全反射时，光的能量将不进入第二介质（错误）
9. 斜入射时，银反射膜的偏振效应比铝反射膜大（Al ：0.64-i 5.50，Ag ：0.050-i 2.87）（错误，
因为银的折射率远小于铝）
10. 高反射介质膜的截止深度是指在截止波长处的反射率（错误，是指截止带中心处的反射率）
五、简答题
1. 双半波滤光片的基本构造是怎样的？该结构用在那种滤光片中？有什么优点？ 答：
1） 双半波滤光片的基本结构为：反射膜堆|间隔层|反射膜堆|间隔层|反射膜堆； 2） 用在窄带滤光片中；
3） 高的中心波长透过率，宽的两旁截止带宽度。
2. 分析简单周期性多层膜，在其透射带内的波纹生成原因。
3. 利用公式θ
20
sin 1F T T +=
，说明减反射膜、带通滤光片、负滤光片对其参数的不同要求。
4. 周期性多层膜的截止带和透射带是根据什么划分的？
答：截止带和透射带交界位置的波长称为截止波长。在截止波长处，当周期增加时，截止波长处的反射率是单调增加的，而在其通带一侧，反射率是波动的。用公式来表示时，有：相
对波数)(sin 2
1
q
p q p g ηηηηπ+-=?-，
，中心波长两端的截止波长为g e ?±=10
λλ
5. 讨论薄膜实际厚度、相位厚度、光学厚度、质量厚度之间的关系，及在薄膜监控中的运用。
答：实际厚度d 是薄膜的物理厚度，光学厚度为θcos nd =?，与材料折射率和入射角度
相关；相位厚度?=
λ
π
δ2，又增加与测试波长相关。
质量厚度则是镀制在晶控片上的膜料质量m ，和晶控工艺参数（通过试镀获得，与晶控片面积s 和膜料比重等相关）换算所得，与实际膜厚有正相关关系。
在薄膜监控中，光控监控的是相位厚度，对于薄膜的光学特性控制比较准确。但一般只能检测其极值，且涉及参数多，故说其准确但不精密；
晶控可以精确监控薄膜质量的增加过程，从而推算出实际膜厚的增加过程，因此说其很精密。但晶控无法监测薄膜的折射率，因此在控制薄膜的光学特性上不够准确。
6. 计算薄膜光学性质的理论出发点是什么？
答：计算薄膜光学性质的理论出发点是波动光学的干涉理论。
7. 光学导纳与折射率概念的异同
答：导纳是介质内部磁场矢量与电场矢量模的比值：Y =介质光速的比值：V
C
n =
。在光波段，非铁电体情况下，可以将导纳和折射率等同看待。
8. 一个光学薄膜系统包括那些系统？
答：光学薄膜系统包括基底、膜堆、入射介质。膜堆由一层或多层不同介质的膜组成。
9. 在光波从一个介质进入另一个介质时，那些量是连续的？
答：在光波从一个介质进入另一个介质时，电场与磁场的水平（切向）分量均是连续的。
10. 为什么高真空对真空镀膜是必须的？
答：
1）避免空气中的活性分子与膜料、基底材料等发生反应； 2）使膜料分子的平均自由程增加，可以直接到达基底； 3）避免水（油）蒸汽对膜层的影响（折射率、附着力）。
4）降低膜料的蒸发温度。
11. 为高折射率基底设计红外增透膜系与一般可见光下的增透膜系有什么不同？
答：
1）可见光下透过率由4%下降到0.5%左右，红外增透膜透过率由30%下降到5%左右。 2）红外光下可以选择的膜层材料更少。 3）双层红外增透膜的外层一般选用高折射率的材料（与基底材料折射率接近）。 4）通常情况下，红外增透膜的带宽比可见光大许多。
12. 简述薄膜缺陷
答：
1） 薄膜的微观缺陷由膜的生成方式（分子团、岛、连通）决定，在膜中存在柱状空隙； 2） 薄膜与基底、不同薄膜之间的化学反应作用会改变介质的分层处的物理结构。 3） 镀膜时的杂质，产生点状缺陷。
13. 光学薄膜的特点：
1）主要表现为干涉效应；2）薄膜元件不参与成像。
14. 薄膜光学的研究对象：
答：薄膜光学主要研究在分层介质中光的传播规律。
15. 白光常被称为非相干光，在一般情况下不表现出干涉效应，为什么在薄膜中可以显著地观
察到？ 答：
白光被称为非相干光，是因为普通光源中每个原子的持续发光时间短且互不相关，波长也包括了所有可见光，因此白光相干长度极小。在光学薄膜中，膜层厚度要比白光的相干长度更小（一般单层为λ/4～λ/2，多层膜总厚度也不超过10μm ），因此光学薄膜才明显地表现出光波干涉特性。
16. 分析正入射与斜入射的不同点，在薄膜光学中如何处理斜入射问题？
答：
正入射时电场矢量各向同性，不存在偏振问题；斜入射时电场矢量必须分解成S-分量与P-分量不同处理。在薄膜光学中处理斜入射问题时引入修正导纳：
θηθηcos /,cos N N p s ==
然后就可以采用正入射时的公式了。
17. 均匀、透明介质的特征导纳矩阵的特点？
答：
1）主对角线两个元素m 11=m 22，且均为实数； 2）其余两个元素为纯虚数； 3）行列式的值为1。
18. 自然光与偏振光的差别？
答：
自然光的电矢量在垂直光波前进方向的平面内随时间作快速、无规律的变化； 有规律的变化则为偏振光，其中的特例是固定方向不变化，则是线偏振光。
19. 矢量法设计膜系的前提是什么？为什么？ 20. 矢量法的近似条件是什么？
答：
（1）只考虑界面上的单次反射，不考虑多光束干涉效应；（2）膜层没有吸收。
因为矢量法是一种作图方法，考虑多光束干涉将引入太多的矢量，膜层的吸收将引入复折射率，两者均使作图无法进行。
21. 金属膜在什么情况下可以看成是“厚”膜？为什么？
答：
因为金属膜是一种吸收介质，随着膜厚的增加，反射率将稳定在一个固定的数值上，透过率则随膜厚的增加而呈指数衰减，所以超过一定厚度的金属膜与无穷厚的膜没有什么差别，这个厚度由公式
61.4422≥d k λ
π
决定，其中d 2为临界厚度，k 2为金属膜折射率的复数部分。
22. 金属反射膜和全透明介质反射膜各有什么特点？
答：金属膜具有较高的反射率（80％－95％）和极宽的反射带宽。而全透明介质反射膜带宽较窄，但其反射率可以做到99％以上。
23. 诱导透射滤光片的优点与局限
答：诱导透射滤光片使用金属材料作为干涉滤光片的中间间隔层，其优点是截止带的带宽极大。而其局限是通带透过率与带宽之间的矛盾，即无法获得窄带高中心透过率的滤光片。
24. 写出五种常用薄膜的代号
答：
增透膜（AR）、内反射膜（HR）、外反射膜（HR）、分光膜（BS）、滤光膜、防水膜、保护膜、电热膜、偏振膜（PBS）、红外截止滤光片（IR－Cut）
25.写出五种镀膜方法的代号
答：
溶液沉淀法（Y）、阴极溅射法（R）、腐蚀法（S）、加热融化法（G）、电解或氧化法（D）、气体成膜法（Q）、真空蒸发法（F）、喷刷及其他（B）。
26.简述真空镀膜原理
答：
在真空中加热金属或介质材料，当达到一定温度且材料蒸汽压强大于真空室气压时，被加热的材料的原子或分子从本体逸出，以直线形式向四面八方辐射。当蒸汽分子撞击放在预定位置的待镀基片，就会在上面凝聚，从而形成薄膜。
由于分子的平均自由程与气体压强成反比，因此在真空中进行蒸发是必须的。
27.简述真空镀膜时薄膜的形成过程
答：
刚开始时，到达基底的成膜分子较少，在基底表面稍作停留后就离开；然后，到达分子渐渐多于离开的分子，形成几个分子组成的分子团，在基底表面停留的时间也变长；当分子团再变大时，将与临近的分子团合并，形成小岛，将稳定地停留再基底上；最后，各个小岛互相连通，形成薄膜。薄膜形成后，仍会留下一些小岛之间连通时未完全覆盖的区域，形成柱状缺陷。
28.λ/2厚度的膜层为什么被称为虚设层，它的作用是什么？
答：
λ/2厚度的膜层对于中心波长不起作用，因此被称为虚设层，但在离开中心波长的波段上，它将参与改变膜系特性参数，因此λ/2膜层常用来调整整个波段上的反射率曲线而不影响到中心波长处。
29.棱镜和平板偏振分光镜的设计原理有何不同？
答：棱镜偏振分光镜的设计原理是高反射的周期性规整膜系，在布鲁斯特角时p-偏振光全透射，而s-偏振光则被反射。平板偏振分光镜则是根据倾斜光入射时s-偏振光的带宽大于p-偏振光来设计的。
30.全介质带通滤光片的旁通带可用那些方法来消除？
答：
1）采用颜色玻璃来吸收某一个方向的旁通带；
2）采用镀制截止滤光片的方法；
3）采用金属镀制诱导透射滤光片。
31.如何理解“光控准确但不精密，晶控精密但不准确”这句话？
六、计算与公式推导分析：
1.推导斜入射情况下修正导纳的计算公式
2.如果在两块不同材料的直角棱镜（n1=1.5，n2=2.1）中间设计一个三层对称膜系，使中心波
长处达到透射极大，请计算其等效折射率Ε和等效相位厚度Γ的值。
答：
因为三层对称膜系与单层膜的特性相同，所以可以直接套用单层膜的计算方法：
775.11.25.121=?=?=E n n ，4/0λ=Γ
其中λ0是中心波长。 3. 分析三层膜的理论模型：
答：
三层膜的理论模型是以上反射镜R 1、下反射镜R 2和中间层构成的膜系，其透过率可用公式θ
2
sin 1F T T +=
表示，若上下反射镜的反射相移为21,??，中间层的位相厚度为δ，同时令2/)(21R R R +=，则公式中各参数表示为：
()()()
2210111R
R R T ---=，
()
2
14R R
F -=
()δ??θ-+=221
上述理论模型的主要优点是将反射率和反射相移、中间层位相厚度分开来进行计算和分析，因此在设计各类膜系时可以对膜系反射（透射）曲线进行人工调整，如增透膜：需要在宽光谱范围内F 尽可能小（R 小）和R 1 =R 2的组合。
思考题——原理
1. 光学薄膜的特点：
2. 提高单层膜的性能的途径有哪几个？
3. 理想单层膜的条件
4. 反射镜中驻波场分布
5. 胶合棱镜偏振分光镜的原理
6. 计算薄膜光学性质的理论出发点是什么？
答：是波动方程和光干涉效应。
7. 为什么只有在光波段介质材料的光学导纳才在数值上等于它的折射率？ 8. 试说明等效界面和等效层概念的异同。 9. 自然光与偏振光的差别？
工艺与设备
10. 简述真空镀膜原理
11. 简述真空镀膜时薄膜的形成过程
12. 一个典型的光学镀膜机真空系统包括那些部分？
计算题 1.
2. 分别利用矢量作图法和光学导纳矩阵法，计算下述AR 膜在波长400nm 、500nm 、600nm 和700nm
处的反射率（λ0＝520nm ） 3.
4. 利用SiO2（n ＝1.45）和TiO2（n ＝2.3）两种材料，设计一个激光高反射膜S|(HL)^mH|A ，那么
当需要反射率不小于99.8%时，周期数m 的最小值是多少？
光学薄膜技术
光学薄膜概论 光学薄膜 光学薄膜泛指在光学器件或光电子元器件表面用物理化学等方法沉积的、利用光的干涉现象以改变其光学特性来产生增透、反射、分光、分色、带通或截止等光学现象的各类膜系。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。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。 光学薄膜的特点是：表面光滑，膜层之间的界面呈几何分割；膜层的折射率在界面上可以发生跃变，但在膜层内是连续的；可以是透明介质，也可以是吸收介质；可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。 光学薄膜的基本原理: 1.利用光线的干涉效应，当光线入射於不同折射系数物质所镀成的薄膜，产生某种特殊光学特性。 分类：光学薄膜就其所镀材料之不同，大体可分为金属膜和非金属膜。 a.金属膜：主要是作为反射镜和半反射镜用。在各种平面或曲面反射镜，或各式稜镜等，都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等各种不同的材料。不同的材料在光谱上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可见光、近红外光有良好的反射率，是镀反射镜最常使用的材料之一。Ag膜在可见光和近红外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光泽，只能短暂的维持高反射率，所以只能用在内层反射用，或另加保护膜。 b.非金属膜:用途非常广泛，例如抗反射镜片．单一波长滤光片、长或短波长通过滤光片、热光镜、冷光镜、各种雷射镜片等，都是利用多种不同的非金属材料，蒸镀在研磨好之镜杯上，层数由单层到数十、百层不等，视需要的不同，而有不同的设计和方法。目前这些薄膜中被应用得最广泛，最商业化，也是一般人接触到最多的，就是抗反射膜。例如眼镜、照相机镜头、显微镜等等都是在镜片上镀抗反射膜。因为若是不加以抗反射无法得到清晰明亮的影像了，因此如何增加其透射光线就是一个非常重要的课题。 2.利用光波干涉原理，在镜片的表面镀上一层薄膜，厚度为1/4 波长的光学厚度，使光线不再只被玻璃—空气界面反射，而是空气—薄膜、薄膜—玻璃二个界面反射，因此产生干涉现象，可使反射光减少。若镀二层的抗反射膜，使反射率更低，但是镀一层或二层都有缺点：低反射率的波带不移宽，不能在可见光范围都达到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen 三位首先发表以1/4一1/2一1/4波长光学厚度作三层抗反射膜可以得到宽波带低反射率的抗反射膜。多层抗反射膜除了宽波带的，也可做到窄波带的。也就是针对其一波长如氨氟雷射632.8nm波长，要求极高的透射，可使63Z.8nm这一波长透射率高达99.8%以上，用之於雷射仪器。但若需要对某一波长的光线有看极高的反射率需要用高低不同折射系数的材料反覆蒸镀数十层才可达到此效果。 光学薄膜的制造方式：热电阻式、电子枪式和溅射方式。最普通的方式为热电阻式，是将蒸镀材料在真空蒸镀机内置於电阻丝或片上，在高真空的情况下，加热使材料成为蒸气，直接镀於镜片上。由於有许多高熔点的材料，不易使用此种方式使之熔化、蒸镀。而以电子枪改进此缺点，其方法是以高压电子束直接打击材料，由於能量集中可以蒸镀高熔点的材料。另一方式为溅射方式，是以高压使惰性气体离子化，打击材料使之直接溅射至镜片，以此方式
光学薄膜技术第二章课件
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
(完整版)几何光学练习题
几何光学练习题 一．选择题 1．关于光的反射，下列说法中正确的是 （ C ） A ．反射定律只适用于镜面反射 B ．漫反射不遵循反射定律 C ．如果甲能从平面镜中看到乙的眼睛，则乙也能同时通过镜面看到甲的眼睛 D ．反射角是指反射光线与界面的夹角 2．光线由空气射入半圆形玻璃砖，再由玻璃砖射入空气，指出下列图光路图哪个是可能的（ C ） 3．光线以某一入射角从空气射入折射率为3的玻璃中，折射光线恰好跟反射光线垂直，则入射角等于 A 450 B 300 C 600 D 150 4．光线由一种介质Ⅰ射向另一种介质Ⅱ，若这两种介质的折射率不同，则 （ C ） A ．一定能进入介质Ⅱ中传播 B ．若进入介质Ⅱ中，传播方向一定改变 C ．若进入介质Ⅱ中，传播速度一定改变 D ．不一定能进入介质Ⅱ中传播 5．如图所示，竖直放置的平面镜M 前，放有一点光源S ，设S 在平 面镜中的像为S ′，则相对于站在地上的观察点来说（A C ） A ．若S 以水平速度v 向M 移动，则S ′以－v 移动 B ．若S 以水平速度v 向M 移动，则S ′以－２v 移动 C ．若M 以水平速度v 向S 移动，则S ′以２v 移动 D ．若M 以水平速度v 向S 移动，则S ′以v 移动 6．三种介质I 、II 、III 的折射率分别为n 1、n 2和n 3，且n 1＞n 2＞n 3，则 （ B ） A ．光线由介质III 入射II 有可能发生全反射 B ．光线由介质I 入射III 有可能发生全反射 C ．光线由介质III 入射I 有可能发生全反射 D ．光线由介质II 入射I 有可能发生全反射 A D M S
(整理)几何光学.习题解
1.人眼的角膜可认为是一曲率半径r=7.8mm的折射球面，其后是n=4/3的液体。 如果看起来瞳孔在角膜后3.6mm处，且直径为4mm，求瞳孔的实际位置和直径。 2.在夹锐角的双平面镜系统前，可看见自己的两个像。当增大夹角时，二像互相靠拢。设人站在二平面镜交线前2m处时，正好见到自己脸孔的两个像互相接触，设脸的宽度为156mm，求此时二平面镜的夹角为多少？ 3、夹角为35度的双平面镜系统，当光线以多大的入射角入射于一平面镜时，其反射光线再经另一平面镜反射后，将沿原光路反向射出？ 4、有一双平面镜系统，光线以与其中的一个镜面平行入射，经两次反射后，出射光线与另一镜面平行，问二平面镜的夹角为多少？ 5、一平面朝前的平凸透镜对垂直入射的平行光束会聚于透镜后480mm处。如此透镜凸面为镀铝的反射面，则使平行光束会聚于透镜前80mm处。求透镜的折射
率和凸面的曲率半径（计算时透镜的厚度忽略不计）。解题关键：反射后还要经过平面折射 6、人眼可简化成一曲率半径为5.6mm的单个折射球面，其像方折射率为4/3，求远处对眼睛张角为1度的物体在视网膜上所成像的大小。 7、一个折反射系统，以任何方向入射并充满透镜的平行光束，经系统后，其出射的光束仍为充满透镜的平行光束，并且当物面与透镜重合时，其像面也与之重合。试问此折反射系统最简单的结构是怎样的。。 8、一块厚度为15mm的平凸透镜放在报纸上，当平面朝上时，报纸上文字的虚像在平面下10mm处。当凸面朝上时，像的放大率为β＝3。求透镜的折射率和凸面的曲率半径。
9、有一望远镜，其物镜由正、负分离的二个薄透镜组成，已知f1’=500mm, f2’=－400mm, d=300mm，求其焦距。若用此望远镜观察前方200m处的物体时，仅用第二个负透镜来调焦以使像仍位于物镜的原始焦平面位置上，问该镜组应向什么方向移动多少距离，此时物镜的焦距为多少？ 10、已知二薄光组组合，f’=1000，总长（第一光组到系统像方焦点的距离）L=700，总焦点位置lF’=400, 求组成该系统的二光组焦距及其间隔。
最新《薄膜光学与技术》2012期末考试试题A-答案
2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能 达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度 为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分 别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反 射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个 反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 5、周期性对称膜系(pqp)s 的等效折射率和 基本周期/pqp 的等效折射率完 全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的s 倍 。 6、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底 的组合导纳为： s n n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ， 高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、镀膜室内真空度高表明气体压强 小 ，真空度低则气体压强 大 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采 用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜 层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。 13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在 500-700nm 范围内，可以选取的监控波长为 600 和 514.3 nm 。
光学薄膜技术第三章 薄膜制造技术
第三章薄膜制造技术 光学薄膜可以采用物理汽相沉积（PVD)和化学液相沉积（CLD)两种工艺来获得。CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，废水废气对环境造成污染，已很少使用。 PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。 PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。 制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识 用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几个原子、分子的集合体（从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚。 在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在，那就会产生如下一些问题： ①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜； ②空气分子进入薄膜而形成杂质； ③空气中的活性分子与薄膜形成化合物； ④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成 化合物，从而不能进行正常的蒸发等等。 因此，必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个 过程称为抽气。空气压力低于一个大气压的状态称为真空， 而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空 室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备。制作 薄膜最重要的装备是真空设备． 真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备。二 者真空度不同，这两种真空设备的抽气系统基本上是相同 的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气 系统的材料也不同，下图是典型的高真空设备的原理图，制 作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类。 下图是超高真空设备的原理图，在原理上，它与高真空设备 没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性， 超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直 接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵（如钛吸气泵） 来辅助超高真空泵。 3.1 高真空镀膜机 1.真空系统 现代的光学薄膜制备都是在真空下获得的。普通所说的 真空镀膜，基本都是在高真空中进行的。 先进行(1)然后进行(2)。因为所有的（超）高真空泵只有在真空室的压力降低到一定程度时才能进行工作，而且在高真空泵（如油扩散泵）中，要把空气之类的分子排出，就必须使排气口的气体压力降低到一定程度。 小型镀膜机的真空系统 低真空机械泵+高真空油扩散泵+低温冷阱
几何光学基本原理习题及答案
第三章 几何光学基本原理 1．证明反射定律符合费马原理。 证明：费马原理是光沿着光程为最小值、最大值或恒定值的路径传播。 ?=B A nds 或恒值 max .min ，在介质n 与'n 的界面上，入射光A 遵守反射定律1 1i i ' =, 经O 点到达B 点，如果能证明从A 点到B 点的所有光程中AOB 是最小光程，则说明反射定律符合费马原理。 设C 点为介质分界面上除O 点以外的其他任意一点，连接ACB 并说明光程? ACB>光程 ?AOB 由于?ACB 与?AOB 在同一种介质里，所以比较两个光程的大小，实际上就是比较两个路程ACB 与AOB 的大小。 从B 点到分界面的垂线，垂足为o '，并延长O B '至 B ′ ，使B O B O '=''，连接 B O '，根 据几何关系知B O OB '=，再结合 11i i ' =，又可证明∠180='B AO °， 说明B AO '三点在一直线上， B AO ' 与A C 和B C '组成ΔB AC '，其中B C AC B AO ' +?'。 又∵ CB B C AOB OB AO B O AO B AO ='=+='+=', ACB CB AC AOB =+?∴ 即符合反射定律的光程AOB 是从A 点到B 点的所有光程中的极小值，说明反射定律符 合费马原理。 2、根据费马原理可以导出在近轴光线条件下，从物点发出并会聚到像点的所有光线的光程都相等.由此导出薄透镜的物象公式。 证明：由QB A ～FBA 得：OF\AQ=BO\BQ=f\s 同理，得OA\BA=f ' \s ',BO\BA=f\s
由费马定理：NQA+NQ A '=NQ Q ' 结合以上各式得：(OA+OB)\BA=1得证 3．眼睛E 和物体PQ 之间有一块折射率为1.5的玻璃平板(见题3.3图),平板的厚度d 为30cm.求物PQ 的像 与物体PQ 之间的距离 为多少? 解：.由题意知光线经两次折射后发生的轴向位移为： cm n d p p 10)3 21(30)11(=- =- ='，即像与物的距离为cm 10 题3.3图 4．玻璃棱镜的折射棱角A 为60度,对某一波长的光其折射率为1.6.计算(1)最小偏向角;(2)此时的入射角;(3)能使光线从A 角两侧透过棱镜的最小入射角. 解：由最小偏向角定义得 n=sin 2 A 0+θ/sin 2A ,得θ0=46゜１６′ 由几何关系知，此时的入射角为:i= 2A 0+θ=５３゜８′ 当在C 处正好发生全反射时：i 2’= sin -1 6 .11 =38゜41′,i 2=A- i 2’ =21゜19′ ∴i 1= sin -1(1.6sin 21゜19′)= 35゜34′ ∴ｉmin ＝３５゜３4′ ５．图示一种恒偏向棱角镜,它相当于一个30度-60-90度棱镜与一个45度-45度度棱镜按图示方式组合在一起.白光沿i 方向入射，我们旋转这个棱镜来改变1θ，从而使任意一种波长 的光可以依次循着图示的路径传播，出射光线为r.求证：如果2sin 1n = θ则12θθ=，且光束 i 与 r 垂直（这就是恒偏向棱镜名字的由来）． 解： i nsin sin 11=θ
光学薄膜现代分析测试方法
一、金相实验室 ? Leica DM/RM 光学显微镜 主要特性：用于金相显微分析，可直观检测金属材料的微观组织，如原材料缺陷、偏析、初生碳化物、脱碳层、氮化层及焊接、冷加工、铸造、锻造、热处理等等不同状态下的组织组成，从而判断材质优劣。须进行样品制备工作，最大放大倍数约1400倍。 ? Leica 体视显微镜 主要特性：1、用于观察材料的表面低倍形貌，初步判断材质缺陷； 2、观察断口的宏观断裂形貌，初步判断裂纹起源。 ?热振光模拟显微镜 ?图象分析仪 ?莱卡DM/RM 显微镜附 CCD数码照相装置 二、电子显微镜实验室 ?扫描电子显微镜(附电子探针) (JEOL JSM5200，JOEL JSM820，JEOL JSM6335) 主要特性： 1、用于断裂分析、断口的高倍显微形貌分析，如解理断裂、疲劳断裂（疲劳辉纹）、晶间断裂（氢脆、应力腐蚀、蠕变、高温回火脆性、起源于晶界的脆性物、析出物等）、侵蚀形貌、侵蚀产物分析及焊缝分析。 2、附带能谱，用于微区成分分析及较小样品的成分分析、晶体学分析，测量点阵参数/合金相、夹杂物分析、浓度梯度测定等。 3、用于金属、半导体、电子陶瓷、电容器的失效分析及材质检验、放大倍率：10X—300,000X；样品尺寸：0.1mm—10cm；分辩率:1—50nm。 ?透射电子显微镜（菲利蒲 CM-20,CM-200） 主要特性： 1、需进行试样制备为金属薄膜，试样厚度须<200nm。用于薄膜表面科学分析，带能谱，可进行化学成分分析。 2、有三种衍射花样：斑点花样、菊池线花样、会聚束花样。斑点花样用于确定第二相、孪晶、有序化、调幅结构、取向关系、成象衍射条件。菊池线花样用于衬度分析、结构分析、相变分析以及晶体精确取向、布拉格位移矢量、电子波长测定。会聚束花样用于测定晶体试样厚度、强度分布、取向、点群、空间群及晶体缺陷。 三、X射线衍射实验室 ? XRD-Siemens500—X射线衍射仪 主要特性： 1、专用于测定粉末样品的晶体结构（如密排六方，体心立方，面心立方等），晶型，点阵类型，晶面指数，衍射角，布拉格位移矢量，已及用于各组成相的含量及类型的测定。测试时间约需1小时。 2、可升温（加热）使用。 ? XRD-Philips X’Pert MRD—X射线衍射仪 主要特性： 1、分辨率衍射仪，主要用于材料科学的研究工作，如半导体材料等，其重现性精度达万分之一度。 2、具备物相分析（定性、定量、物相晶粒度测定；点阵参数测定），残余应力及织构的测定；薄膜物相鉴定、薄膜厚度、粗糙度测定；非平整样品物相分析、小角度散射分析等功能。 3、用于快速定性定量测定各类材料（包括金属、陶瓷、半导体材料）的化学成分组成及元素含量。如：Si、P、S 、Mn、Cr、Mo、Ni、V、Fe、Co、W等等，精确度为0.1%。 4、同时可观察样品的显微形貌，进行显微选区成分分析。
几何光学习题及答案
几何光学习题 1、关于小孔成像的下列说法中正确的是（） A．像的形状与孔的形状有关． B．像的大小与孔的大小有关． C．像的形状与孔的形状无关． D．像的大小与孔的大小无关． 2、关于日食和月食，正确的说法是（） A．位于月球本影中的人，能看到月全食． B．位于月球半影中的人，能看到日偏食． C．整个月球位于地球半影内，出现月偏食． D．月球位于地球本影内，出现月全食． 3、小孔照相机的屏与孔相距10cm，物体离开小孔的距离是200cm，则像高与物高的比是______． 4、太阳光照在浓密的树林里，地上常出现许多圆的光斑，这是由于______产生的． 5、房内h高度有一点光源S，并在该位置以初速为 水平抛出一个小球，它恰好落在竖直墙壁和地面的交点C（如图所示），则小球(A)在BC上的影子作什么运动，影子的速度多大？
6、有一个在地球赤道上方飞行的人造卫星，日落2h后赤道附近的人仍能在正上方看到它，试求它的最低高度(地球半径为6.38×106m)． 7、织女星离地球的距离约等于2.6×1014km，我们仰望天空看见织女星所发出的光实际上是多少年前发出的？ 8、光束在水中传播1m所需的时间内在空气中能传播多远（光在水中的传播速度为空气中的3/4）？ 9、图是迈克耳孙用转动八面镜法测定光速的实验示意图，S 为发光点，T是望远镜，AB=l=35.5km，为了能在望远镜中看见发光点S，八面镜的旋转频率应等于多少（OB《AB》）？
10、已知太阳光射到地球的时间为8min20s，试估算太阳质量(万有引力恒量G=6.7×10-11N·m2/kg2)． 参考答案 1、CD． 2、BD． 3、． 4、太阳通过间隙小孔在地上形成太阳的像． 5、匀速直线运动，速度大小为 ．
光学薄膜技术复习提纲讲解
光学薄膜技术复习提纲 、典型膜系 减反射膜（增透膜） 1、减反射膜的主要功能是什么？ 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。 ★ 2、单层减反射膜的最低反射率公式并计算 厂 宀 >2 llo —111 /11；#-1 R= ------------ <山+爲沁+/ ★ 3、掌握常见的多层膜系表达，例如 G| H L | A 代表什么？ G| 2 H L | A ? ★ 4、什么是规整膜系？非规整膜系？ 把全部由入0/4整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。 ★ 5、单层减反射膜只能对某个波长和它附近的较窄波段内的光波起增透作用。 为了在较宽的 光谱范围达到更有效的增透效果，常采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。 ★ 6 V 形膜、W 形膜的膜系结构以及它们的特征曲线。P16-17 ㈡高反射膜 ★ 1、镀制金属反射膜常用的材料有铝（AI ）、银（Ag ）、金（Au ）、铬等。 ★ 2、金属反射膜四点特性。P29 ① 高反射波段非常宽阔，可以覆盖几乎全部光谱范围，当然，就每一种具体的金属而言，它 都有自己最佳的反射波段。 V --G I HL| A / M |=! !膜 / fix 一上 —\ >< WG | 2HL | A 0 400 450 500 550 600 650 700 VUavelsnqth (rm ) 43 2
②各种金属膜层与基底的附着能力有较大差距。如Al、Cr、Ni （镍）与玻璃附着牢固；而Au、 Ag与玻璃附着能力很差。 ③金属膜层的化学稳定性较差，易被环境气体腐蚀。 ④膜层软，易划伤。 ㈢分光膜 1什么是分光膜？ 中性分束镜能够在一定波段内把一束光按比例分成光谱成分相同的两束光，也即它在一定的 波长区域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率和反射率之比值一一透反比。因而反射光和透射光不带有颜色，呈色中性。 ★2、归纳金属、介质分束镜的优缺点： 金属分束镜p32 优点：中性好，光谱范围宽，偏振效应小，制作简单 缺点：吸收大，分光效率低。 使用注意事项：光的入射方向 介质分束镜p30 优点：吸收小，几乎可以忽略，分光效率高。 缺点：光谱范围窄，偏振分离明显，色散明显。 5、偏振中性分束棱镜是利用斜入射时光的偏振，实现50/50中性分光。 ㈣、截止滤光片 ★1、什么是截止滤光片？什么是长波通、短波通滤光片？p33 截止滤光片是指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 射的干涉截止滤光片。 抑制短波区、透射长波区的截止滤光片称为长波通滤光片。 抑制长波区、透射短波区的截止滤光片称为短波通滤光片。 2、截止光滤片的应用：彩色分光膜。P51 ①图2.4.13分光原理；②解决棱镜式分光元件偏振效应的方法是合理设计分光棱镜的形式，尽可能减小光束在膜面上的入射角。 ㈤、带通滤光片 ★1、什么是带通滤光片？P58
高考物理光学知识点之几何光学基础测试题含答案(5)
高考物理光学知识点之几何光学基础测试题含答案(5) 一、选择题 1．如图所示，把由同种玻璃制成的厚度为d 的立方体A 和半径为d 的半球体B 分别放在报纸上，且让半球的凸面向上．从正上方(对B 来说是最高点)竖直向下分别观察A 、B 中心处报纸上的文字，下面的观察记录正确的是 ①看到A 中的字比B 中的字高 ②看到B 中的字比A 中的字高 ③看到A 、B 中的字一样高 ④看到B 中的字和没有放玻璃半球时一样高 A ．①④ B ．只有① C ．只有② D ．③④ 2．某单色光在真空中传播速度为c ，波长为λ0，在水中的传播速度为v ，波长为λ，水对这种单色光的折射率为n ，当这束单色光从空气斜射入水中时，入射角为i ，折射角为r ，下列正确的是（ ） A ．v= n c ，λ=n c 0λ B ．λ0=λn，v=sini csinr C ．v=cn ，λ= c v 0λ D ．λ0=λ/n，v=sinr csini 3．题图是一个 1 4 圆柱体棱镜的截面图，图中E 、F 、G 、H 将半径OM 分成5等份，虚线EE 1、FF 1、GG 1、HH 1平行于半径ON ，ON 边可吸收到达其上的所有光线．已知该棱镜的折射率n = 5 3 ，若平行光束垂直入射并覆盖OM ，则光线 A ．不能从圆孤射出 B ．只能从圆孤射出
C．能从圆孤射出D．能从圆孤射出 4．如图所示，一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的a、b、c三束单色光。比较a、b、c三束光，可知() A．当它们在真空中传播时，a光的速度最大 B．当它们在玻璃中传播时，c光的速度最大 C．若它们都从玻璃射向空气，c光发生全反射的临界角最大 D．若它们都能使某种金属产生光电效应，c光照射出的光电子最大初动能最大 5．一束单色光从空气进入玻璃，下列关于它的速度、频率和波长变化情况的叙述正确的是A．只有频率发生变化 B．只有波长发生变化 C．只有波速发生变化 D．波速和波长都变化 6．公园里灯光喷泉的水池中有处于同一深度的若干彩灯,在晚上观察不同颜色彩灯的深度和水面上被照亮的面积,下列说法正确的是( ) A．红灯看起来较浅,红灯照亮的水面面积较小 B．红灯看起来较深,红灯照亮的水面面积较小 C．红灯看起来较浅,红灯照亮的水面面积较大 D．红灯看起来较深,红灯照亮的水面面积较大 7．如图所示的四种情景中，属于光的折射的是（）． A．B． C．D． 8．如图所示，黄光和紫光以不同的角度，沿半径方向射向半圆形透明的圆心O，它们的出射光线沿OP方向，则下列说法中正确的是（）