薄 膜 光 学 —— 基础理论
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
前一次课的主要内容
光学薄膜在倾斜入射时的表现
考虑到基片背面反射时的情况
对称膜系的等效折射率
矢量法
麦克劳德纳图解法简介
用麦克劳德纳图解法解释单、双层增透膜
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
典型膜系介绍
?增透膜
?分光膜
?反射膜
?滤光片
?特殊膜系
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
一, 增透膜（减反射膜）
我们都知道当光线从折射率为 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：
RT
nn
nnR ??
???
?
???
?
?
?? 1
2
10
10 透射率
?透过率损失，像的亮度降低，影响作用距离等；
?杂光影响，像的反衬度降低；
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
目前已有很多不同类型的增透膜可供利用，以满足
技术光学领域的极大部分需要。可是复杂的光学系统和
激光光学，对减反射性能往往有特殊严格的要求。例如，
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的破坏，并且对于薄膜往
往有激光阈值的要求。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，因
此，生产实际的需要促使了减反射膜的不断发展。 设计
减反膜并没有完整的系统的方法，简捷的途径是用矢量
法，并通过试行法得到较满意的结构，然后进行数值计
算作精确校核，以消除矢量法所固有的近似影响。
一,减反射膜（增透膜）
薄 膜 光 学 —— 基础理论
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矢量法
对于层数较少的减反射膜可以用矢量法作近似计算和设
计，这种方法有两个前提：
?膜层没有吸收；
?在确定多层膜的特性时只考虑入射波在每
个界面的单次反射；
薄 膜 光 学 —— 基础理论
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矢量法
为了避免在作矢量图时方向混乱，我们可以规定：
1,矢量的模 r1,r2,r3,r4…,正值为指向坐标原点负
值为离开原点．
2,矢量之间的夹角仅决定于膜层的光学厚度和所考察
的波长 (即决定于膜层的位相厚度 )按逆时针方向旋转。界
面上的位相跃变已经包含在振幅反射系数的符号中，不必
另作考虑。
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1.1 单层增透膜
单层增透膜是减少界面反射的最
简单途径，如右图用矢量法分析：
21
21
2
10
10
1,nn
nnr
nn
nnr
?
??
?
??
从矢量图上可以看到，合振幅矢量 r随着 r1和 2之间的
夹角 2δ而变化合矢量端点的轨迹为一园周。 当膜层
的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的
方向完全相反。
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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1.1 单层增透膜
201
21
21
10
10
21 nnnnn
nn
nn
nnrr ?
?
??
?
?? 则即
矢量法用来分析单层薄膜情况：
可见当厚度为某一波长 1/4，并且 r1=r2时剩余反射为零：
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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1.1 单层增透膜
2
2
2
1
0
2
2
1
0
2
0
0
2
2
1
11
1
2
111
1
1
1
2
2
1
c o ss i n
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B
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Y
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i
i
B
C
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?
?
???
?
?
?
其中：
运用矩阵法分析 1/4波长厚度时的情况：
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1.1 单层增透膜
1.1 单层增透膜
对于激光工作物质材料表面则 n12=n0n2
不再是单层膜的零反射率和最小反射率的条
件了。
?inN
iknN
ss ??
??
而是：
基片折射率不是：
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1.1 单层增透膜
单层增透膜的出现，在历史上是一个重大的进展，直至
今天仍广泛地用来满足一些简单的用途。但是它存在着两个
主要的缺陷，首光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就不然，破坏了色的平衔．其结果是不
可能作出良好的色彩还原，作为变焦距镜头超广角镜头，大
相对孔径等新型透镜系统中的镀层，那更是不能符合要求。
有两个途径可以提高增透效果：
?采用变折射率的所谓非均匀膜，它的折射率随着厚度的增
加呈连续的变化；
?采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜；
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1.2 双层增透膜
对于单层氟化镁膜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 1/4波长厚的、折
射率为 n2的薄膜，这时对于来说薄膜和基片组合的系统
可以用一折射率为 Y=N23/n3的假想基片来等价。显然，
当 n2>n3时，有 Y＞ n3．也就是说，在玻璃基片上先镀一
层高折射率的 λ0／ 4波长厚的膜层后，基片的折射率好象
从 n3提高到 Y=N23/n3,然后镀上 λ0／ 4波长厚的氟化镁膜
层就能起到更好的增透效果。 构成 λ0／ 4- λ0／ 4型增透膜，
若使中心波长的反射率为零，应满足：
0
3
2
01 nn
nnYn
?
?
??
?
????
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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1.2 双层增透膜
当折射率完全满足以上关系的材料不能找到时，可以通
过厚度的调整来达到，如图所示,n0,n3分别为入射介
质和基片的折射率,n1和 n2为折射率己确定的低折射率
和高折射率材料的膜层,δ1,δ2便是待定的膜层位相厚
度，用矢量法进行分析,
)0(
)0(
)0(
3
32
32
3
2
21
21
2
1
10
10
1
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?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
r
nn
nn
r
r
nn
nn
r
r
nn
nn
r 通常
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1.2 双层增透膜
只有当矢量 r1,r2和 r3组成封闭三角形才能使合矢量为零。因此只
须以矢量 r1的始点和终点为圆心，分别以 r3和 r2为半径作两个园，
两个园的交点就是满足合矢量为零条件的矢量 r2和 r3头尾相接的
点，然后从矢量图上即可量得 2δ1,2δ2的值。显然，图示的两种
方式，都能使三角形封闭。解 (b)的膜层总厚度比解 (a)的小，它对
波长的敏感性也较小，所以通常取此解。
用矢量法求出双层增透膜的各层厚度
0
5
10
15
20
25
4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0
A n t i r e f l e ct i o n C o a t i n g 5 5 0 n m
%
Re
fl
e
c
ta
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
红线,1.38H 0.61L
兰线,0.31H 2.77L NH=1.7 NL=1.46
1.2 双层增透膜
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上面讨论的 λ0／ 4- λ0／ 4 结构的 V形膜只能
在较窄的光谱范围内有效地减反射，因此仅适宜
于工作波段窄的系统中应用．厚度为 λ0／ 4- λ0／
2型的双层增透膜，在中心波长 λ0两侧,可望有
两个反射率极小值，反射率曲线呈 W型，所以也
有把这种双层增膜称作为 W型膜的．对于中心波
长膜层和基片组合的特征矩阵为
1.2 双层增透膜
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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3
2
1
1
1
3
31
1
0
0
2
0
0
1
3
222
2
2
2
111
1
1
1
//
1
10
01
0
/0
2
2
,
24
2
1
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B
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?
?
???
?
?
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???
?
?
?
1.2 双层增透膜
显然，在中心波长处的反射率与单层膜相同。
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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1.2 双层增透膜
0
1
2
3
4
5
400 450 500 550 600 650 700
单层膜,λ / 4 - λ / 4 和 λ / 2 - λ / 2 型双层增透膜理论曲线
%
R
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fl
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ct
a
n
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W a ve l e n g t h ( n m )
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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1.2 三层增透膜
双层增透膜的减反射性能比单层增透膜要优越得，但它
并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点（ 1）剩余反射高；
（ 2）带宽小。为了克服以上的缺点人们设计出了三层以及多
层增透膜。对于 λ0／ 4-λ0／ 4 型的增透膜在中心波长处增透效
果好但是带宽较小,λ0／ 4- λ0／ 2型的增透膜在一定程度上展
宽了带宽但是总体的减反射效果不理想，人们想到将它们结
合起来，设计出 λ0/4-λ0/2-λ0/4-λ0型增透膜，不仅提高了增透
效果，而且展宽了带宽。
总之，人们可以通过调整层数、厚度、材料来不断的优
化设计，由于实际工作中 λ0／ 4的整数倍厚度容易控制，人们
把全部由 λ0／ 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。
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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0
1
2
3
4
5
400 450 500 550 600 650 700
K9 基底上各种设计的增透膜理论曲线比较
%
R
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f
l
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c
t
a
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
0
1
2
3
4
5
4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0
A n t i r e f l e ct i o n co a t i n g a t 5 3 2 n m & 1 0 6 4 n m
%
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G\.25453I\,06773H\,0459I\,10938L\,05389H \.08113L
\.21788F \Air I:1.7 H:2.3 L:1.46 F:1.38
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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高折射率基底材料的的减反射膜
在可见区应用的大多数光学玻璃，通常在波长大于 3微米
以后就不再透明．因此，在红外区经常采用某些特种玻璃和
晶体材料特别是半导体材料。半导体有很高的折射率，例如
硅约为 3.4而锗大约是 4。 这些半导体基片若不镀增透膜，就
不可能广泛地使用．这个问题不同于可见区，在可见区，其
目的是将大约 4%的反射损失减小到千分之几，而在红外区，
则是将 30%左右的反射损失减小为百分之几。一般说在红外区
百分之几的损失是允许的，因而低折射率基片通常很少镀减
反膜。红外材料镀膜从原理上讲同可见是一致的，只不过材
料的选择余地较小。
减反射膜的一个特殊应用 ——
光学镀层应用于太阳能利用方面
太阳能利用有光热转换、光热电转换和光电直接
转换三种主要形式。前两种形式都要有一个选择性的
吸收表面，。使之对太阳损射有最高的吸收而热辐射
损失又最久以便有效地利用太阳能．这一点利用光学
镀层是容易实现的。如图表示入射在地球表面上的太
阳光的光谱分布以及黑体在不同温度下辐射光谱。从
图上可以清控地看到达两个光谱之问存在着间隔,对
于 500K以下的黑体温度两者的边界波长大约在 2.5微米
左右。由于存在着这个间隔，就能做成这样的表面，
既能有效地吸收太阳光而又不会在工作温度下把吸收
的能量再发射出去。
减反射膜的一个特殊应用 ——
光学镀层应用于太阳能利用方面
需要这样的选择性吸收体：在 2.5微米以下波长区域
有最高的吸收率，但是对于长波长有低的发射率。 于是
放置在太阳光中的选择性吸收体将达到比一般的黑体表
面更高的温度。 由于热能在高温比低温更宝贵 (这一点
是很重要的 )，在红外区有高反射的金属上沉积一薄的半
导体层和一简单的减反射膜组成的系统能满足这个要求，
半导体层增加了太阳辐射的吸收 率，但它对于红外区是
透明抵所以保持了红外区有高的反射率也即低的红外发
射率，但由于半导体折射率较高，表面有可观的反射损
率，因此可以用 减反膜 来消除反射。
减反射膜的一个特殊应用 ——
光学镀层应用于太阳能利用方面
减反射膜的一个特殊应用 ——
光学镀层应用于太阳能利用方面
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使用增透膜的几个注意事项
?使用的波长范围，单点还是宽光谱或一段光谱带一点；
例如可见区 (420nm-700nm)，或红外（ 3700nm-4800nm)，
或可见区加 1064nm等；
?剩余反射率指标；（平均或最大剩余反射率）
?使用角度或角度范围；
?使用环境；（有无三防要求等）
?有无激光阈值要求；
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分光膜
一般讲分光膜可以分为分束膜和分色膜，后者是
按颜色（波长）不同进行分光，本节主要讲分束膜，
它把一束光分按比例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、反射率比例，因而反射光和透射光不
具有颜色，并呈中 性。分光镜通常总是倾斜使用的，
它能把入射光分离成反射光和透射光两部分，对于不
同的用途分光镜往往有不同的透射率和反射率比 T／ R。
分光板的两种
使用方式
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分束镜又可以按使用方式分为平板和棱镜分光两种
正确
错误
棱镜分光
1.NPBS
Non-
polarising
beam splitter
2.PBS
polarising
beam splitter
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薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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金属分光镜
金属分光镜是最常用的分光镜
Ag膜：吸收小、中性差、稳定性差
在一般场合下要求分光膜的吸收小，因而在用金属作为分
光膜时应选择 k／ n值大一些的材料在可见区，银是吸收最
小的一种金属膜，但中性稍差，在光谱的蓝色端反射率下降，
而且银的机械强度和化学稳定性都不好，一般只在胶合棱镜
中使用；
Al膜和 Cr也经常用作分光膜；
Al膜也存在中性和牢固度的问题
Cr膜的中性较好，一般在可见区的长波段比短波端透射高。
镍铬合金（ 80Ni-20Cr)在较宽的光谱范围内中性较好。
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金属分光镜
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11nm金属铬 (Cr)
在正反两个方向入射时的反射率
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金属中性分光
G/11nm Cr膜 /Air
G/53nmZnS/11nm
Cr膜 /Air
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金属分光镜
金属分光镜的优缺点
优点：中性好，光谱范围宽、偏振效应小、制作简单
缺点：吸收大、激光阈值低
使用注意事项：光的入射方向
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介质分光膜
在某些情况下，不允许分光膜有明显的吸收，这时就必须
使用全介质分光膜，其实一层高折射率材料就可以构成简单的
分光膜。在透明基片 ng上镀上一层 1/4波长的高折射率的介质薄
膜 (n1)就能增加反射率，减小透射率，在中心波长附近一个相
当宽的波长范围内这种膜的反射率随被长改变得非常缓慢．中
心波长处的反射率为一极大值，可由下式计算：
????
?
?
?
?
?
?
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2
2
1
0
2
1
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m a x
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?
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分量：而分量：
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λ0／ 4厚单层薄膜材料在 K9基片反射率随折射率的变化情况
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介质分光膜
一般讲可见区透明材料的折射率都在 2.5以下，要
实现 50%的反射，即使是单点也很难实现，而且单层
膜的有效宽度不够，所以经常使用的是多层介质膜。
H(LH)n是反射膜系，当层数不多时反射率不高，同时
又有一定的透射率，加以适当的修正使得在某一区域
内有较好的中性，就可以成为一种分光膜。
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 0 0
2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0
分光膜
%
T
r
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c
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W a v e l e n g t h ( n m )
单层 ZnS膜与五层 G/2LHLHL/Air结构膜系光谱比较
G-K9 ; L-MgF2 ; H-ZnS
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
0
20
40
60
80
100
400 450 500 550 600 650 700 750 800
K9 基底上分光膜理论曲线
%
T
r
a
n
s
m
i
t
t
a
n
c
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平板分光膜的偏振分离情况
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
0
20
40
60
80
100
400 450 500 550 600 650 700
K9 棱镜分光膜理论曲线
%
T
r
a
n
s
m
i
t
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棱镜分光膜的偏振分离情况
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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介质分光膜
介质分光膜的特点
优点：吸收小，几乎可以忽略
缺点：光谱范围窄、偏振分离明显、角度效应明显
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前一次课的主要内容
光学薄膜在倾斜入射时的表现
考虑到基片背面反射时的情况
对称膜系的等效折射率
矢量法
麦克劳德纳图解法简介
用麦克劳德纳图解法解释单、双层增透膜
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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典型膜系介绍
?增透膜
?分光膜
?反射膜
?滤光片
?特殊膜系
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一, 增透膜（减反射膜）
我们都知道当光线从折射率为 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：
RT
nn
nnR ??
???
?
???
?
?
?? 1
2
10
10 透射率
?透过率损失，像的亮度降低，影响作用距离等；
?杂光影响，像的反衬度降低；
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
目前已有很多不同类型的增透膜可供利用，以满足
技术光学领域的极大部分需要。可是复杂的光学系统和
激光光学，对减反射性能往往有特殊严格的要求。例如，
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的破坏，并且对于薄膜往
往有激光阈值的要求。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，因
此，生产实际的需要促使了减反射膜的不断发展。 设计
减反膜并没有完整的系统的方法，简捷的途径是用矢量
法，并通过试行法得到较满意的结构，然后进行数值计
算作精确校核，以消除矢量法所固有的近似影响。
一,减反射膜（增透膜）
薄 膜 光 学 —— 基础理论
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矢量法
对于层数较少的减反射膜可以用矢量法作近似计算和设
计，这种方法有两个前提：
?膜层没有吸收；
?在确定多层膜的特性时只考虑入射波在每
个界面的单次反射；
薄 膜 光 学 —— 基础理论
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矢量法
为了避免在作矢量图时方向混乱，我们可以规定：
1,矢量的模 r1,r2,r3,r4…,正值为指向坐标原点负
值为离开原点．
2,矢量之间的夹角仅决定于膜层的光学厚度和所考察
的波长 (即决定于膜层的位相厚度 )按逆时针方向旋转。界
面上的位相跃变已经包含在振幅反射系数的符号中，不必
另作考虑。
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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1.1 单层增透膜
单层增透膜是减少界面反射的最
简单途径，如右图用矢量法分析：
21
21
2
10
10
1,nn
nnr
nn
nnr
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从矢量图上可以看到，合振幅矢量 r随着 r1和 2之间的
夹角 2δ而变化合矢量端点的轨迹为一园周。 当膜层
的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的
方向完全相反。
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
1.1 单层增透膜
201
21
21
10
10
21 nnnnn
nn
nn
nnrr ?
?
??
?
?? 则即
矢量法用来分析单层薄膜情况：
可见当厚度为某一波长 1/4，并且 r1=r2时剩余反射为零：
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
1.1 单层增透膜
2
2
2
1
0
2
2
1
0
2
0
0
2
2
1
11
1
2
111
1
1
1
2
2
1
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B
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其中：
运用矩阵法分析 1/4波长厚度时的情况：
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
1.1 单层增透膜
1.1 单层增透膜
对于激光工作物质材料表面则 n12=n0n2
不再是单层膜的零反射率和最小反射率的条
件了。
?inN
iknN
ss ??
??
而是：
基片折射率不是：
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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1.1 单层增透膜
单层增透膜的出现，在历史上是一个重大的进展，直至
今天仍广泛地用来满足一些简单的用途。但是它存在着两个
主要的缺陷，首光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就不然，破坏了色的平衔．其结果是不
可能作出良好的色彩还原，作为变焦距镜头超广角镜头，大
相对孔径等新型透镜系统中的镀层，那更是不能符合要求。
有两个途径可以提高增透效果：
?采用变折射率的所谓非均匀膜，它的折射率随着厚度的增
加呈连续的变化；
?采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜；
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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1.2 双层增透膜
对于单层氟化镁膜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 1/4波长厚的、折
射率为 n2的薄膜，这时对于来说薄膜和基片组合的系统
可以用一折射率为 Y=N23/n3的假想基片来等价。显然，
当 n2>n3时，有 Y＞ n3．也就是说，在玻璃基片上先镀一
层高折射率的 λ0／ 4波长厚的膜层后，基片的折射率好象
从 n3提高到 Y=N23/n3,然后镀上 λ0／ 4波长厚的氟化镁膜
层就能起到更好的增透效果。 构成 λ0／ 4- λ0／ 4型增透膜，
若使中心波长的反射率为零，应满足：
0
3
2
01 nn
nnYn
?
?
??
?
????
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
1.2 双层增透膜
当折射率完全满足以上关系的材料不能找到时，可以通
过厚度的调整来达到，如图所示,n0,n3分别为入射介
质和基片的折射率,n1和 n2为折射率己确定的低折射率
和高折射率材料的膜层,δ1,δ2便是待定的膜层位相厚
度，用矢量法进行分析,
)0(
)0(
)0(
3
32
32
3
2
21
21
2
1
10
10
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r
nn
nn
r
r
nn
nn
r
r
nn
nn
r 通常
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
1.2 双层增透膜
只有当矢量 r1,r2和 r3组成封闭三角形才能使合矢量为零。因此只
须以矢量 r1的始点和终点为圆心，分别以 r3和 r2为半径作两个园，
两个园的交点就是满足合矢量为零条件的矢量 r2和 r3头尾相接的
点，然后从矢量图上即可量得 2δ1,2δ2的值。显然，图示的两种
方式，都能使三角形封闭。解 (b)的膜层总厚度比解 (a)的小，它对
波长的敏感性也较小，所以通常取此解。
用矢量法求出双层增透膜的各层厚度
0
5
10
15
20
25
4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0
A n t i r e f l e ct i o n C o a t i n g 5 5 0 n m
%
Re
fl
e
c
ta
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
红线,1.38H 0.61L
兰线,0.31H 2.77L NH=1.7 NL=1.46
1.2 双层增透膜
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
上面讨论的 λ0／ 4- λ0／ 4 结构的 V形膜只能
在较窄的光谱范围内有效地减反射，因此仅适宜
于工作波段窄的系统中应用．厚度为 λ0／ 4- λ0／
2型的双层增透膜，在中心波长 λ0两侧,可望有
两个反射率极小值，反射率曲线呈 W型，所以也
有把这种双层增膜称作为 W型膜的．对于中心波
长膜层和基片组合的特征矩阵为
1.2 双层增透膜
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
3
2
1
1
1
3
31
1
0
0
2
0
0
1
3
222
2
2
2
111
1
1
1
//
1
10
01
0
/0
2
2
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24
2
1
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???
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?
?
1.2 双层增透膜
显然，在中心波长处的反射率与单层膜相同。
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
1.2 双层增透膜
0
1
2
3
4
5
400 450 500 550 600 650 700
单层膜,λ / 4 - λ / 4 和 λ / 2 - λ / 2 型双层增透膜理论曲线
%
R
e
fl
e
ct
a
n
ce
W a ve l e n g t h ( n m )
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
1.2 三层增透膜
双层增透膜的减反射性能比单层增透膜要优越得，但它
并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点（ 1）剩余反射高；
（ 2）带宽小。为了克服以上的缺点人们设计出了三层以及多
层增透膜。对于 λ0／ 4-λ0／ 4 型的增透膜在中心波长处增透效
果好但是带宽较小,λ0／ 4- λ0／ 2型的增透膜在一定程度上展
宽了带宽但是总体的减反射效果不理想，人们想到将它们结
合起来，设计出 λ0/4-λ0/2-λ0/4-λ0型增透膜，不仅提高了增透
效果，而且展宽了带宽。
总之，人们可以通过调整层数、厚度、材料来不断的优
化设计，由于实际工作中 λ0／ 4的整数倍厚度容易控制，人们
把全部由 λ0／ 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。
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
0
1
2
3
4
5
400 450 500 550 600 650 700
K9 基底上各种设计的增透膜理论曲线比较
%
R
e
f
l
e
c
t
a
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
0
1
2
3
4
5
4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0
A n t i r e f l e ct i o n co a t i n g a t 5 3 2 n m & 1 0 6 4 n m
%
Re
fl
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c
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c
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W a v e l e n g t h ( n m )
G\.25453I\,06773H\,0459I\,10938L\,05389H \.08113L
\.21788F \Air I:1.7 H:2.3 L:1.46 F:1.38
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
高折射率基底材料的的减反射膜
在可见区应用的大多数光学玻璃，通常在波长大于 3微米
以后就不再透明．因此，在红外区经常采用某些特种玻璃和
晶体材料特别是半导体材料。半导体有很高的折射率，例如
硅约为 3.4而锗大约是 4。 这些半导体基片若不镀增透膜，就
不可能广泛地使用．这个问题不同于可见区，在可见区，其
目的是将大约 4%的反射损失减小到千分之几，而在红外区，
则是将 30%左右的反射损失减小为百分之几。一般说在红外区
百分之几的损失是允许的，因而低折射率基片通常很少镀减
反膜。红外材料镀膜从原理上讲同可见是一致的，只不过材
料的选择余地较小。
减反射膜的一个特殊应用 ——
光学镀层应用于太阳能利用方面
太阳能利用有光热转换、光热电转换和光电直接
转换三种主要形式。前两种形式都要有一个选择性的
吸收表面，。使之对太阳损射有最高的吸收而热辐射
损失又最久以便有效地利用太阳能．这一点利用光学
镀层是容易实现的。如图表示入射在地球表面上的太
阳光的光谱分布以及黑体在不同温度下辐射光谱。从
图上可以清控地看到达两个光谱之问存在着间隔,对
于 500K以下的黑体温度两者的边界波长大约在 2.5微米
左右。由于存在着这个间隔，就能做成这样的表面，
既能有效地吸收太阳光而又不会在工作温度下把吸收
的能量再发射出去。
减反射膜的一个特殊应用 ——
光学镀层应用于太阳能利用方面
需要这样的选择性吸收体：在 2.5微米以下波长区域
有最高的吸收率，但是对于长波长有低的发射率。 于是
放置在太阳光中的选择性吸收体将达到比一般的黑体表
面更高的温度。 由于热能在高温比低温更宝贵 (这一点
是很重要的 )，在红外区有高反射的金属上沉积一薄的半
导体层和一简单的减反射膜组成的系统能满足这个要求，
半导体层增加了太阳辐射的吸收 率，但它对于红外区是
透明抵所以保持了红外区有高的反射率也即低的红外发
射率，但由于半导体折射率较高，表面有可观的反射损
率，因此可以用 减反膜 来消除反射。
减反射膜的一个特殊应用 ——
光学镀层应用于太阳能利用方面
减反射膜的一个特殊应用 ——
光学镀层应用于太阳能利用方面
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
使用增透膜的几个注意事项
?使用的波长范围，单点还是宽光谱或一段光谱带一点；
例如可见区 (420nm-700nm)，或红外（ 3700nm-4800nm)，
或可见区加 1064nm等；
?剩余反射率指标；（平均或最大剩余反射率）
?使用角度或角度范围；
?使用环境；（有无三防要求等）
?有无激光阈值要求；
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分光膜
一般讲分光膜可以分为分束膜和分色膜，后者是
按颜色（波长）不同进行分光，本节主要讲分束膜，
它把一束光分按比例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、反射率比例，因而反射光和透射光不
具有颜色，并呈中 性。分光镜通常总是倾斜使用的，
它能把入射光分离成反射光和透射光两部分，对于不
同的用途分光镜往往有不同的透射率和反射率比 T／ R。
分光板的两种
使用方式
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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分束镜又可以按使用方式分为平板和棱镜分光两种
正确
错误
棱镜分光
1.NPBS
Non-
polarising
beam splitter
2.PBS
polarising
beam splitter
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
金属分光镜
金属分光镜是最常用的分光镜
Ag膜：吸收小、中性差、稳定性差
在一般场合下要求分光膜的吸收小，因而在用金属作为分
光膜时应选择 k／ n值大一些的材料在可见区，银是吸收最
小的一种金属膜，但中性稍差，在光谱的蓝色端反射率下降，
而且银的机械强度和化学稳定性都不好，一般只在胶合棱镜
中使用；
Al膜和 Cr也经常用作分光膜；
Al膜也存在中性和牢固度的问题
Cr膜的中性较好，一般在可见区的长波段比短波端透射高。
镍铬合金（ 80Ni-20Cr)在较宽的光谱范围内中性较好。
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
金属分光镜
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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11nm金属铬 (Cr)
在正反两个方向入射时的反射率
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薄 膜 光 学 —— 典型膜系
金属中性分光
G/11nm Cr膜 /Air
G/53nmZnS/11nm
Cr膜 /Air
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金属分光镜
金属分光镜的优缺点
优点：中性好，光谱范围宽、偏振效应小、制作简单
缺点：吸收大、激光阈值低
使用注意事项：光的入射方向
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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介质分光膜
在某些情况下，不允许分光膜有明显的吸收，这时就必须
使用全介质分光膜，其实一层高折射率材料就可以构成简单的
分光膜。在透明基片 ng上镀上一层 1/4波长的高折射率的介质薄
膜 (n1)就能增加反射率，减小透射率，在中心波长附近一个相
当宽的波长范围内这种膜的反射率随被长改变得非常缓慢．中
心波长处的反射率为一极大值，可由下式计算：
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?
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?
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分量：而分量：
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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λ0／ 4厚单层薄膜材料在 K9基片反射率随折射率的变化情况
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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介质分光膜
一般讲可见区透明材料的折射率都在 2.5以下，要
实现 50%的反射，即使是单点也很难实现，而且单层
膜的有效宽度不够，所以经常使用的是多层介质膜。
H(LH)n是反射膜系，当层数不多时反射率不高，同时
又有一定的透射率，加以适当的修正使得在某一区域
内有较好的中性，就可以成为一种分光膜。
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 0 0
2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0
分光膜
%
T
r
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c
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W a v e l e n g t h ( n m )
单层 ZnS膜与五层 G/2LHLHL/Air结构膜系光谱比较
G-K9 ; L-MgF2 ; H-ZnS
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
0
20
40
60
80
100
400 450 500 550 600 650 700 750 800
K9 基底上分光膜理论曲线
%
T
r
a
n
s
m
i
t
t
a
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
平板分光膜的偏振分离情况
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
0
20
40
60
80
100
400 450 500 550 600 650 700
K9 棱镜分光膜理论曲线
%
T
r
a
n
s
m
i
t
t
a
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
棱镜分光膜的偏振分离情况
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
介质分光膜
介质分光膜的特点
优点：吸收小，几乎可以忽略
缺点：光谱范围窄、偏振分离明显、角度效应明显
