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
复习：
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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
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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
介质分光镜于金属分光镜的比较
?中性
?角度、偏振
?带宽
?其它
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
反 射 膜
在光学薄膜中，反射膜和增透膜几乎同样重
要,对于光学仪器中的反射统来说，由于单纯
金属膜的特性大都已经满足常用要求，因而我们
首先讨论金属反射 膜，在某些应用中，若要求
的反射率高于金属膜所能达到的数值则可在金属
膜上加额外的介质膜以提高它们的反射率,最
后介绍全介质多层反射膜，由于这种反射膜具有
最大的反射率和最小的吸收率因而在激光应用中
得到了广泛的使用。
金属反射膜
22
222
)1(
)1(
)(1
)(1
kn
kn
ikn
iknR
??
???
??
???
光线入射到金属上的反射率：
当金属膜厚度达到一定程度的时候，
基底的影响可以忽略，在一个比较大的范
围内反射率与厚度是基本无关的。
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
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不同厚度 Al 膜的反射对比
%
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下图为 1,2,4,8,16,32,64,128nm铝膜反射率的理论曲线
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
金属的
色散
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
金属反射镜
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
金属膜材料的选择
原则,
?先考虑使用波段要求
?反射率要求
?使用环境
?制作成本等
Al,Ag,Au,Pt
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
金属膜材料的选择
?铝：最常用，紫外、可见、红外
?银：反射率最高，稳定性差
?金：红外常用、稳定
?铂、铑：稳定、坚固
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
金属膜的制作工艺
?温度、速度、厚度、真空度、蒸发角度
?连接层（内、外反射）
?保护层（透明波段）
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
复杂的
系统往往要
求有足够的
能量，右图
是一个完全
由反射镜组
成的系统的
能量情况
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
增强金属反射镜
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)1(
)1(
)(1
)(1
kn
kn
ikn
iknR
??
???
??
???
单一金属膜
我们在上面加两层 1/4波长厚度的介
质膜，假设紧贴金属的膜层折射率为 n2，
则在中心波长处的反射率可以由薄膜矩
阵求得。
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
? ?
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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
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比较两个
反射率
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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
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200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 0 0 0
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Ag膜,Al膜及 Al+LHLH膜光谱比较
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
全介质反射膜
金属反射镜的吸收是始终存在的，
使它在很多场合不能 应用，如有些高能
激光膜，这时候需要全介质高反膜。我
们知道：由 H/L高低介质重复叠加可以
对某一波段进行高反射。如
（ HL)sH/Glass结构的导纳：
由反射率公式可知：
S越大，反射率越大；
nH/nL越大，反射越大。
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
HLH导
纳轨迹
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
理论上只要增加膜系的层数反射率
可无限地接近于 100%,实际上由于膜层
中的吸收、散射损失，当膜系达到一定
层数时继续加镀两层并不能提高其反率，
有时甚至由于吸收、散射损失的增加而
使反射率下降因此膜系中的吸收和散射
损耗限制了介质膜系的最大层数。
全介质反射膜
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
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5\7\9\17层反射膜光谱
由上图可以看出最高反射率随层数
增加，而反射带宽并不增加
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
对于 (HL)s型的反射膜我们试图通过
分析它的基本周期来确定反射带宽。基
本周期 HL特征矩阵设为：
反射带宽的确定
?
?
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2221
1211
mm
mm
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
? ?
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无关、与，
，如果为简化令
未镀膜及片相比较
未
未
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2211
10
2
10
01
2
211210
2
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1211
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则膜系的特征矩阵：
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
? ? ? ? ????? 22112211
2
11
2
1 uumm 则
可 证明当周期数增大,s趋近无限大时
这时反射率随层数增加而增加，所以在反
射区内，当它小于 1 时反射率随层数关系
不确定，故不是反射区，所以：
? ? 121 2211 ?? mm 是反射区的边界
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
HL的矩阵,
?
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H,L都是 1/4波长
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2
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22
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22
2211
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n
n
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mm
n
n
n
n
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边
整理
令
不能大于
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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
称为相对波数??
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2
0
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g
g
相位厚度：
中心波长处高
反带的边界
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1
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2
,
2
s inc o s
,1
22
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边
边边
因此
反射带宽与 H,L的折射率有关
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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用相对波数表示带宽：
gg ????? 11
用波长表示带宽：
? ? ? ?gg ??????? 11 0201 ????
? ? ? ?
? ? 020
00
21/2
1/1/
??
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ggg
gg
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薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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同样道理，在 1/3,1/5,1/7,1/9处的反射
带边界为：
ggg ?????? 5,3,1
? ? ? ?
? ? ? ? 0005
0003
25
2
5/5/
9
2
3/3/
???
????
??????????
??????????
ggg
ggg
波长带宽
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
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100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
中心波长在 900nm 的标准反射膜
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横坐标为波数（ 1/cm)
横坐标为波长（ nm）
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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全介质反射膜的展宽
有些场合标准的反射膜反射带宽是不
够用的，例如想用全介质的反射膜在整个
可见区高反射，由于材料的限制，一组
HL)SH反射带宽是不够的。
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
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两组
反射
膜
G/(HL)8H/Air和 G/1.2((HL)8H)/Air的两个膜
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
简单
的叠
加不
行
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1 0 0
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G/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.2(HLHLHLHL
HLHLH/Air
G/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.1L+1.2(HLHLH
LHLHLHLH/Air
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
全介质反射膜反射带展宽
两个以上的标准反射膜系的叠加
变厚度薄膜：
算术递减
几何递减：稍好
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
材料,ZnS,MgF2 公差,-0.02 公比,0.97
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
问题：
上述几种反射膜各自用在那种场合？
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
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
复习：
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K9 基底上各种设计的增透膜理论曲线比较
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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
介质分光镜于金属分光镜的比较
?中性
?角度、偏振
?带宽
?其它
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
反 射 膜
在光学薄膜中，反射膜和增透膜几乎同样重
要,对于光学仪器中的反射统来说，由于单纯
金属膜的特性大都已经满足常用要求，因而我们
首先讨论金属反射 膜，在某些应用中，若要求
的反射率高于金属膜所能达到的数值则可在金属
膜上加额外的介质膜以提高它们的反射率,最
后介绍全介质多层反射膜，由于这种反射膜具有
最大的反射率和最小的吸收率因而在激光应用中
得到了广泛的使用。
金属反射膜
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)1(
)1(
)(1
)(1
kn
kn
ikn
iknR
??
???
??
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光线入射到金属上的反射率：
当金属膜厚度达到一定程度的时候，
基底的影响可以忽略，在一个比较大的范
围内反射率与厚度是基本无关的。
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
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不同厚度 Al 膜的反射对比
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下图为 1,2,4,8,16,32,64,128nm铝膜反射率的理论曲线
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
金属的
色散
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
金属反射镜
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
金属膜材料的选择
原则,
?先考虑使用波段要求
?反射率要求
?使用环境
?制作成本等
Al,Ag,Au,Pt
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
金属膜材料的选择
?铝：最常用，紫外、可见、红外
?银：反射率最高，稳定性差
?金：红外常用、稳定
?铂、铑：稳定、坚固
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
金属膜的制作工艺
?温度、速度、厚度、真空度、蒸发角度
?连接层（内、外反射）
?保护层（透明波段）
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
复杂的
系统往往要
求有足够的
能量，右图
是一个完全
由反射镜组
成的系统的
能量情况
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
增强金属反射镜
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)1(
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)(1
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kn
kn
ikn
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???
??
???
单一金属膜
我们在上面加两层 1/4波长厚度的介
质膜，假设紧贴金属的膜层折射率为 n2，
则在中心波长处的反射率可以由薄膜矩
阵求得。
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
? ?
? ? 2
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1
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中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
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22
222
)1(
)1(
)(1
)(1
kn
kn
ikn
iknR
??
???
??
???当 n1>n2时
比较两个
反射率
R*>R
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
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 0 0
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 0 0 0
%
Re
fl
e
c
ta
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
Ag膜,Al膜及 Al+LHLH膜光谱比较
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
全介质反射膜
金属反射镜的吸收是始终存在的，
使它在很多场合不能 应用，如有些高能
激光膜，这时候需要全介质高反膜。我
们知道：由 H/L高低介质重复叠加可以
对某一波段进行高反射。如
（ HL)sH/Glass结构的导纳：
由反射率公式可知：
S越大，反射率越大；
nH/nL越大，反射越大。
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
HLH导
纳轨迹
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
理论上只要增加膜系的层数反射率
可无限地接近于 100%,实际上由于膜层
中的吸收、散射损失，当膜系达到一定
层数时继续加镀两层并不能提高其反率，
有时甚至由于吸收、散射损失的增加而
使反射率下降因此膜系中的吸收和散射
损耗限制了介质膜系的最大层数。
全介质反射膜
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
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 0 0
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
%
Re
fl
e
c
ta
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
5\7\9\17层反射膜光谱
由上图可以看出最高反射率随层数
增加，而反射带宽并不增加
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
对于 (HL)s型的反射膜我们试图通过
分析它的基本周期来确定反射带宽。基
本周期 HL特征矩阵设为：
反射带宽的确定
?
?
?
?
?
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?
2221
1211
mm
mm
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
? ?
? ?? ?
? ?
无关、与，
，如果为简化令
未镀膜及片相比较
未
未
2112
2211
10
2
10
01
2
211210
2
221110
10
*
00
**
0
12221
1211
2221
1211
1
2
4
)()(
4
2
1
1
uuTT
uu
T
uuuu
T
CBCB
CBBC
RT
uu
uu
C
B
uu
uu
Mu
k
k
kk
k
k
s
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??
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?
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??
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??
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??
????
??
??
?
?
则膜系的特征矩阵：
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
? ? ? ? ????? 22112211
2
11
2
1 uumm 则
可 证明当周期数增大,s趋近无限大时
这时反射率随层数增加而增加，所以在反
射区内，当它小于 1 时反射率随层数关系
不确定，故不是反射区，所以：
? ? 121 2211 ?? mm 是反射区的边界
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
HL的矩阵,
?
?
?
?
?
?
?
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?
?
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?
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??
??
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c o ss in
s inc o s
c o ss in
s inc o s
L
L
H
H
in
n
i
in
n
i
M
H,L都是 1/4波长
? ?
? ?
2
2
22
2211
22
2211
c o s
1s i n
2
1
c o s
2
1
s i n
2
1
c o s
2
1
?
?
?
?
?
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?
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????
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LH
LH
H
L
L
H
H
L
L
H
nn
nn
n
n
n
n
mm
n
n
n
n
mm
边
整理
令
不能大于
?
??
?? 1
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
称为相对波数??
?
?
???
?
?
?
/
224
2
0
00
?
????
g
g
相位厚度：
中心波长处高
反带的边界
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?
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?
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?
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?
??
?
?
?
?
?
? ?
??
????
?
LH
LH
nn
nn
g
g
gg
1
22
s in
2
,
2
s inc o s
,1
22
?
?
?
??
?
边
边边
因此
反射带宽与 H,L的折射率有关
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
用相对波数表示带宽：
gg ????? 11
用波长表示带宽：
? ? ? ?gg ??????? 11 0201 ????
? ? ? ?
? ? 020
00
21/2
1/1/
??
???
ggg
gg
??????
???????
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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同样道理，在 1/3,1/5,1/7,1/9处的反射
带边界为：
ggg ?????? 5,3,1
? ? ? ?
? ? ? ? 0005
0003
25
2
5/5/
9
2
3/3/
???
????
??????????
??????????
ggg
ggg
波长带宽
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
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0
20
40
60
80
100
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
中心波长在 900nm 的标准反射膜
%
T
ra
n
s
m
it
ta
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
横坐标为波数（ 1/cm)
横坐标为波长（ nm）
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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全介质反射膜的展宽
有些场合标准的反射膜反射带宽是不
够用的，例如想用全介质的反射膜在整个
可见区高反射，由于材料的限制，一组
HL)SH反射带宽是不够的。
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 0 0
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
%
Re
fl
e
c
ta
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
两组
反射
膜
G/(HL)8H/Air和 G/1.2((HL)8H)/Air的两个膜
系
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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简单
的叠
加不
行
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 0 0
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
%
Re
fl
e
c
ta
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
G/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.2(HLHLHLHL
HLHLH/Air
G/(HLHLHLHLHLHLHLH)+1.1L+1.2(HLHLH
LHLHLHLH/Air
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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全介质反射膜反射带展宽
两个以上的标准反射膜系的叠加
变厚度薄膜：
算术递减
几何递减：稍好
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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材料,ZnS,MgF2 公差,-0.02 公比,0.97
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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问题：
上述几种反射膜各自用在那种场合？
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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