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
光学薄膜的类型与符号1.减反膜
2.滤光膜
3 保护膜
4 内反射
5 外反射
6 高反膜
7 分束膜
8 分色膜
9 偏振膜
10 导电膜
复习：
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
一种压缩波纹的简单的方法是选择合
适的基本周期，通过改变基本周期内的膜
层厚度，使其等效折射率变到更接近预期
值，要使这种方法有成效，则要求光洁基
片保持低的反射率即基片应有低的折射率，
在可见光区，玻璃是十分满意的基片材料，
但是这种方法不能不加修改就用于红外区，
例如用于硅板和锗板,更常用的方法是在
多层膜的每一侧加镀匹配层，使它同基片
以及入射介质匹配。
0
20
40
60
80
100
500 550 600 650 700 750 800
L o w p a s s E x a m p l e & H i g h p a s s E x a m p l e
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T
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s
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t
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c
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W a v e 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
带通滤光片
最简单的带通滤光片可以用一对
前后截止滤光片来形成，但是需要将
它们分别置于一块玻璃的两侧，或者
说分别置于两个分离的光学界面上。
------为什么？
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
带通滤光片
?金属滤光片
?全介质滤光片
?双半波、三半波全介质滤光片
?金属诱导透射滤光片
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
最简单的薄膜窄带滤光片是
根据法布里 — 珀珞多光束干涉仪
制成的，干涉膜系按最初的形式
法布里 -珀珞干涉仪是由两块相
同的、间距为 d的平行反射板组
成 (如图 )，对于平行光线，除了
一系列按相等波数间隔分开的很
窄的透射带而外，其余所有波长
的透射率都很低。这个标准具可
以代换成一个完全的薄膜组合 —
— 两个金属反射层夹一个介质层，
介质层取代间距 d的位置，称为
间隔层。
法布里 — 珀珞标准具
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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有效界面法
膜系 1,2之间的膜层
为选定层，厚度为 d，则：
?
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考虑多光束干
涉，透射系数：
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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得到：
其中：
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
滤光片的主要参数
λ0—— 中心波长，或峰值波长
Tmax—— 中心波长透射率，或,
峰值透射率
2⊿ λ—— 透过率为峰值透过率一
半的波长宽度，也称通带半宽度，
有时也用 2⊿ λ/ λ0表示相对半宽
度
其它参数 ……
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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0
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由公式：
金属滤光片
形式：两层金属反射膜间夹一个介质层
当：
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k
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这里：
即
透过率有最大值
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
求通带半宽度：
透过率由峰值下降一半,θ 由 θ0 变为 θ0+⊿ θ
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可以求得,
R
R
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1
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21
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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
有时除半宽度外，还引入其他的带宽参
量，如 0.9倍峰值透射率处测得的带宽,0.1
倍峰值透射率的带宽以及 0.0l倍峰值透射率
的带宽等。对于法布里 — 珀琅滤光片，如果
在通带内来自反射膜的相位变化实际是常数
的话那么上述带宽量度分别是,1/3x 2 ⊿ λ,
3x 2 ⊿ λ 以及 10x2 ⊿ λ，这些量常用来说明
任一给定类型的滤光片的通带形状以及接近
于矩形的程度。
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
峰值透过率
? ?2
21
m a x 1 R
TTT
?
?
当反射膜没有吸收、散射损失
而且反射膜完全对称时，即
T1=T2=1-R1=1-R2,R1=R2时
Tmax=1；当两个反射膜完全对
称，且有散射、吸收存在时：
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2
12
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1
TAAT
T
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?
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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
在实际上存在吸收、散射的情
况下，反射膜的透射率愈低，吸收、
散射愈大，则峰值透射率愈低,例如
T12＝ 0.012,A=0.005,Tmax＝ 50%左
右。这时如果人 u增加至 0.01则
Tmax降至 30%左右。这足以说明法
布里 — 珀珞滤光片对膜层的吸收、
散射损失是极其敏感的。
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两个膜不对称对峰值透射率的影响
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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0
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30
40
50
60
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80
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100
400 500 600 700 800 900 1000
金属滤光片
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W a v e 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
次峰的消除
短波的次峰一般用吸收玻璃来消除
如果使用高级次，则需消除长波次峰
但是，长波吸收玻璃种类很少
金属滤光片一般胶合使用
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薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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金属滤光片的带宽
级次越高，带宽越小，但是受到
次峰和间隔层厚度限制
反射率越高，带宽越小，但是受
到吸收的限制
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全介质 F— B干涉滤光片
用全介质反射膜来替代金属反射膜得到
全介质干涉滤光片
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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对于高折射率间隔层：
对于低折射率间隔层：
假设两个反射板是对称的则：
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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如果考虑反射相移不是常数则需要加上
一个修正系数
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n
nn
nn
L
LH
LH
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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
由于全介质多层反射膜只在有限的区域是有效
的，因此滤光片透射率峰值的两边会出现旁通
带．在大多数应用中，必须将它们抑制掉．短波旁
通带只要在滤光片上叠加一块长波通吸收玻璃滤光
片很容易去掉，但是很不容易得到短波通吸收滤光
片，有些可供利用的吸收滤光片虽然能有效地抑制
长波旁通带，但因其短波方面的透射率太低，大大
降低了整个滤光片的峰值透射率。解决这个问题的
最满意的办法是干脆不用吸收滤光从而是把后面将
要讨论的诱导透射滤光片作为截止滤光片使用，通
常将构成最后的滤光片的三个组件胶合成一个整体。
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
多腔（半波）滤光片
简单的全介质法布里 — 珀珞滤光片的透
射率曲线并不是理想的形状，可以证明，在
任何级次的滤光片中，透射能量的一半是在
半宽之外的 (假定入射光束的能量随波长均匀
分布 ),因此透射率曲线愈接近矩形愈好，
在电学中,当多个调谐电路相耦合时，合成
的频率曲线比单个调谐电路的频率曲线更接
近矩形，对于法布里 -珀珞滤光片也发现了相
似的结果。
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
1 0 0
5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0
单半波与双半波滤光片光谱曲线
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T
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c
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W a v e 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
在双半波滤光片中可以看到，滤光片的结
构为：介质反射膜 /间隔层 /介质反射膜 /间隔层 /
介质反射膜”．但是滤光片也可以是混合结构，
例如用一层金属膜如银膜代替两间隔之间的介
质反射膜形式如下：
介质反射膜 /间隔层 /金属膜 /间隔层 /介质反射膜
这时金属诱导透射滤光片的基本形式
这种滤光片的最大好处：长波无次峰、透射率
较高
金属诱导透射滤光片
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
在双半波滤光片一节中可以看到，滤光片的
结构为“介质反射膜 l间隔层 1质反射膜 I间隔
层 l介质反射膜”。但是滤光片也可以是混合
结构，例如用一层金属膜如银膜代替两间隔
层之间的反射膜则组成了介质反射膜 /间隔层
/金属膜 /间隔层 /介质反射腹这种组合滤光片。
它和上述全介质双半波滤光片一样易于制做，
只要设计正确，这种滤光片正是诱导透射滤
光片。
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
势透射率的概念
R
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11
1
RA
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在膜系中包含金属层，且出射导纳 Y=x+iz
对于包含吸收层的多层膜
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1
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诱导透射原理
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
根据上面的定义，势透射率也是界面 a和界面
b的能流密度即坡印廷 (Poynting)矢量模之比
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8
,Re
8
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由薄膜矩阵，最后可得：
c0 c1 c2 c3 分别为膜层参数确定,x z是出射
导纳的参数
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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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可见势透射率不仅与膜层参数有关还与出射
介质有关，分别对,x,z求偏导得到极值：
最大时透射率与出射介质无关
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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总结：
含金属膜层的膜系势透射率与膜层参数、出
射导纳有关
最大势透射率与出射导纳无关，仅与膜层参
数有关
要得到最大透射，要设计减反射层
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
诱导透射滤光片
%
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W a v e l e n g t h ( n m )
膜系为：
HLHLH1.75L/65nmAg/1.75LHLHLH
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
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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 8 5 0 9 0 0 9 5 0 1 0 0 0
诱导透射滤光片
%
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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
0
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100
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000
诱导透射滤光片
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W a v e 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
作业：
比较几种薄膜滤光片的种类、
特点、用途。
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中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
光学薄膜的类型与符号1.减反膜
2.滤光膜
3 保护膜
4 内反射
5 外反射
6 高反膜
7 分束膜
8 分色膜
9 偏振膜
10 导电膜
复习：
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
一种压缩波纹的简单的方法是选择合
适的基本周期，通过改变基本周期内的膜
层厚度，使其等效折射率变到更接近预期
值，要使这种方法有成效，则要求光洁基
片保持低的反射率即基片应有低的折射率，
在可见光区，玻璃是十分满意的基片材料，
但是这种方法不能不加修改就用于红外区，
例如用于硅板和锗板,更常用的方法是在
多层膜的每一侧加镀匹配层，使它同基片
以及入射介质匹配。
0
20
40
60
80
100
500 550 600 650 700 750 800
L o w p a s s E x a m p l e & H i g h p a s s E x a m p l e
%
T
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t
t
a
n
c
e
W a v e 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
带通滤光片
最简单的带通滤光片可以用一对
前后截止滤光片来形成，但是需要将
它们分别置于一块玻璃的两侧，或者
说分别置于两个分离的光学界面上。
------为什么？
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
带通滤光片
?金属滤光片
?全介质滤光片
?双半波、三半波全介质滤光片
?金属诱导透射滤光片
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
最简单的薄膜窄带滤光片是
根据法布里 — 珀珞多光束干涉仪
制成的，干涉膜系按最初的形式
法布里 -珀珞干涉仪是由两块相
同的、间距为 d的平行反射板组
成 (如图 )，对于平行光线，除了
一系列按相等波数间隔分开的很
窄的透射带而外，其余所有波长
的透射率都很低。这个标准具可
以代换成一个完全的薄膜组合 —
— 两个金属反射层夹一个介质层，
介质层取代间距 d的位置，称为
间隔层。
法布里 — 珀珞标准具
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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有效界面法
膜系 1,2之间的膜层
为选定层，厚度为 d，则：
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考虑多光束干
涉，透射系数：
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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得到：
其中：
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
滤光片的主要参数
λ0—— 中心波长，或峰值波长
Tmax—— 中心波长透射率，或,
峰值透射率
2⊿ λ—— 透过率为峰值透过率一
半的波长宽度，也称通带半宽度，
有时也用 2⊿ λ/ λ0表示相对半宽
度
其它参数 ……
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
0
s i n1 F
TT
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由公式：
金属滤光片
形式：两层金属反射膜间夹一个介质层
当：
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21
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km
m
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k
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这里：
即
透过率有最大值
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
求通带半宽度：
透过率由峰值下降一半,θ 由 θ0 变为 θ0+⊿ θ
? ?? ??? ???? 0200 s i n1/21 FTT
可以求得,
R
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1
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2 1010
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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
有时除半宽度外，还引入其他的带宽参
量，如 0.9倍峰值透射率处测得的带宽,0.1
倍峰值透射率的带宽以及 0.0l倍峰值透射率
的带宽等。对于法布里 — 珀琅滤光片，如果
在通带内来自反射膜的相位变化实际是常数
的话那么上述带宽量度分别是,1/3x 2 ⊿ λ,
3x 2 ⊿ λ 以及 10x2 ⊿ λ，这些量常用来说明
任一给定类型的滤光片的通带形状以及接近
于矩形的程度。
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
峰值透过率
? ?2
21
m a x 1 R
TTT
?
?
当反射膜没有吸收、散射损失
而且反射膜完全对称时，即
T1=T2=1-R1=1-R2,R1=R2时
Tmax=1；当两个反射膜完全对
称，且有散射、吸收存在时：
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1
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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
在实际上存在吸收、散射的情
况下，反射膜的透射率愈低，吸收、
散射愈大，则峰值透射率愈低,例如
T12＝ 0.012,A=0.005,Tmax＝ 50%左
右。这时如果人 u增加至 0.01则
Tmax降至 30%左右。这足以说明法
布里 — 珀珞滤光片对膜层的吸收、
散射损失是极其敏感的。
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
两个膜不对称对峰值透射率的影响
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
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80
90
100
400 500 600 700 800 900 1000
金属滤光片
%
T
r
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i
t
t
a
n
c
e
W a v e 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
次峰的消除
短波的次峰一般用吸收玻璃来消除
如果使用高级次，则需消除长波次峰
但是，长波吸收玻璃种类很少
金属滤光片一般胶合使用
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薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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金属滤光片的带宽
级次越高，带宽越小，但是受到
次峰和间隔层厚度限制
反射率越高，带宽越小，但是受
到吸收的限制
薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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全介质 F— B干涉滤光片
用全介质反射膜来替代金属反射膜得到
全介质干涉滤光片
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12
2
0
2
12
0
2
12
101210
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2
12
12
4
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4
2
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2
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nn
n
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n
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m
TR
R
F
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?
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对于高折射率间隔层：
对于低折射率间隔层：
假设两个反射板是对称的则：
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如果考虑反射相移不是常数则需要加上
一个修正系数
m
n
nn
nn
L
LH
LH
??
?
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由于全介质多层反射膜只在有限的区域是有效
的，因此滤光片透射率峰值的两边会出现旁通
带．在大多数应用中，必须将它们抑制掉．短波旁
通带只要在滤光片上叠加一块长波通吸收玻璃滤光
片很容易去掉，但是很不容易得到短波通吸收滤光
片，有些可供利用的吸收滤光片虽然能有效地抑制
长波旁通带，但因其短波方面的透射率太低，大大
降低了整个滤光片的峰值透射率。解决这个问题的
最满意的办法是干脆不用吸收滤光从而是把后面将
要讨论的诱导透射滤光片作为截止滤光片使用，通
常将构成最后的滤光片的三个组件胶合成一个整体。
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多腔（半波）滤光片
简单的全介质法布里 — 珀珞滤光片的透
射率曲线并不是理想的形状，可以证明，在
任何级次的滤光片中，透射能量的一半是在
半宽之外的 (假定入射光束的能量随波长均匀
分布 ),因此透射率曲线愈接近矩形愈好，
在电学中,当多个调谐电路相耦合时，合成
的频率曲线比单个调谐电路的频率曲线更接
近矩形，对于法布里 -珀珞滤光片也发现了相
似的结果。
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0
20
40
60
80
1 0 0
5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0
单半波与双半波滤光片光谱曲线
%
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a
n
c
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薄 膜 光 学 —— 典型膜系
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在双半波滤光片中可以看到，滤光片的结
构为：介质反射膜 /间隔层 /介质反射膜 /间隔层 /
介质反射膜”．但是滤光片也可以是混合结构，
例如用一层金属膜如银膜代替两间隔之间的介
质反射膜形式如下：
介质反射膜 /间隔层 /金属膜 /间隔层 /介质反射膜
这时金属诱导透射滤光片的基本形式
这种滤光片的最大好处：长波无次峰、透射率
较高
金属诱导透射滤光片
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在双半波滤光片一节中可以看到，滤光片的
结构为“介质反射膜 l间隔层 1质反射膜 I间隔
层 l介质反射膜”。但是滤光片也可以是混合
结构，例如用一层金属膜如银膜代替两间隔
层之间的反射膜则组成了介质反射膜 /间隔层
/金属膜 /间隔层 /介质反射腹这种组合滤光片。
它和上述全介质双半波滤光片一样易于制做，
只要设计正确，这种滤光片正是诱导透射滤
光片。
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势透射率的概念
R
T
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11
1
RA
ATR
在膜系中包含金属层，且出射导纳 Y=x+iz
对于包含吸收层的多层膜
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l
j
1
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诱导透射原理
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根据上面的定义，势透射率也是界面 a和界面
b的能流密度即坡印廷 (Poynting)矢量模之比
? ? ? ?** Re
8
,Re
8
/
bbbaaa
ab
HE
c
PHE
c
P
PP
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)( 223210 zxczcxcc
x
???????
由薄膜矩阵，最后可得：
c0 c1 c2 c3 分别为膜层参数确定,x z是出射
导纳的参数
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2
2301
m a x
m a xm a xm a x
25.02
1
cccc
izxY
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可见势透射率不仅与膜层参数有关还与出射
介质有关，分别对,x,z求偏导得到极值：
最大时透射率与出射介质无关
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总结：
含金属膜层的膜系势透射率与膜层参数、出
射导纳有关
最大势透射率与出射导纳无关，仅与膜层参
数有关
要得到最大透射，要设计减反射层
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0
20
40
60
80
100
400 450 500 550 600 650 700 750 800
诱导透射滤光片
%
T
r
a
n
s
m
it
ta
n
c
e
W a v e l e n g t h ( n m )
膜系为：
HLHLH1.75L/65nmAg/1.75LHLHLH
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0
20
40
60
80
100
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 8 5 0 9 0 0 9 5 0 1 0 0 0
诱导透射滤光片
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100
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000
诱导透射滤光片
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作业：
比较几种薄膜滤光片的种类、
特点、用途。
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