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第一篇 薄膜光学基本理论 1

第1章 薄膜光学的电磁理论基础 1

1.1 麦克斯韦方程 1

1.2 平面电磁波 6

1.2.1 复矢量波动方程——齐次矢量亥姆霍兹方程 6

1.2.2 理想介质中的平面波解 7

1.2.3 吸收介质中的平面波解 8

1.3 平均电磁能流密度——光强 9

1.4 电磁波谱、光谱 10

习题 12

参考文献 12

第2章 平面光波在两介质分界平面上的反射与透射 14

2.1 各向同性理想介质界面的反射与透射 14

2.1.1 S波反射与透射 14

2.1.2 P波反射与透射 16

2.2 各向同性吸收介质界面的反射与透射 18

2.2.1 S波反射与透射 18

2.2.2 P波反射与透射 20

2.3 非均匀介质界面的反射与透射 21

2.3.1 几何光学近似条件下非均匀介质中的波传播 21

2.3.2 任意非均匀介质界面的反射系数方程 24

2.4 各向异性介质界面的反射与透射 30

2.4.1 平面对称各向异性介质中麦克斯韦方程的分量形式 31

2.5 反射系数和透射系数随入射角的变化 36

2.5.1 全反射与倏逝波 36

2.5.2 全透射 37

2.5.3 反射系数、透射系数振幅和相位随入射角变化 38

2.6 反射率和透射率 39

2.6.1 理想介质分界面的反射率和透射率 40

2.6.2 吸收介质分界面的反射率和透射率 41

2.6.3 空气与金属导体表面的反射率 43

习题 44

参考文献 44

第3章 平面光波在平界面层状介质薄膜中的反射与透射 45

3.1 法向阻抗和光学有效导纳的概念 45

3.2 平面分界面单层均匀介质薄膜的反射与透射 47

3.3 平面分界面多层均匀介质薄膜的反射与透射 53

3.3.1 平面分界面多层均匀介质薄膜反射系数和透射系数计算的矩阵方法 53

3.3.2 多层增透膜和高反射膜的基本构成特点 55

3.4 非均匀介质膜层的特征矩阵 61

3.4.1 一阶近似 62

3.4.2 二阶近似 63

3.5 各向异性介质薄膜的分层矩阵计算方法 64

3.5.1 各向异性介质中的矩阵波动方程 64

3.5.2 各向异性介质薄膜的矩阵波动方程 66

3.5.3 均匀各向异性介质薄膜矩阵波动方程的解 70

3.5.4 单轴各向异性介质薄膜的特征矩阵 72

3.5.5 非均匀各向异性介质薄膜矩阵波动方程的数值解 74

3.5.6 单层各向异性介质薄膜的反射与透射 75

习题 79

参考文献 79

第4章 膜系设计图示法 81

4.1 矢量法 81

4.2 导纳图解法 87

4.2.1 单一等效界面等反射率导纳圆图和等相位导纳圆图 87

4.2.2 单层膜系等折射率导纳圆图和等相位导纳圆图 89

4.2.3 多层膜系等折射率导纳圆图 92

4.3 金属膜导纳圆图 97

4.4 膜系层间电场分布 99

习题 100

参考文献 101

第二篇 光学薄膜分类及应用 102

第5章 增透膜 102

5.1 表面反射对光学系统性能的影响 102

5.2 基底介质非相干叠加的透射率 104

5.3 透射滤光片组合透射率 106

5.4 均匀介质增透膜 107

5.4.1 单层均匀介质增透膜 107

5.4.2 多层均匀介质增透膜 108

5.5 非均匀介质增透膜 113

5.6 入射角变化对透射率的影响 115

5.7 增透膜应用实例——液晶显示增透膜 117

习题 118

参考文献 118

第6章 高反射膜 120

6.1 反射镜组合的反射率 120

6.2 周期多层膜系的反射率 121

6.2.1 周期多层膜系的特征矩阵 121

6.2.2 周期多层膜系的反射率和透射率 122

6.3 ［HL］m类型的周期多层膜 123

6.4 ｜（0.5L）H（0.5L）｜m类型的对称周期多层膜 126

6.5 周期多层膜构成的宽带高反射膜 128

6.6 中远红外区域的多层高反射膜 129

6.7 软X射线区域的多层高反射膜 131

6.8 金属反射镜 134

6.8.1 常用金属反射镜 134

6.8.2 金属-介质反射镜 136

6.9 影响反射特性的因素 137

6.10 高反射镜应用实例 143

6.10.1 激光高反射镜 143

6.10.2 光刻机系统193nm高反射膜 144

6.10.3 DLP/LCoS投影薄膜——宽角度高反射镜 145

习题 146

参考文献 146

第7章 带通滤光片 149

7.1 带通滤光片的特性描述 149

7.2 带通滤光片的基本构型——法布里-珀罗干涉仪及其变形 150

7.3 法布里-珀罗干涉仪透射率计算 151

7.3.1 单层薄膜反射与透射计算的有效界面法 151

7.3.2 膜系透射定理 153

7.3.3 法布里-珀罗干涉仪的透射率计算 155

7.3.4 法布里-珀罗干涉仪透射特性分析 156

7.3.5 特殊带通滤光片信噪比的计算 164

7.4 窄带和中等带宽滤光片 164

7.4.1 法布里-珀罗干涉滤光片 164

7.4.2 窄带平顶多腔带通滤光片 172

7.4.3 诱导带通滤光片 174

7.5 超窄带带通滤光片 183

7.6 宽带带通滤光片 185

7.7 带通滤光片的角特性 186

7.8 极远紫外及软X射线区域带通滤光片 190

7.9 多通道窄带带通滤光片 192

习题 193

参考文献 193

第8章 截止滤光片 196

8.1 截止滤光片的特性描述 196

8.2 吸收型截止滤光片 197

8.3 干涉型截止滤光片 198

8.3.1 1/4波长周期膜系的透射特性 198

8.3.2 周期对称膜系的光学等效导纳和等效相位 199

8.3.3 ［（0.5H）L（0.5H）］和［（0.5L）H（0.5L）］类型对称膜系的光学等效导纳和等效相位 201

8.3.4 ［（0.5H）L（0.5H）］m和［（0.5L）H（0.5L）］m类型周期对称膜系的透射率 203

8.3.5 透射带内波纹的压缩 208

8.3.6 截止带的展宽 210

8.3.7 透射带的展宽和压缩 212

8.4 金属-介质膜截止滤光片 218

8.5 热反射镜、冷反射镜和太阳能电池覆盖膜 218

习题 221

参考文献 221

第9章 带阻滤光片 223

9.1 带阻滤光片的特性描述 223

9.2 周期对称膜系构成的带阻滤光片 223

9.2.1 单个周期对称膜层的等效导纳和等效相位 224

9.2.2 多层膜透射率的不变特性 224

9.2.3 周期对称多层膜通带内波纹的压缩 227

9.2.4 四种介质周期对称膜系构成的带阻滤光片 230

9.3 非周期对称多层膜构成的带阻滤光片 231

9.4 正弦周期折射率带阻滤光片 232

9.4.1 正弦周期折射率带阻滤光片的基本构成特点 233

9.4.2 正弦周期折射率带阻滤光片设计的傅里叶变换方法 234

习题 241

参考文献 241

第10章 分光镜 243

10.1 中性分光镜 243

10.1.1 金属膜中性分光 244

10.1.2 介质膜中性分光 245

10.1.3 金属-介质膜中性分光 247

10.2 双色分光镜 249

10.3 偏振分光 254

10.3.1 偏振特性的描述 254

10.3.2 平板偏振分光镜 255

10.3.3 棱镜偏振分光 258

10.3.4 宽角宽带偏振分光 259

10.4 消偏振分光 262

10.4.1 偏振分离的描述 263

10.4.2 介质膜消偏振分光设计实例 267

10.4.3 金属-介质膜消偏振分光设计实例 271

10.4.4 其他消偏振分光设计方法 273

10.5 分光中的消色差问题 280

习题 281

参考文献 282

第三篇 薄膜技术基础 283

第11章 薄膜制备技术 283

11.1 真空技术简介 283

11.1.1 真空的基本知识 283

11.1.2 真空的获得 284

11.1.3 真空的测量 286

11.2 薄膜制备方法——物理气相沉积 289

11.2.1 蒸镀法 289

11.2.2 溅射法 300

11.3 薄膜制备方法——化学气相沉积 306

11.3.1 化学气相沉积的原理 307

11.3.2 常压化学气相沉积 308

11.3.3 低压化学气相沉积 308

11.3.4 等离子体增强化学气相沉积 309

11.3.5 光化学气相沉积 310

11.3.6 金属有机化学气相沉积 311

10.3.7 原子层沉积 312

11.4 薄膜制备方法——液相沉积 313

11.4.1 化学镀 313

11.4.2 阳极氧化法 314

11.4.3 溶胶-凝胶法 314

11.4.4 电镀 315

11.4.5 LB膜制备技术 315

11.5 光刻蚀 316

11.5.1 光刻工艺 316

11.5.2 光刻胶 317

11.5.3 掩模 318

11.5.4 曝光 318

11.5.5 刻蚀方法 318

11.5.6 无掩模刻蚀 321

11.5.7 刻蚀图形及折射率 323

习题 323

参考文献 324

第12章 光学薄膜检测技术 326

12.1 光谱分析技术基础 326

12.1.1 光度计和光谱仪的基本构成 326

12.1.2 紫外-可见光分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪 330

12.2 薄膜透射率和反射率测量 333

12.2.1 透射率测量 333

12.2.2 反射率测量 334

12.3 薄膜吸收和散射测量 338

12.3.1 吸收测量 338

12.3.2 散射测量 342

12.3.3 薄膜表面轮廓及粗糙度测量 344

12.4 光学薄膜常数测量 347

12.4.1 光度法 348

12.4.2 全反射衰减法 354

12.4.3 椭圆偏振法 357

12.5 光学薄膜激光损伤阈值检测 358

12.5.1 光学薄膜激光损伤机理 359

12.5.2 影响光学薄膜激光损伤阈值的因素 360

12.5.3 激光损伤阈值测量方法 362

12.5.4 提高光学薄膜损伤阈值的途径 366

12.6 薄膜微结构和化学成分检测 368

12.6.1 薄膜微结构 368

12.6.2 薄膜微结构检测 371

12.6.3 雕塑薄膜 372

12.6.4 薄膜化学成分检测 373

12.7 薄膜非光学特性测量 375

12.7.1 薄膜应力测量 375

12.7.2 薄膜附着力测量 383

12.7.3 薄膜硬度测量 388

12.7.4 薄膜密度和堆积密度测量 391

12.7.5 薄膜恒温、恒湿和液体侵蚀环境特性检测 394

习题 394

参考文献 395

第13章 光学薄膜材料 399

13.1 薄膜结晶形态几何描述 399

13.1.1 晶体结构的基本概念 399

13.1.2 晶体中的缺陷 402

13.1.3 单晶、多晶和非晶薄膜 405

13.2 金属薄膜 406

13.2.1 银膜（Ag） 406

13.2.2 铝膜（Al） 408

13.2.3 金膜（Au） 413

13.2.4 铬膜（Cr） 416

13.2.5 铂膜（Pt） 417

13.3 半导体薄膜 418

13.3.1 锗薄膜（Ge） 418

13.3.2 硅薄膜（Si） 423

13.3.3 氧化铟薄膜（In2O3） 427

13.3.4 氧化锌薄膜（ZnO） 429

13.3.5 硫化锌薄膜（ZnS） 433

13.3.6 二氧化锡薄膜（SnO2） 436

13.4 介质薄膜 440

13.4.1 氟化镁薄膜（MgF2） 440

13.4.2 氧化铝薄膜（Al2O3） 441

13.4.3 氧化铅薄膜（PbO） 444

13.4.4 二氧化硅薄膜（SiO2） 447

13.4.5 氧化钽薄膜（Ta2O5） 448

13.5 毒性薄膜材料 450

习题 450

参考文献 451

附录A 元素周期表 453

附录B 光学薄膜材料有用光谱范围 454

附录C 常见薄膜材料参数 455