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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