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《薄膜光学与薄膜技术基础》是作者多年来从事薄膜光学与薄膜技术课程教学研究成果的总结。《薄膜光学与薄膜技术基础》共分三篇13章：**篇分为4章，讲述薄膜光学基本理论，内容包括各向同性均匀和非均匀、各向异性均匀和非均匀、吸收和导电层状介质薄膜反射和透射特性计算；第二篇分为6章，分类讲述增透膜、高反射膜、带通滤光片、截止滤光片、带阻滤光片和分光镜的膜系构成、特性描述及其应用；第三篇分为3章，比较全面地介绍了物理气相沉积、化学气相沉积和液相沉积薄膜制备方法原理、光学薄膜检测技术，以及一些金属薄膜、半导体薄膜和介质薄膜制备实例。鉴于薄膜光学与薄膜技术的飞速发展，《薄膜光学与薄膜技术基础》在取材的深度和广度上充分考虑到现代前沿科学领域的知识内容。

目录

**篇 薄膜元学基本理抢

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 复矢量波动方程一一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

2.4.2 平面对称各向异性介质界面的反射与透射 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 法向阻扰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短阵 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 光学等膜分类反应用

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 金属一介质反射镜 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 技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一一法布里一咱**涉仪及其变形 150

7.3 法布里一咱**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 法布里一躏**涉仪的透射率计算 155

7.3.4 法布里础**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 法布里踊**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)JM 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 金属一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

第二篇 薄膜扶术基础

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

11.3.7 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 溶胶一凝胶法 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 光学薄膜激光损伤阔值检测 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阔值的因素 360

12.5.3 激光损伤阂值测量方法 362

12.5.4 提高光学薄膜损伤阂值的途径 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 铅膜(CR) 416

13.2.5 铅膜(PT) 417

13.3 半导体薄膜 418

13.3.1 错薄膜(GE) 418

13.3.2 硅薄膜(SI) 423

13.3.3 氧化锢薄膜(IN2O3)427

13.3.4 氧化铸薄膜(ZNO) 429

13.3.5 硫化铸薄膜(ZNS) 433

13.3.6 二氧化锡薄膜(SN02) 436

13.4 介质薄膜 440

13.4.1 氟化续薄膜(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(SI02) 447

13.4.5 氧化钮薄膜(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

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**篇 薄膜光学基本理论

　　第1章 薄膜光学的电磁理论基础

　　20世纪上半叶，通过大量的光的干涉、衍射和偏振实验，证明光具有波动性。到了1864年麦克斯韦建立经典电磁理论之后，光作为电磁波频谱中的特定波段在理论和实验上得到证实，由此光的电磁理论随之诞生。光学薄膜的理论基础是光的电磁理论，其内容包括：光的干涉、偏振和吸收，平面电磁波及平面电磁波在介质表面的反射和透射等。鉴于后续章节的需要，本章简要介绍麦克斯韦方程、描述介质特性的物质方程、平面电磁波的解形式，以及光强和电磁波谱。

　　1.1 麦克斯韦方程

　　宏观上讲，光的电磁理论全面揭示了光的主要性质，不仅适合各向同性介质，也适合各向异性介质；不仅适用于均匀介质，也适合非均匀介质；不仅适合吸收介质，也适合导电体。麦克斯韦方程是描述一切宏观电磁现象的普遍规律，因而，薄膜光学中描述光传播特性的光波动方程可以由麦克斯韦方程导出。下面介绍在不同介质情况下光传播所满足的麦克斯韦方程的限定形式。

　　为了讨论方便起见，考虑时谐电磁场，即空间任一点的电场强度和磁场强度随时间作正弦或余弦变化，场量随时间变化的因子取E，则有（1-1）式中，E、D、H和B为时谐量的复振幅矢量，仅是空间坐标R的函数，与时间变量无关；W为光波角频率；RE[ ]表示取实部，如果场量是时间T的正弦函数，在式（1-1）中应该取虚部，即LM[ ]。

　　在无源区域，介质介电常数为E：，且介质的电导率Σ≠0，则时谐形式的麦克斯韦方程为（1-2）式中（1-3）为介质的等效复介电常数。介电常数的虚部非零表明介质中存在吸收。

　　在求解具体的薄膜光学问题时，麦克斯韦方程还涉及反映介质特性的关系，即电磁场量之间关系的物质方程（1-4）式中，为真空介电常数DR为复相对介电常数=4ΠX10-1（H/M）为真空磁导率；Σ为电导率。式。-4）中取Μ=Μ。是假定光学介质为非磁性介质。

　　式（1-2）和式。-4）构成麦克斯韦方程的限定形式，当L和Σ给定之后，就可以针对具体问题进行求解。

　　下面就薄膜光学中涉及的介质参数作简单讨论。

　　（1）对于各向同性线性均匀介质，介质非导电Σ=0，ER取实常数，则式（1-3）简化为（1-5）式中，N表示介质的折射率，均匀介质取常数值。

　　（2）对于各向同性线性非均匀介质，介质非导电Σ=0，ER为实函数，则有（1-6）非均匀介质折射率N随空间变量变化。

　　（3）金属材料对光的股收体现在电导率Σ=0。在金属材料中，由于电子运动是自由的，所以在光波交变电场的作用下，通过电子运动方程的求解，可得金属材料的电导率为（1-7）式中，N为单位体积的导电电子数；ME为电子质量；-E为电子电荷；Τ称为弛豫时间，表示在时间Τ内电流密度衰减到初始值的L/E；M，R-1代表电子运动的阻尼系数。

　　在介质均匀的情况下，利用麦克斯韦方程（1-2）可导出金属材料的介电常数为（1-8）式中，N为复折射率；Ω为光波角频率；的为金属的等离子体频率，大小为（1-9）式中，C表示真空中的光速。

　　令（1-10）式（1-8）和式（1-10）联立求解，得到（1-11）式中，N称为导电介质的折射率；Α称为消光系数。由式（1-11）可以看出，导电介质的折射率和消光系数是光波频率的函数，所以光波在导电介质中传播或在导电介质表面反射和透射都存在色散。

　　（4）对于通常的光学介质，其特征表现为在某一光频范围的辐射是透明的，如玻璃对于可见光波段是透明的，而半导体错对于波长大于2ΜM的红外波段是透明的，等等。图1-1给出的是一些常用光学介质的透光范围。实际上，光学介质与金属导体一样，对光也有吸收，这样就出现光学介质的非透光范围。但光学介质对光吸收的微观机理与金属对光的吸收机理不同。光学介质中没有自由电子，当光波通过介质时，介质中的束缚电荷会重新排列形成电偶极子，所以可把介质看作是由电偶极子构成的。当入射光波的频率与电偶极子的固有频率一致时，会发生共振现象，对光产生强烈吸收。而在其他情况下，介质对光吸收很小，表现为透明。因此，介质对光的吸收分为两类：一般吸收和选择吸收。一般吸收与波长无关，吸收系数很小；选择吸收与波长紧密相关，吸收系数很大。选择吸收与构成介质的电偶极子有关，反映了介质中原子结构的本质。

　　图1-1 常用光学材料的透光范围

　　光学介质的折射率随波长而改变的现象称为介质的色散。色散与吸收密切相关，根据经典振子模型，可以说明色散和吸收现象。假设单原子中有Z个电子，FI个电子对应的振子固有角频率和衰减系数分别为W和Y，则由振子的运动方程求解可得介质的相对介电常数为（1-12）式中，N=N-JA为复折射率；N为介质单位体积中的原子数；ME为电子质量；E为电子电荷；Ω为光波角频率。式（1-12）是对一个原子中的所有振子类型求和，显然应有（1-13）。

　　式（1-12）是由稀薄气体推导出来的，对于稠密介质液体和固体，需要考虑偶极振子间的相互作用，对式（1-12）进行修正，则可得到（1-14）当Ω；A时，即电偶极子的固有频率远远大于入射光频时，则有（1-15）该式表明折射率取实数，对应于光学介质是透明的，但折射率也与入射光频有关，属一般吸收。一般吸收折射率随波长的增加而减小，这种现象称为正常色散。图1-2给出的是几种玻璃的折射率随波长变化的曲线，图中阴影部分对应于可见光波段。由图可以看出，在正常色散范围，折射率在短波区域变化较快，长波区域变化缓慢。

　　图1-2 几种玻璃的折射率随波长的变化曲线

　　当Ω=ΩOI时，即当人射光频率接近电偶极子的固有频率，式（1-14）中的衰减项YI起作用，介质折射率为复值，属选择吸收，介质对光不透明。在此波段，折射率随波长的增加而增加，称为反常色散。因此在ΩOI邻近频带出现吸收带，在吸收带内折射率随频率的增加（波长的减小）而减小，如图1-3所示。

　　图1-4给出的是其他一些常用光学晶体的折射率随波长和频率的变化曲线。

　　（5）如果介质具有平面对称的各向异性（即单轴晶体），如液晶，那么，介电常数具有对角张量的形式，即（1-16）式中，N和M分别称为寻常光和非寻常光的折射率。

　　图1-3 折射率随频率的变化曲线

　　图1-4 常用光学晶体的折射率随波长和频率的变化曲线

　　实际的薄膜光学问题求解，场中存在多种介质，光波传播在介质分界面上必须满足电磁场边界条件，其矢量形式为（1-17）式中，E1、H1和EZ、HZ分别表示介质1和介质2分界面两侧的电场和磁场复振幅矢量；JS为分界面上的自由电流面密度复振幅矢量。

　　如果把边界条件写成标量形式，有

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