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光學薄膜的發展史

發布時間:2022-08-24瀏覽次數:載入中...

薄膜光學理論發展初期階段也是人們對光的波動性認識的歷程,從17世紀"牛頓環"的發現到1801年托馬斯·楊發表干涉實驗結果,以及菲涅耳對此進一步的研究,物理光學和薄膜光學有了理論基礎,目前用多光束干涉處理平行平面薄膜已成為物理教材的基本內容之一。


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1873年麥克斯韋的《論電與磁》出版,將光的電磁理論與波動理論相結合,以此為基礎導出了兩媒質界面上入射光與反射光、透射光之間的振幅、能量和相位關系,從此分析薄膜光學問題的全部理論基本建立。然而,19 世紀的物理學卻沒有發展多層膜的概念,也沒建立相應的分析方法,其原因是當時的光學系統比較簡單,沒有這種實際需要,當然,當時也不具備制備多層膜的工藝與設備。即使單層膜的應用也歷盡艱辛,雖然早在 1817年夫瑯禾費(Fraunhofer)就用酸蝕法制成了世界上單層減反射膜,1866年,瑞利在報告中稱失去光澤玻璃的反光比新鮮玻璃的反光弱,但這并沒有引起人們的重視。1899年法布里與泊珞制成了薄膜光學元件——法布里-泊珞(Fabry-Perot)標準具,但它仍是由兩塊鍍單層銀膜的平板構成的,而不是一個真正的多層膜器件。

因此,直到19世紀末,薄膜光學雖然具備了基礎理論,但人們并沒有找到實際制造各種薄膜的工藝方法和膜系設計分析手段,可以說,20世紀以前是薄膜光學的早期發展階段。

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1930 年油擴散泵的出現,使得工業制造各種薄膜成為可能,接著在實驗室制造出了單層反射膜、增透膜、分光膜和金屬法布里-泊珞干涉濾光片。

在上述實際工作的推動下,從 20 世紀 40年代開始,薄膜光學理論進入發展時期,各種薄膜光學理論和膜系計算方法被相繼提出。1956年,瓦施切克發表了薄膜光學專著《薄膜光學》(Optics of Thin Films),到了20世紀60年代,激光、空間技術和光譜技術的飛速發展,以及電子計算機的推廣應用,推動了薄膜光學的飛速發展。1969年,英國學者麥克勞德(Macleod)用干涉矩陣解釋和計算光學薄膜,出版了專著《薄膜光學濾光器》(Thin-film Optical Filters)。1976年,尼特爾(Knittle)發表了專著《薄膜光學》(Optics of ThinFilms),討論了薄膜光學的一些理論問題。

薄膜光學本身的發展主要是解決光學薄膜的理論與計算問題,然后解決各類光學薄膜的設計問題。膜系設計與光學系統設計不同,這是因為光學設計的基礎是幾何光學,而膜系設計的基礎是物理光學,確切說是光的干涉原理。早的膜系設計方法是試湊法、圖解法,但這只能解決一些簡單膜系的設計問題,隨著優化技術和電子計算機的廣泛應用,除了發展基于薄膜光學理論的解析設計方法外,楊和西利(Seely)根據電路網絡設計理論的研究成果,在膜系設計理論中引入網絡設計理論。到 20世紀70年代,膜系設計的更大發展是計算機輔助的各種設計方法,特別是膜系自動設計。1981年,利德爾(Liddel)出版了膜系設計專著《多層膜中的計算機設計輔助技術》(Computes-aided Techniques for the Design of Multilayer Filters)。

目前,在 ZEMAX、CODEV 等先進的光學設計軟件中已經包含膜系設計模塊,并且出現了像 Macleod  、TFCALC  這樣的專業膜系設計軟件。

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