一．光學薄膜的原理及應用

簡單地說，整個光學薄膜的物理依據就是光的干涉。

所謂光學薄膜，首先要薄，然后要產生一定的光學效應。

“薄”的程度：

A）定性描述，光學薄膜的厚度要和入射光波長可以相比擬。

B）物理意義：能夠產生干涉現象的膜層。

薄膜光學是物理光學的一個重要分支，它研究的對象是膜層對光的反射、透射、吸收以及位相特性、偏振特性等。

光在通過分層媒質時，來自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向上產生光的干涉現象，利用這種干涉現象，通過改變材料及其厚度等特性來人為控制光的干涉，根據需要實現光能的重新分配。

光學薄膜可以分為兩大類：

A）光學薄膜：光橫穿過薄膜進行傳播。

B）薄膜波導：光沿著平行薄膜界面的方向在薄膜內傳播。

光學薄膜在光學系統中的作用：

A）提高光學效率、減少雜光，如減反膜（增透膜），高反膜等。

B）實現光束的調整或再分配，如分束膜，分色膜，偏振分光膜等。

C）通過波長的選擇性透過提高系統信噪比。如窄帶及帶通濾光片，長波通或短波通濾光片。

D）實現一些特殊功能，如ITO透明導電膜，保護膜等。

與光學薄膜技術有關的產業：

A）鍍膜眼鏡

B）幕墻玻璃

C）濾光片

D）光學鏡頭

E）ITO膜

F）車燈、冷光鏡、舞臺燈光濾光片

G）激光系統

H）光通信器件

I）投影顯示

J）機器視覺

二．光學薄膜的分類

1.??減反射膜，也叫增透膜（AR）

l??增透膜的作用：

A）增加光學系統的透過率

B）減少雜散光

C）增加作用距離

D）提高像質

l??增透膜的類型：

A）單點減反

B）寬波段減反

C）雙波段減反

D）寬角度減反

應用舉例1：氟化鎂減反膜

在510nm時，反射率為1.26%。

該減反膜為510nm的1/4波片，在700nm時為0.725 1/4波片，在400nm時為1.2751/4波片。

應用舉例2：雙層減反膜

用兩種材料可以將反射率降到更低（接近0）。

應用舉例3：增加半波層的減反膜

在兩層設計之間加入一個半波片，并不會改變膜層的反射率，但是可以將波長帶寬加大。

比如上圖中加入的是折射率2.15的ZrO2。

l??增透膜的主要指標：

A）使用波段

B）使用的角度或角度范圍

C）剩余反射率要求

D）使用環境

E）在激光領域還有低吸收、激光閾值等要求

2.??分束膜

一般情況下，分束膜總是傾斜使用，常用的是45度分束膜有兩種，一種是中性分束膜（消偏振的NPBS），另一種是偏振分束膜（PBS）。

中性分束鏡有平板型和棱鏡型兩種。PBS一般都用棱鏡型，平板型有像散問題，一般只用于中低要求的光學裝置中。

分束膜根據鍍膜材料，可以分為金屬分束鏡和介質分束鏡。

l??金屬分束鏡的優點：

A）中性好

B）光譜范圍寬

C）偏振效應小

D）制作簡單

l??金屬分束鏡的缺點：

A）吸收大

B）激光閾值低

l??介質分束鏡的優點：

A）吸收小，幾乎可以忽略

l??介質分束鏡的缺點：

A）光譜范圍窄

B）偏振分離明顯

C）角度效應明顯

3.??反射膜

反射膜在光學系統中的應用同樣重要。

純金屬反射膜：能夠滿足大部分光學儀器反射系統的要求。

全介質反射膜：可以有最大的反射率和最小的吸收率，因而在激光系統和高要求的光學系統中有較多應用。

3.1金屬反射膜

金屬膜材料的選擇原則：

使用波段

反射率指標

使用環境

制作成本

常用的金屬膜反射材料有Al、Au、Ag、Pt、Cu等。

Al，最常用，紫外、可見、紅外均可用。

Ag，反射率最高，但穩定性差。

Au，紅外常用，穩定性好。

Pt，性能穩定堅固。

3.2??全介質反射膜

理論上只要增加膜系的層數反射率可無限地接近于100%，但實際上，由于膜層的吸收和散射，當膜層達到一定層數時繼續加鍍，反射率就不再提高了，甚至由于吸收和散射的增加，反射率反而下降。

4.??濾光膜

一般把改變光束性質或者顏色的膜叫做濾光膜，常見的有干涉截止濾光片和帶通濾光片。

4.1干涉截止濾光片

干涉截止濾光片要求某一波長范圍的光束高透、偏離該波段的光束截止。

典型的截止濾光片有短通濾光片（只允許短波光通過）和長通濾光片（只允許長波光通過），它們均為多層介質膜，具有由高折射率層和低折射率層交替構成的周期性結構。

干涉截止濾光片的幾個重要指標：

l??透射曲線開始上升（下降）時的波長以及此曲線上升（或下降）的許可斜率。

l??高透射帶的光譜寬度平均透射率以及在此透射率帶內許可的最小透射率。

l??具有低透射率的反射帶（抑制帶）的光譜寬度以及在此范圍內所許可的最大透射率。

4.2帶通濾光片

光譜特性曲線的透射帶兩側為截止區的濾光片稱為帶通濾光片。

帶通濾光片是一類重要的光學薄膜元件，它在化學、光譜學、激光、天文物理、光纖通信、生物學等領域得到了廣泛應用。

用光波干涉原理制備的帶通濾光片的光譜曲線如下圖所示，圖中波長λ0附近光譜透射區稱為濾光片的通帶，通常兩側是截止區，而且截止區的周圍可能存在旁通帶，通常需要用有色玻璃、吸收膜或截止濾光片來消除旁通帶。

l??帶通濾光片的主要特性參數有：

①???λ0：中心波長，也稱為峰值波長；

②???Tmax：λ0處透射率；

③???2Δλ0.5：半寬度，它是透射峰為峰值一半處通帶的波長寬度；

④????2Δλ0.1：十進寬度，它是透射峰為峰值10%處通帶的波長寬度；

⑤???2Δλ0.1/2Δλ0.5：波形系數，它表征了通帶矩形化程度；

⑥???2Δλ0.5/λ0：相對半寬度，有時記為HW；

⑦???Tmin：抑制帶最小透射率，即背景透射率；

⑧???Tmin/Tmax：抑制率；

⑨??λ3-λ4：長波截止范圍；

⑩???λ1-λ2：：短波截止范圍。

根據光譜特性可以將帶通濾光片分為：窄帶濾光片和寬帶濾光片，但這種劃分沒有明確的界限，通常把相對半寬度不小于20%的濾光片稱為寬帶濾光片。

編輯：黃飛

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