光学薄膜的原理及光学系统中的作用

一．光学薄膜的原理及应用

简单地说，整个光学薄膜的物理依据就是光的干涉。

所谓光学薄膜，首先要薄，然后要产生一定的光学效应。

“薄”的程度：

A）定性描述，光学薄膜的厚度要和入射光波长可以相比拟。

B）物理意义：能够产生干涉现象的膜层。

薄膜光学是物理光学的一个重要分支，它研究的对象是膜层对光的反射、透射、吸收以及位相特性、偏振特性等。

光在通过分层媒质时，来自不同界面的反射光、透射光在光的入射及反射方向上产生光的干涉现象，利用这种干涉现象，通过改变材料及其厚度等特性来人为控制光的干涉，根据需要实现光能的重新分配。

光学薄膜可以分为两大类：

A）光学薄膜：光横穿过薄膜进行传播。

B）薄膜波导：光沿着平行薄膜界面的方向在薄膜内传播。

光学薄膜在光学系统中的作用：

A）提高光学效率、减少杂光，如减反膜（增透膜），高反膜等。

B）实现光束的调整或再分配，如分束膜，分色膜，偏振分光膜等。

C）通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片，长波通或短波通滤光片。

D）实现一些特殊功能，如ITO透明导电膜，保护膜等。

与光学薄膜技术有关的产业：

A）镀膜眼镜

B）幕墙玻璃

C）滤光片

D）光学镜头

E）ITO膜

F）车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片

G）激光系统

H）光通信器件

I）投影显示

J）机器视觉

二．光学薄膜的分类

1.  减反射膜，也叫增透膜（AR）

l  增透膜的作用：

A）增加光学系统的透过率

B）减少杂散光

C）增加作用距离

D）提高像质

l  增透膜的类型：

A）单点减反

B）宽波段减反

C）双波段减反

D）宽角度减反

应用举例1：氟化镁减反膜

在510nm时，反射率为1.26%。

该减反膜为510nm的1/4波片，在700nm时为0.725 1/4波片，在400nm时为1.2751/4波片。

应用举例2：双层减反膜

用两种材料可以将反射率降到更低（接近0）。

应用举例3：增加半波层的减反膜

在两层设计之间加入一个半波片，并不会改变膜层的反射率，但是可以将波长带宽加大。

比如上图中加入的是折射率2.15的ZrO2。

l  增透膜的主要指标：

A）使用波段

B）使用的角度或角度范围

C）剩余反射率要求

D）使用环境

E）在激光领域还有低吸收、激光阈值等要求

2.  分束膜

一般情况下，分束膜总是倾斜使用，常用的是45度分束膜有两种，一种是中性分束膜（消偏振的NPBS），另一种是偏振分束膜（PBS）。

中性分束镜有平板型和棱镜型两种。PBS一般都用棱镜型，平板型有像散问题，一般只用于中低要求的光学装置中。

分束膜根据镀膜材料，可以分为金属分束镜和介质分束镜。

l  金属分束镜的优点：

A）中性好

B）光谱范围宽

C）偏振效应小

D）制作简单

l  金属分束镜的缺点：

A）吸收大

B）激光阈值低

l  介质分束镜的优点：

A）吸收小，几乎可以忽略

l  介质分束镜的缺点：

A）光谱范围窄

B）偏振分离明显

C）角度效应明显

3.  反射膜

反射膜在光学系统中的应用同样重要。

纯金属反射膜：能够满足大部分光学仪器反射系统的要求。

全介质反射膜：可以有最大的反射率和最小的吸收率，因而在激光系统和高要求的光学系统中有较多应用。

3.1金属反射膜

金属膜材料的选择原则：

使用波段

反射率指标

使用环境

制作成本

常用的金属膜反射材料有Al、Au、Ag、Pt、Cu等。

Al，最常用，紫外、可见、红外均可用。

Ag，反射率最高，但稳定性差。

Au，红外常用，稳定性好。

Pt，性能稳定坚固。

3.2  全介质反射膜

理论上只要增加膜系的层数反射率可无限地接近于100%，但实际上，由于膜层的吸收和散射，当膜层达到一定层数时继续加镀，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.  滤光膜

一般把改变光束性质或者颜色的膜叫做滤光膜，常见的有干涉截止滤光片和带通滤光片。

4.1干涉截止滤光片

干涉截止滤光片要求某一波长范围的光束高透、偏离该波段的光束截止。

典型的截止滤光片有短通滤光片（只允许短波光通过）和长通滤光片（只允许长波光通过），它们均为多层介质膜，具有由高折射率层和低折射率层交替构成的周期性结构。

干涉截止滤光片的几个重要指标：

l  透射曲线开始上升（下降）时的波长以及此曲线上升（或下降）的许可斜率。

l  高透射带的光谱宽度平均透射率以及在此透射率带内许可的最小透射率。

l  具有低透射率的反射带（抑制带）的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率。

4.2带通滤光片

光谱特性曲线的透射带两侧为截止区的滤光片称为带通滤光片。

带通滤光片是一类重要的光学薄膜元件，它在化学、光谱学、激光、天文物理、光纤通信、生物学等领域得到了广泛应用。

用光波干涉原理制备的带通滤光片的光谱曲线如下图所示，图中波长λ0附近光谱透射区称为滤光片的通带，通常两侧是截止区，而且截止区的周围可能存在旁通带，通常需要用有色玻璃、吸收膜或截止滤光片来消除旁通带。

l  带通滤光片的主要特性参数有：

①   λ0：中心波长，也称为峰值波长；

②   Tmax：λ0处透射率；

③   2Δλ0.5：半宽度，它是透射峰为峰值一半处通带的波长宽度；

④    2Δλ0.1：十进宽度，它是透射峰为峰值10%处通带的波长宽度；

⑤   2Δλ0.1/2Δλ0.5：波形系数，它表征了通带矩形化程度；

⑥   2Δλ0.5/λ0：相对半宽度，有时记为HW；

⑦   Tmin：抑制带最小透射率，即背景透射率；

⑧   Tmin/Tmax：抑制率；

⑨  λ3-λ4：长波截止范围；

⑩   λ1-λ2：：短波截止范围。

根据光谱特性可以将带通滤光片分为：窄带滤光片和宽带滤光片，但这种划分没有明确的界限，通常把相对半宽度不小于20%的滤光片称为宽带滤光片。

编辑：黄飞