光學薄膜的原理及光學系統(tǒng)中的作用

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(jù)就是光的干涉。

所謂光學薄膜，首先要薄，然后要產(chǎn)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(chǎn)生干涉現(xiàn)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(zhì)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(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，利用這種干涉現(xiàn)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(jù)需要實現(xiàn)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(nèi)傳播。

光學薄膜在光學系統(tǒng)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(xiàn)光束的調(diào)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(tǒng)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(xiàn)一些特殊功能，如ITO透明導電膜，保護膜等。

與光學薄膜技術(shù)有關的產(chǎn)業(yè)：

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(tǒng)

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(tǒng)的透過率

B）減少雜散光

C）增加作用距離

D）提高像質(zhì)

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(huán)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(jù)鍍膜材料，可以分為金屬分束鏡和介質(zhì)分束鏡。

l??金屬分束鏡的優(yōu)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(zhì)分束鏡的優(yōu)點：

A）吸收小，幾乎可以忽略

l??介質(zhì)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(tǒng)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(tǒng)的要求。

全介質(zhì)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(tǒng)和高要求的光學系統(tǒng)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(huán)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(wěn)定性差。

Au，紅外常用，穩(wěn)定性好。

Pt，性能穩(wěn)定堅固。

3.2??全介質(zhì)反射膜

理論上只要增加膜系的層數(shù)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(shù)時繼續(xù)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(zhì)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(zhì)膜，具有由高折射率層和低折射率層交替構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)。

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(nèi)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(nèi)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(cè)為截止區(qū)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(qū)稱為濾光片的通帶，通常兩側(cè)是截止區(qū)，而且截止區(qū)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(shù)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(shù)，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(jù)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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