基于薄膜干涉的研究

摘 要： 光學薄膜是現代光學儀器和光學器件的重要組成部分，它在各類光學系統中的應用極為廣泛。傳統的光學薄膜是以光的干涉為基礎，并以此設計和制備增透膜、高反膜、濾光膜、分光膜、偏振及消振膜。本文根據薄膜干涉的基本原理，闡述了半波損失的條件和薄膜厚度的選取。

關鍵詞： 光學薄膜 薄膜干涉 薄膜厚度

隨著現代科學技術特別是激光技術和信息光學的發展，光學薄膜不僅用于純光學器件，在光通訊、光電探測器、化學及生物傳感器、納米器件等領域也有廣泛的應用。傳統的光學薄膜是以光的干涉為基礎，并以此設計和制備增透膜、高反膜、濾光膜、分光膜等。薄膜的光學特性（折射率和厚度）是至關重要的參量。本文主要依據薄膜干涉的原理，根據不同的應用要求，研究薄膜的光學性質。

一、薄膜干涉的基本原理

光學薄膜是現代光學儀器和光學器件的重要組成部分，它通過在光學玻璃、光學塑料、光纖、晶體等各種材料的表面鍍制一層或多層薄膜，基于薄膜內光的干涉效應來改變透射光或反射光的強度、偏振狀態和相位變化。光學薄膜具有良好的牢固性和光學穩定性，且質量極輕，成本相對較低，因此光學薄膜在各類光學系統中應用極為廣泛。薄膜干涉：一列光波照射到透明薄膜上，從膜的前、后表面分別被反射形成兩列相干光波，這兩列相干光波在疊加后產生干涉。對于前、后表面不平行的楔形薄膜來說，凡是薄膜厚度相等的一些相鄰位置，光的干涉效果相同而形成一條同種情況（譬如光振動加強）的干涉條紋（亮紋）。隨著薄膜厚度的逐漸變化，干涉效果出現周期性變化，一般在薄膜上形成明暗交替相間的干涉條紋圖樣，稱為等厚薄膜干涉。設基片的折射率為n■，介質膜的折射率為n■，介質膜上方空間的折射率為n■，n■>n■，CD⊥AD。（如左圖所示）

二、半波損失

設基片的折射率為n■，介質膜的折射率為n■，介質膜上方空間的折射率為n■（如右圖所示），取介質膜的光學厚度n■·d=λ/4。

判斷有無半波損失，根據具體情況而定：

①當n■n■n■或n■>n■

③當n■n■>n■時，在入射點A處，反射光束無半波損失，B點無半波損失，所以也不需要加■；綜③和④所述，當n■n■>n■時，因薄膜上下表面的光學性質相同，上下表面的反射光沒有附加光程差，兩反射光的光程差δ=■，兩反射光干涉相消，增加了投射光的能量，這種薄膜被稱為增透膜。

總之，當（n■-n■）（n■-n■）>0時有增反作用，當（n■-n■）（n■-n■）<0時有增透作用。

三、薄膜厚度的選取

以上的討論可以看出，由于太陽光或燈光距介質膜面無窮遠，因此光束照射介質膜薄膜表面，幾乎為垂直入射，即i=0。當用波長為λ■的單色光垂直照明時，為了讓薄膜的光學厚度達到所需要求，如當n■n■>n■時的增透作用，則由（1）應變為δ2dn■…（6）。由（6）和（3）式得n■d=■（2k+1）（k=1，2，3，……）…（7）時，相鄰反射光的光程相位差△φ=（2k+1）π。但在實際應用中照明光波并非是單色光，取n■d為常數，相位差△φ則隨波長λ而改變，反射光強必定也隨波長λ而改變。設照明光的波長范圍為[λ■-△λ，λ■+△λ]，光學厚度n■d滿足（6）式時，相位差△φ的變化范圍為[■（2k+1），■（2k+1）]，k取值較大時，有多種光波滿足△φ=（2k+1）π，同時也有多種波長的光波滿足△φ=2kπ，即出現一部分光產生相消干涉，而另一部分則產生相長干涉的現象。這樣，增透膜的效果均不佳。當k取的較小時，可以避免此種現象的出現。例如400nm～760nm的可見光范圍內，取λ■=550nm，n■d■=λ■/4=137.5nm時，相位差δ的變化范圍為[0.724π.72475π]，δ均與π接近。避免了一部分光波產生相長干涉而另一部分產生相消干涉的現象，因此選取薄膜的光學厚度n■d■=■應該是最佳選擇。

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