實(shí)際情況中增透膜和高反膜的相關(guān)研究

朱怡璇 姜晨曦

【摘要】為了減少入射光能在透鏡玻璃表面反射所引起的損失，常在玻璃表面鍍上厚度均勻的薄膜，利用薄膜的干涉使反射光減到最小，從而達(dá)到透射光增強(qiáng)的目的。高反膜同理。理論上，我們簡(jiǎn)單的討論從介質(zhì)進(jìn)入介質(zhì)，入射角很小時(shí)，反射光光程差，根據(jù)干涉相消條件可得最小膜厚度。在實(shí)際中，不能保證每條光線的入射角都非常小，且光的波長(zhǎng)不同，所對(duì)應(yīng)的膜厚度也不同。本篇論文主要針對(duì)這一問(wèn)題，進(jìn)行了一系列討論。最終得出了當(dāng)膜進(jìn)行一定規(guī)律的周期排列時(shí)，不影響最后的增透和高反效果。

【關(guān)鍵詞】漸變折射率增透膜 多層介質(zhì)高反膜

【中圖分類(lèi)號(hào)】TN244 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018） 11-0043-02

一、理論情況下增透膜和高反膜的原理

增透膜減少了光學(xué)元件表面反射所造成的光能量損失，增強(qiáng)了透射光的能量，在照相機(jī)上有廣泛的應(yīng)用。假設(shè)從介質(zhì)進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，反射光的光程差，入射角很小時(shí)，光程差，根據(jù)干涉相消條件，可得最小膜厚度。

高反膜是為了增強(qiáng)對(duì)某一光譜區(qū)內(nèi)的反射能量，同時(shí)使透射光減弱，在登山運(yùn)動(dòng)員和滑雪者佩戴的眼鏡上常鍍有這種膜。同理，根據(jù)干涉相長(zhǎng)條件，可得最小膜厚度。

二、實(shí)際情況下增透膜和高反膜的相關(guān)研究

根據(jù)公式知一定的膜厚度只對(duì)應(yīng)于一種波長(zhǎng)的光，在照相機(jī)和助視光學(xué)儀器中，通常使膜厚對(duì)應(yīng)于人眼最敏感的波長(zhǎng)500nm的黃綠光。

以上的分析只考慮了反射光的相位差對(duì)干涉的影響，實(shí)際上能否完全相消，還看兩反射光的振幅。如果A材料的折射率介于B材料和C材料之間，那把A置于B和C之間，就能讓更多的光從B進(jìn)人C。也就是說(shuō)雖然界面更多，反射反而更加微弱。通過(guò)反射公式可知，對(duì)于包含多個(gè)界面的體系，這種效果會(huì)更加顯著。

可以證明，當(dāng)反射光完全消除時(shí)，介質(zhì)的折射率應(yīng)滿(mǎn)足其中表示空氣的折射率，n表示光學(xué)器件的折射率，表示增透膜的折射率），以n=1.5，=1計(jì)，應(yīng)為1.22。

如果我們?cè)诒∧け砻嬖俑惨粚硬牧螧的薄膜，讓B的折射率介于A和空氣之間，例如等于1.1，那么不難看出，總的反射將變得更弱，也就是說(shuō)，膜的透光效果會(huì)更好。接下來(lái)我們?cè)诒∧和玻璃之間也插入一層新的薄膜C，讓它的折射率在A和玻璃之間，則反射將進(jìn)一步削弱。如果覆蓋在玻璃表面的薄膜層數(shù)足夠多，那么薄膜界面間的反射也就越加不明顯，而相當(dāng)于是一層折射率逐漸過(guò)渡的材質(zhì)。科學(xué)家們從昆蟲(chóng)的復(fù)眼結(jié)構(gòu)得到啟發(fā)，借助于納米結(jié)構(gòu)，制造出折射率成梯度或連續(xù)變化結(jié)構(gòu)，從而得到高透射率的薄膜。

同樣道理，我們可以討論高反膜的材料性質(zhì)及實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)菲涅耳方程，被反射的光與總的入射光的比值，要想獲得較高反射率，需使用折射率較高的薄膜材料，常用的如硫化鋅等材料薄膜。從原理上來(lái)講，高反膜是利用光的干涉效應(yīng)來(lái)增加反射率的，故同增透膜討論類(lèi)似，實(shí)際常用的高反膜為四分之一波長(zhǎng)的多層介質(zhì)高反膜，它是由高、低折射率材料周期排列鍍制在基底上，每層膜的光學(xué)厚度是。當(dāng)入射光波并非垂直入射膜系時(shí)，工作波長(zhǎng)偏離中心波長(zhǎng)，且向短波方面移動(dòng)。隨著入射角度的增加，高反膜的工作波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，這是因?yàn)楣獬贪l(fā)生改變，影響光波的干涉而引起的。

實(shí)際上，對(duì)于玻璃這樣的折射率約1.5的材料，根據(jù)菲涅爾公式，其反射率大約只有，大部分光線都可以順利通過(guò)，當(dāng)鍍上一層膜以后，其反射率就已經(jīng)非常小了，當(dāng)鍍上納米結(jié)構(gòu)的膜時(shí)，就制得了高性能的增透膜。實(shí)際的應(yīng)用中，并非采用理論計(jì)算的簡(jiǎn)單單層結(jié)構(gòu)，而是用多層膜系和納米結(jié)構(gòu)，以獲得多角度、寬波長(zhǎng)范圍的增透膜和高反膜。

三、總結(jié)

在實(shí)際情況下，照相機(jī)等光學(xué)器件上依附的增透膜和高反膜并沒(méi)有我們理論上分析的那么簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)計(jì)算我們可以得到這樣的結(jié)論：用多層膜系和納米結(jié)構(gòu)，以獲得多角度、寬波長(zhǎng)范圍的增透膜和高反膜。

參考文獻(xiàn)：

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