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光学薄膜应用及分类

导读: 光学薄膜是利用薄膜对光的作用而工作的一种功能薄膜,光学薄膜在改变光强方面可以实现分光透射、分光反射、分光吸收以及光的减反、增反、分束、高通、低通、窄带滤波等功能。光学薄膜的种类有很多,这些薄膜赋予光学元件各种使用性能,在实现光学仪器的功能和影响光学仪器的质量方面起着重要的或者决定性的作用。

  光学薄膜是利用薄膜对光的作用而工作的一种功能薄膜,光学薄膜在改变光强方面可以实现分光透射、分光反射、分光吸收以及光的减反、增反、分束、高通、低通、窄带滤波等功能。光学薄膜的种类有很多,这些薄膜赋予光学元件各种使用性能,在实现光学仪器的功能和影响光学仪器的质量方面起着重要的或者决定性的作用。

  传统的光学薄膜是现代光学仪器和各种光学器件的重要组成部分,通过在各种光学材料的表面镀制一层或多层薄膜,利用光的干涉效应来改变透射光或反射光的光强、偏振状态和相位变化。薄膜可以被镀制在光学玻璃、塑料、光纤、晶体等各种材料表面上。它的厚度可从几个nm到几十、上百个μm。光学薄膜可以得到很好的牢固性、光学稳定性,成本又比较低,几乎不增加材料的体积和重量,因此是改变系统光学参数的首选方法,甚至可以说没有光学薄膜就没有现代的光学仪器和各种光学器件。在两百多年的发展过程中,光学薄膜形成了一套完整的光学理论—薄膜光学。光学薄膜已广泛应用于各种光学器件(如激光谐振腔、干涉滤波片、光学镜头等),不仅如此它在光电领域中的重要作用亦逐渐为人们所认识。

  1、减反射膜

  假定光线垂直入射在表面上,这时表面的反射光强度与入射光的强度比值(反射率)只决定于相邻介质的折射率的比值:

  折射率为1.52的冕牌玻璃每个表面的反射约为4.2%左右.折射率较高的火石玻璃则表面反射更为显著。这种表面反射造成了两个严重的后果:光能量损失使象的亮度降低;表面反射光经过多次反射或漫射,有一部分成为杂散光,最后也到达象平面使象的衬度降低图象质量,特别是电视、电影摄影镜头等复杂系统都包含了很多个与空气相邻的表面,如不镀上增透膜其性能就会大大降低。

  应用于可见光谱区的光学仪器非常多,就其产量来说占据了减反射膜的绝大部分,几乎在所有的光学器件上都要进行减反处理。

  单层减反膜是应用非常广泛的薄膜,也是最简单的膜系。考虑垂直入射的情况,即i=0,并令

  这时基片表面反射率完全被消除。在入射介质为空气的情况下,n0=1,则

  在可见光区使用得最普遍的是折射率为1.52左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率为1.23,但是至今能利用的薄膜的最低折射率是1.38(氯化镁)。这虽然不很理想但也得到了相当的改进。当ns=1.52,nf=1.38,n0=1.0时,由式(3)可得最低反射率为1.3%,即镀单层氟化镁后中心波长的反射率从4.2%降至l.3%左右,整个可见光区平均反射率约为1.5%。显然,愈是接近于满足式(4)的条件的玻璃,中心波长增透效果愈显著。以可见光的中心波长为550nm设计的时候,那么对于紫光波段和红光波段的光波长,光学厚度不是四份之一波长,也就偏离了反射抵消的条件,会有略高的反射。

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