濾波片的增透膜作用及原理分析

1、在日常生活中，人們對(duì)光學(xué)增透膜的理解，存在著一些模糊的觀念。這些模糊的觀念不僅在高中生中有，而且在大學(xué)生中也是存在的。例如，有不少人認(rèn)為入射光從增透膜的上、下表面反射后形成兩列反射光，因?yàn)楣馐且圆ǖ男问絺鞑サ?，這兩列反射光干涉相消，使整個(gè)反射光減弱或消失，從而使透射光增強(qiáng)，透射率增大。然而他們無法理解：反射回來的兩列光不管是干涉相消還是干涉相長，反射光肯定是沒有透射過去，因增加了一個(gè)反射面，反射回來的光應(yīng)該是多了，透射過去的光應(yīng)該是少了，這樣的話，應(yīng)當(dāng)說增透膜不僅不能增透，而且要進(jìn)一步減弱光的透射，怎么是增強(qiáng)透射呢？也有人對(duì)增透膜的屬性和技術(shù)含量不甚了解，對(duì)它進(jìn)行清潔時(shí)造成許多不必要的損壞。隨

2、著人類科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，增透膜的應(yīng)用越來越廣泛。因此，本文利用光學(xué)及其他物理學(xué)知識(shí)對(duì)增透膜原理給以全面深入的解釋，同時(shí)對(duì)增透膜的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀作一介紹。讓人們對(duì)增透膜有一個(gè)全面深入的了解，進(jìn)而排除在應(yīng)用時(shí)的無知感和迷惑感。2增透原理光學(xué)儀器中，光學(xué)元件表面的反射，不僅影響光學(xué)元件的通光能量；而且這些反射光還會(huì)在儀器中形成雜散光,會(huì)在儀器中形成雜散光,影響光學(xué)儀器的成像質(zhì)量。為了解決這些問題,通常在光學(xué)元件的這樣的膜叫光學(xué)增表面鍍上一定厚度的單層或多層膜，目的是為了減小元件表面的反射光,透膜（或減反膜）。這里我們首先從能量守恒的角度對(duì)光學(xué)增透膜的增透原理給予分析。一般情況下，當(dāng)光入射在給定的材

3、料的光學(xué)元件的表面時(shí)，所產(chǎn)生的反射光與透射光能量確定，在不考慮吸收、散射等其他因素時(shí)，反射光與透射光的總能量等于入射光的能量。即滿足能量守恒定律。當(dāng)光學(xué)元件表面鍍膜后，在不考慮膜的吸收及散射等其他因素時(shí)，反射光和透射光與入射光仍滿足能量守恒定律。而所鍍膜的作用是使反射光與透射光的能量重新分配。對(duì)增透膜而言，分配的結(jié)果使反射光的能量減小，透射光的能量增大。由此可見，增透膜的作用使得光學(xué)元件表面反射光與透射光的能量重新分配，分配的結(jié)果是透射光能量增大，反射光能量減小。光就有這樣的特性：通過改變反射區(qū)的光強(qiáng)可以改變透射區(qū)的光強(qiáng)。2.2定量描述光從一種介質(zhì)反射到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的交界面上將發(fā)生

4、反射和折射，把反射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值叫做反射率。用光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值叫做反射率。用一表示，（4?,，兒和亠二分別表示反射光和入射光的振幅。設(shè)入射的光強(qiáng)度為i,則反射光的強(qiáng)度為”，在不考慮吸收及散射情況下，折射光的強(qiáng)度為（1-p）。根據(jù)菲涅爾公式和折射定律可知：當(dāng)入射角很小時(shí)，光從折射率ni的介質(zhì)射向折射率n2介質(zhì)，反射率質(zhì)射向折射率n2介質(zhì)，反射率為國A(1)A例如光線由很小的入射角從空氣射入折射率為1.8的介質(zhì)時(shí)，則反射率為i.s-r=0.08=8%若以入射光的強(qiáng)度為1，則反射光的強(qiáng)度為0.08，折射光的強(qiáng)度為1-0.08=0.92。若以入射光的強(qiáng)度為1，則反射光的強(qiáng)度為0.08

5、，折射光的強(qiáng)度為1-0.08=0.92。在介質(zhì)表面鍍一層增透膜，設(shè)空氣、薄膜、介質(zhì)的折射率分別為為d,如下圖所示：m、n、n2,薄膜厚度圖1光在單層膜中反射的示意圖圖1光在單層膜中反射的示意圖在入射角很小的情況下，空氣與薄膜之間的反射率為薄膜與介質(zhì)之間的反射率為P2如果把入射光線的強(qiáng)度仍設(shè)為1,光線是入射光線經(jīng)過空氣與薄膜的界面一次反射形成的，則其強(qiáng)度為；光線入射光線經(jīng)過空氣與薄膜的界面兩次折射和薄膜與介質(zhì)的界面一次反射而形成的，其強(qiáng)度為（1必）耳;光線是入射光線經(jīng)過空氣與薄膜的界面兩次折射、一次反射和薄膜與介質(zhì)的界面兩次反射而形成的，其強(qiáng)度為-。如果匚、二*，則光線的強(qiáng)度為匸，光線的強(qiáng)度為m

6、，光線的強(qiáng)度為：二二，此光束以后反射到空氣中的強(qiáng)度將更小。由此可見，返回空氣中的光線主要是和，而其它的光線強(qiáng)度非常小可以略去不計(jì)。那么，只要光線和滿足振幅相等，正好反相時(shí)，則相互抵消，整個(gè)系統(tǒng)的反射光能量接近零。根據(jù)增透膜增透過程中能量守恒，透射過去的光能量得到了增強(qiáng)，幾乎使全部光透射過去。通過上面的分析我們知道，只要使光線和的振幅相等，并且正好反相，這層薄膜就起到了理想的增透作用。欲使光線和振幅相等，即強(qiáng)度相等，則j_.由于R非常小，I非常接近1，所以，只要還二門就可以實(shí)現(xiàn)1和2振幅相等。又因所以和振幅相等的條件是:f、5十仏化簡上式，薄膜的折射率應(yīng)滿足：-。一般空氣折射率n1為1,：為玻璃

7、折射率為1.5,則增透膜的折射率為；,所以人們選擇增透膜的折射率應(yīng)等于1.23或接近它。由于折射率小于氟化鎂（折射率為1.38）的鍍膜材料很難找到，所以，現(xiàn)在一般都用氟化鎂鍍制增透膜。另外，要使光線和正好反相，對(duì)薄膜的厚度有一定的要求。當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，反射光有半波損失。對(duì)于玻璃上的增透膜，其折射率大小介于玻璃和空氣的折射率之間，所以，當(dāng)光從空氣透過薄膜射向玻璃時(shí)，光線在空氣與薄膜的交界面反射時(shí)有半波損失，光線在薄膜與介質(zhì)的交界面反射時(shí)也有半波損失。所以，當(dāng)光從空氣透過介質(zhì)薄膜垂直射入玻璃時(shí)，光線和要干涉相消，只要光線和光線的光程相差半個(gè)波d=+rsio則讓薄膜厚度4口（k為自然數(shù)

8、，衛(wèi)為光在薄膜中波長），這樣光線沏=2（加+1）2鳳二H+丄丸經(jīng)薄膜傳播一個(gè)來回比光線多行，因?yàn)楣馐遣?，具有周期性，所以不管k為哪個(gè)自然數(shù)，光線與光線的光程只要相差半個(gè)波長，就能達(dá)到目的。在這里還要強(qiáng)調(diào)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，樣光線和返回空氣中時(shí)都經(jīng)歷了一次半波損失,總結(jié)光線和的干涉情況與膜的厚度關(guān)系為：反射光有半波損失。而當(dāng)1時(shí)，這相互抵消，可以不考慮半波損失。下面2上2兄4(2*+n-a42上2兄4(2*+n-a4干涉相長干涉相消其中k為自然數(shù)，丄為光在薄膜中的波長。皿二（空+1）丄圮因此，當(dāng)膜的厚度，則光線和重合時(shí)，出現(xiàn)干涉相消，從而減弱反射光的強(qiáng)度，增加透射光的強(qiáng)度，起到增透的作用

9、。當(dāng)然，要滿足光線和的重合，必須要求光線垂直入射，所以，增透膜在光線垂直入射時(shí)效果最好，入射角很小時(shí)增透膜也有一定的增透作用，但不如垂直入射時(shí)效果好。2.3理論解釋下面我們?cè)倮秒妱?dòng)力學(xué)方面的知識(shí)，來對(duì)光學(xué)增透膜的增透機(jī)理作出解釋。設(shè)薄膜厚度為d,處于介質(zhì)1與介質(zhì)2之間，由于除鐵磁介質(zhì)外，其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率基本相同。因此設(shè)三種介質(zhì)的磁導(dǎo)率都是*。三種介質(zhì)的電容率分別是，己，介質(zhì)1.薄膜、介質(zhì)2的折射率分別為匸，打，豈，且薄膜介質(zhì)為無損耗介質(zhì)。為了計(jì)算方便，設(shè)入射光為線性的單色平面波，且垂直入射到介質(zhì)與薄膜的交界面I（介質(zhì)1與薄膜交界面為I面，介質(zhì)2與薄膜交界面為n面）。以交界面I為x-y面，入射

10、光波的行進(jìn)方向?yàn)閦軸方向。入射波的電場-沿x軸方向，磁場7沿y軸方向，則入射波可以寫作反射波又在交界面I產(chǎn)生將向前進(jìn)行的無窮電磁波入射到介質(zhì)薄膜里后，又會(huì)在交界面n上產(chǎn)生反射波，反射。如此下去，在薄膜層中，便有無窮多個(gè)向前、向后進(jìn)行的電磁波。多個(gè)波的疊加寫成式中、7把向后進(jìn)行的無窮多個(gè)波的疊加寫成式中介質(zhì)2中向右進(jìn)行的波比二R丄國裁1弓式中，：-_J，利用交界面I處的邊值關(guān)系瀘（鳥-爲(wèi)心鳳-E）二0心在二匸處，得17117丿氣丿Llgl/7得如-在將（1式代入（2）式得因?yàn)?3)，所以（3）式可寫為=0=0因?yàn)樵撽P(guān)系式中含有復(fù)數(shù)量，所以要使該式成立，它的虛部和實(shí)部都等于零，故有1+生*1因?yàn)榘?/p>

11、故只有匕:二g=-：即2知二幗兀，朋二OJ,2,3從而得出薄膜的厚度d二丄剛a沖二CLL234式中丄是電磁波在薄膜中的波長。因?yàn)閺V所以-o由（4）式中實(shí)部為零，并考慮（5）式得1+=0丿當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，上式取正號(hào)，即/5、f、1+去*1-+1亠1+1用丿1S1兮丿/5、f、1+去*1-+1亠1+1用丿1S1兮丿=0=叔加二2,4,6,34o這個(gè)解說明了當(dāng)兩介質(zhì)折射率相等時(shí),由于存在著半波損失，反射回來的主要的兩束干涉光，一束有半波損失，一束沒有.正好考慮半波損失，故薄膜厚度應(yīng)為半波長整數(shù)倍。當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，上式取負(fù)號(hào)，即=0=01-pm=173,5,T-解得J此時(shí)，這個(gè)解說明當(dāng)時(shí)，I，二，址間于豈

12、、豈間，可以不考慮半波損失。與定量描述中的理論相符。一般光學(xué)介質(zhì)都是在空氣中使用，因此滿足第二種情況。我們只要讓托_CTd=)(2比y-=4(k=1,2,3,4,)，理論上增透膜就能起到完全增透的作用，和前面結(jié)論一致。3研制和應(yīng)用3.1增透膜材料光學(xué)增透膜的研制，不僅要考慮它的透射率，而且還要考慮它的硬度，耐熱、耐寒性，與玻璃等光體的接合力度，耐光照射性，吸熱強(qiáng)度等因素，能滿足這么多條件的材料可想而知是很困難的。根據(jù)適合不同的需求，目前人們發(fā)現(xiàn)、常用的材料有二、二匚二二陶瓷紅外光紅外增透膜、乙烯基倍半硅氧烷雜化膜等.一。由于一般光學(xué)介質(zhì)都是玻璃，并在空氣中使用，那增透膜的折射率應(yīng)接近1.23。

13、現(xiàn)實(shí)中折射率小于氟化鎂(折射率為-)的鍍膜材料很少見，而且像氟化鎂那樣很好的滿足各種條件的材料更是稀少。因此，現(xiàn)在一般都用氟化鎂鍍制增透膜。雖然金剛石是迄今為止自然界中性能最優(yōu)良的材料，但是存在工藝條件過于苛刻和成本高的問題。目前，大規(guī)模的使用金剛石薄膜的條件還不具備。通過人們對(duì)增透膜的不斷發(fā)展和研究，相信會(huì)有比金剛石更為合適的材料被我們所發(fā)現(xiàn)利用，或者金剛石被大規(guī)模的使用。3.2鍍膜技術(shù)隨著增透膜的不斷開發(fā)和研究，光學(xué)增透膜的鍍膜技術(shù)也在不斷的發(fā)展。光學(xué)增透膜的厚度要控制在可見光波長1/4的數(shù)量級(jí)上，增透膜的均勻度的要求也非常的苛刻。盡管如此，在人們的不懈探索中，還是掌握了不少行之有效、先進(jìn)

14、的鍍膜技術(shù)。目前，常用的鍍膜方法有真空蒸鍍、化學(xué)起相沉積、溶膠一凝膠鍍膜等方法。三者相比較，溶膠一凝膠鍍膜設(shè)備簡單、能在常溫常壓下操作、膜層均勻性高、微觀結(jié)構(gòu)可控，適于不同形狀、尺寸的基片、能通過控制配方、制備工藝得到高激光破壞閾值的光學(xué)薄膜，已成為高功率激光薄膜的最具競爭力的制備方法之一。常用的上薄膜，并沒有使透射光的光強(qiáng)達(dá)到最大，也就是說沒有使反射光達(dá)到最弱。主要是要增透的光往往不是單色的，而是有一定的頻寬，而對(duì)于一個(gè)增透膜只對(duì)某一波長的單色光有完全增透的作用。因此可以通過多層鍍膜技術(shù)來改善增透效果，同時(shí)也增加了透射光的線寬上，也就是頻寬卜二隨著人們對(duì)增透膜的應(yīng)用和發(fā)展，有人設(shè)想為細(xì)小的光纖進(jìn)行鍍膜，由此可見這需要多么精密的鍍膜技術(shù)。4結(jié)論由以上討論可知：增透膜增加透射光強(qiáng)度的實(shí)質(zhì)是作為電磁波的光波在傳播的過程中，在不同介質(zhì)的分界面上，由于邊界條件的不同，改變了其能量的分布。對(duì)于單層薄膜來說，當(dāng)增透膜兩邊介質(zhì)不同時(shí)，薄膜厚度為1/4波長的奇數(shù)倍且薄膜的折射率一3時(shí)（豈匸分別是介質(zhì)1、2的折射率），才可以使入射光全