光学薄膜的不同应用场景

光学元件表面附着的薄膜厚度薄而均匀，且种类繁多。下面主要介绍减反射膜和高反射膜的实现原理和作用。

这种光学元件表面的反射在光学系统中会产生两个负面影响：一方面会造成光能量的损失，使成像的亮度降低；另外也会导致分辨率下降，光学系统内部各表面多次反射而造成的杂散光也会到达像面，会造成像的衬度降低，分辨率下降。这两种效应都会导致光学系统的成像质量下降。特别是对于复杂的光学系统，这两个效应造成的影响更为严重。在光学元件表面镀制减反射膜是克服这些缺点最有效的方法。

为了减少表面反射率，最简单的途径是在玻璃表面上镀一层低折射率的薄膜，构成空气-膜-玻璃三层介质，利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而增强透射。如下图所示，\( n_{0} -n_{1}- n_{2} \) 分别为空气-增透膜材料-玻璃材料的折射率，\( R_{1}、T_{1} \)  为空气-玻璃界面的反射率和透过率，\( R_{2} \)  为空气-增透膜界面的反射率， \( T_{2} \)  为增透膜-玻璃界面的透过率。

1. 只要 \( n_{0} ＜n_{1}＜ n_{2} \) ，就有 \( R_{2} ＜R_{1} \) ，\( T_{2} ＞T_{1} \) ，这个单层介质膜就有减小表面反射率的作用，就是减反射膜；

2. 当\( n_{1}＜ n_{2} \) ，满足膜层的有效光学厚度\( n_{1}d_{1}cos\left( \theta_{1}\right)=\frac{(2m+1)\lambda_{0}}{4} \) 则\( R_{min}(\lambda_{0})=\frac{(n_{0}n_{2}-n_{1}^{2})^{2}}{(n_{0}n_{2}+n_{1}^{2})^{2}} \)  

减反射膜可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致，在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到了充分的应用。

单层减反射膜存在的问题是：V形减反射效果只能实现单一波长零反射，色中性差；此外，对于常用的玻璃基底，满足\( n_{1}=\sqrt{n_{0}n_{S}} \)  的膜料不一定存在，很难实现零反射。当单层膜不能满足需求的时候，可以寻求更多层的膜堆来提高减反射效果。

如果采用高折射率\( n_{H} \) 、低折射率 \( n_{L} \) 交替的介质多层膜，并使得介质膜系两边的最外层为高折射率层，每层厚度均为\( \frac{\lambda_{0}}{4} \)   。对于中心波长 \( \lambda_{0} \)  的垂直入射反射率极大值为：

可知当 \( \frac{n_{H}}{n_{L}} \) 的比值越大，或者当层数即\( 2S+1 \) 越多时，\( R_{max}(\lambda_{0}) \) 越大，理论上甚至可以无限接近于100%反射率。但在实际中，由于膜层的吸收、散射等损失，膜系到达一定层数后，继续增加膜层对数也不会再提高其反射率。材料折射率、膜系设计也是最终影响元件反射率性能重要的一环。

例如上图，把两个奇数层的高反射膜堆联合起来，重叠部分（虚线C处）会出现一个很窄的透射带，但总体的高反射带得到了展宽。当介质高反射膜用于倾斜使用的时候，S偏振和P偏振的反射带宽不再相等，波形会发生一定的改变。

参考文献：