濾波片地增透膜作用及原理分析報告

1、在日常生活中，人們對光學(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，有不少人認為入射光從增透膜的上、下表面反射后形成兩列反射光，因為光是以波的形式傳播的， 這兩列反射光干涉相消， 使整個反射光減弱或消失，從而使透射光增強，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)當說增透膜不僅不能增透，而 且要進一步減弱光的透射，怎么是增強透射呢？也有人對增透膜的屬性和技術(shù)含量不甚了 解，對它進行清潔時造成許

2、多不必要的損壞。隨著人類科學(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)知識對增透膜原理給以全面深入的解釋，同時對增透膜的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀作一介紹。讓人們對增透膜有一個全面深入的了解，進而排除在應(yīng)用時的無知感和迷惑感。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光學(xué)增透膜的增透原理給予分析。一般情況下，當光入射在給定的材料

3、的光學(xué)元件的表面時，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，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，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)的光強可以改變透射區(qū)的光強。2. 2定量描述光從一種介質(zhì)反射到另一種介質(zhì)時，光強度與入射光強度的比

4、值叫做反射率。用在兩種介質(zhì)的交界面上將發(fā)生反射和折射，把反射L，表示，,二和分別表示反射光和入射光的振幅。設(shè)入射的光強度為 1,則反射光的強度為，在不考慮吸收及散射情況下，折射光的強度為（1- p ）。根據(jù)菲涅爾公式和折射定律可知：當入射角很小時，光從折射率ni的介質(zhì)射向折射率n2介質(zhì)，反射率 為國(1)fl8-1V= 0.08=8%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，則反射率為若以入射光的強度為1，則反射光的強度為 0.08，折射光的強度為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m、n、n2,薄膜厚度為d,如下圖所示：>/A

5、/Q空氣nr /V薄膜 1介質(zhì)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Pl薄膜與介質(zhì)之間的反射率為P2如果把入射光線的強度仍設(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，則其強度為' 1 ;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，其強度為 0-A）A ；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，其強度為I . I' !。如果°】二、，二1 j、呵，則光線的強度為一 ii_ _，光線的強度為0 T-2-，光線 的強度為 'in in:

6、此光束以后反射到空氣中的強度將更小。由此可見，返回空氣中 的光線主要是和，而其它的光線強度非常小可以略去不計。 那么，只要光線和滿足 振幅相等，正好反相時，則相互抵消，整個系統(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，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，即強度相等，貝y二-二門由于' 1非常小， （1如 非常接近i，所以，只要就可以實現(xiàn)1和2振幅相等。又因所以和振幅相等的條件是:化簡上式，薄膜的折射率應(yīng)滿足，I '。一般空氣折射率 ni為

7、1,為玻璃折射 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， 對薄膜的厚度有一定的要求。當光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時，反射光有半波損失。 對于玻璃上的增透膜， 其折射率大小介于玻璃和空氣的折射 率之間，所以，當光從空氣透過薄膜射向玻璃時，光線在空氣與薄膜的交界面反射時有半波損失，光線在薄膜與介質(zhì)的交界面反射時也有半波損失。所以，當光從空氣透過介質(zhì)薄膜垂直射入玻璃時，光線和要干涉相消，只要光線和光線的光程相差半個波+'。則讓薄

8、膜厚度''' - （ k為自然數(shù)，丨為光在薄膜中波長），這樣光線2日二2（2上+1）丄2二血+9經(jīng)薄膜傳播一個來回比光線多行1 ，因為光是波，具有周期性，所以不管k為哪個自然數(shù)，光線與光線的光程只要相差半個波長，就能達到目的。在這里還要強調(diào)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時，反射光有半波損失。 而當'1 ' J ' 時，這樣光線和返回空氣中時都經(jīng)歷了一次半波損失，相互抵消，可以不考慮半波損失。 下面總結(jié)光線和的干涉情況與膜的厚度關(guān)系為：t1112k _入4（弘 + 1）干涉相長干涉相消其中k為自然數(shù)，:為光在薄膜中的波長。d 二（2上+1）9因此，當膜的

9、厚度:,則光線和重合時，出現(xiàn)干涉相消，從而減弱反射光的強度，增加透射光的強度，起到增透的作用。當然，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效果最好，入射角很小時增透膜也有定的增透作用，但不如垂直入射時效果好。2. 3理論解釋下面我們再利用電動力學(xué)方面的知識，來對光學(xué)增透膜的增透機理作出解釋。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,言，,介質(zhì)1.薄膜、介質(zhì)2的折射率分別為'1 ,，且薄膜介質(zhì)為無損耗介質(zhì)。為了計算方便，設(shè)入射光為線性的單色平面波，且垂直入

10、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H面）。以交界面I為x-y面，入射光波的行進方向為z軸方向。入射波的電場 二沿x軸方向，磁場 T沿y軸方向，則入射波可以寫作反射波又在交界面I產(chǎn)生將向前進行的無窮/i+ = Re式中- '電磁波入射到介質(zhì)薄膜里后， 又會在交界面n上產(chǎn)生反射波， 反射。如此下去，在薄膜層中，便有無窮多個向前、向后進行的電磁波。 多個波的疊加寫成式中：5把向后進行的無窮多個波的疊加寫成E_H介質(zhì)2中向右進行的波式中"：??；Ftj利用交界面I處的邊值關(guān)系在二一處，得(1)在匚一；處，得將（1式代入（2）式得因為(3)，所以（

11、3）式可寫為(4)因為該關(guān)系式中含有復(fù)數(shù)量，所以要使該式成立，它的虛部和實部都等于零，故有sin 2kd 二 0因為=I 故只有二一；：'一即(5)從而得出薄膜的厚度d二一燉入卿二0,12孑4式中】是電磁波在薄膜中的波長。因為所以 / 11。由（4）式中實部為零，并考慮（5）式得f、f *1丄+*U1卑丿1叫!1丹丿K %丿當m為偶數(shù)時，上式取正號，即( 1 +勺*1- + 2*1+ 1丹丿1灼丿1科丿m -d 二_潮入胡二2,4,6,甘解得一 ，此時。這個解說明了當兩介質(zhì)折射率相等時,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

12、厚度應(yīng)為半波長整數(shù)倍。當m為奇數(shù)時，上式取負號，即ff 1 +勺*1-+1-K11+1沖丿1逸丿1a解得-此時,d - 3,5r7'這個解說明當于1、I間，可以不考慮半波損失。與定量描述中的理論相符。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，理論上增透）（2 + 1）-二'-（k=1, 2, 3,4,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

13、不同的需求，目前人們發(fā)現(xiàn)、常用的材料有陶瓷紅外光紅外增透膜、乙烯基倍半硅氧烷雜化膜等；二I。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?，F(xiàn)實中折射率小于氟化鎂（折射率為1._一）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。通過人們對增透膜的不斷發(fā)展和研究，相信會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)

14、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)量級上，增透膜的均勻度的要求也非常的苛刻卩山兇。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。常用的丨薄膜，并沒有使透射光的光強達到最大，也就是說沒有使反射光達到最弱。主要是要增透的光往往不是單色的，而是有一定的頻寬，而對于一個增透膜只對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，同時也增加了透射光的線寬厶i，也就是頻寬1。隨著人們對增透膜的應(yīng)用和發(fā)展，有人設(shè)想為細小的光纖 進行鍍膜，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度的實質(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。對于單層薄膜來說，當增透膜兩邊介質(zhì)不同時，薄膜厚度為1/4波長的奇數(shù)倍且薄膜的折射率* V-：時(I' J分別是介質(zhì)1、2的折射率)，才可以使入射光全部透過介質(zhì)