光学薄膜技术第二章

典型膜系介绍

根据其作用可以将光学薄膜的类型简单的分为:

1、减反射膜或者叫增透膜

2、分束膜

3、反射膜

4、滤光片

5、其她特殊应用的薄膜

一、减反射膜(增透膜)

在众多的光学系统中,一个相当重要的组成部分就是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中,增透膜就是不可缺少的,否则,无法达到应用的要求。就拿一个由18块透镜组成的35mm的自动变焦的照相机来说,假定每个玻璃与空气的界面有4%的反射,没有增透的镜头光透过率为23%,镀有一层膜(剩余的反射为1、3%)的镜头光透过率为62、4%,镀多层膜(剩余的反射为0、5%)的为83、5%。

大功率激光系统要求某些元件有极低的表面反射,以避免敏感元件受到不需要的反射光的破坏。此外,宽带增透膜可以提高象质量、色平衡与作用距离,而使系统的全部性能增强。

当光线从折射率为n0的介质射入折射率为n1的另一介质时,在两介质的分界面上就会产生光的反射, 如果介质没有吸收,分界面就是一光学表面,光线又就是垂直入射,则反射率R为:

例,折射率为1、52的冕牌玻璃,每个表面的反射约为4、2%,折射率较高的火石玻璃表面的反射更为显著。这种表面反射造成了两个严重的后果:

①光能量损失,使像的亮度降低;

②表面反射光经过多次反射或漫射,有一部分成为杂散光,最后也达到像平面,使像的衬度降低,分辨率下降,从而影响光学系统的成像质量。

减反射膜,又称增透膜,它的主要功能就是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光,从而增加这些元件的透光量,减少或消除系统的杂散光。

最简单的增透膜就是单层膜,它就是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低的介于空气折射率与光学元件折射率之间的薄膜。以使某些颜色的单色光在表面上的反射干涉相消,增加透射。使用最普遍的介质膜材料为氟化镁,它的折射率为1、38。

减反射膜可由简单的单层膜至二十层以上的多层膜系构成,单层膜能使某一波长的反射率实际为零,多层膜则在某一波段具有实际为零的反射率。

减反射膜的工作原理就是基于薄膜干涉原理

入射光在介质膜两表面反射后得两束相干光,选择折射率适当的介质膜材料,可使两束相干光的振幅

接近相等,再控制薄膜厚度,使两相干光的光程差满足干涉极小条件,此时反射光能量将完全消除或大大

减弱。适当条件下可完全没有反射光或只有很弱的反射光。

1

、1 单层减反射膜

R

T

n

n

n

n

R-

=

⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

+

-

=1

2

1

1

0透射率

为了减少表面反射率,就在玻璃表面上镀上一层低折射率的薄膜。

理想的单层增透膜的条件就是,膜层的光学厚度为四分之一波长,其折射率为入射介质与基片折射率乘积的平方根。

在可见区,使用得最普遍的就是折射率为1、62左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率为1、28,但就是至今能利用的薄膜的最低折射率就是1、38(氟化镁)。这虽然不很理想,但也得到了相当的改进。

单层减反射膜只能对某个波长与它附近的较窄波段内的光波起增透作用。

为了在较宽的光谱范围达到更有效的增透效果,常采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。

1、2 双层减反射膜

从上面晶体镀MgF2增透膜的例中可以瞧到,为了达到全增透的效果,ｎ０＝ｎ１2／ｎ２,则要求将基底的折射率1、65提高到1、9(n1=1、38,n2=1、9)。

怎么办？

先沉积一层折射率为1、77光学厚度为λ0/４的薄膜,而后再镀MgF2单层膜,就能达到全增透的要求。

常见的多层膜系统就是玻璃—高折射率材料—低折射率材料—空气,简称G︱HL︱A系统。H层通常用二氧化锆( n＝2、1)、二氧化钛(n＝2、40)与硫化锌(n＝2、32) 等;L层一般用氟化镁(n＝1、38)等。

1、双层λ0/4膜堆

对于单层氟化镁膜来说,冕牌玻璃的折射率就是太低了。为此,我们可以在玻璃基片上先镀一层λ0/4厚的、折射率为n2的薄膜,这时对于波长λ0来说,薄膜与基片组合的系统可以用一折射率为Y= n22/n3的假想基片来等价。

显然,当n2＞n3时,有Y＞n3,也就就是说,在玻璃基片上先镀一层高折射率的λ0/4厚的膜层后,基片的折射率从n3提高到n22/n3,然后再镀上λ0/4厚的氟化镁膜就能起到更好的增透效果。构成λ0／4—λ0／4型增透膜。

但对于偏离λ0的波长,表面反射增加,反射率曲线呈V字形,所以也有把这种λ0/4－λ0/4双层增透膜称为V形膜的。

在限定两层膜的厚度都就是λ0/4的前提下,欲使波长λ0的反射光减至零,它们的折射率应满足如下关系:

p22公式

如果外层膜确定用折射率n1为1、38的氟化镁,则内层膜的折射率n2取决于基片材料n3。见公式(2)。

上面讨论的λ0／4－λ0／4 结构的V形膜只能在较窄的光谱范围内有效地减反射,因此仅适宜于工作波段窄的系统中应用。

2、λ0/2－λ0/4膜堆G︱2HL︱A

厚度为λ0／2－λ0／4型的双层增透膜,在中心波长λ0两侧,可望有两个反射率极小值,反射率曲线呈W型,所以也把这种双层增膜称作为W型膜。

同一个G︱2HL︱A膜系的减反射效果随着基底折射率的不同而大不相同。欲获得好的减反射效果,膜层折射率应当随着基底折射率的不同而进行调整。同样,同一个折射率的基底,膜层折射率变化时,减反射效果也大不相同。

1、3 多层减反射膜

双层增透膜的减反射性能比单层增透膜要优越得多,但它并没有全部克服单层增透膜的两个主要缺点:

(1)剩余反射高;

(2)带宽小。

为了克服以上的缺点人们设计出了三层以及多层增透膜。