光学薄膜及其应用
目录
一、引言
二、什么是光学薄
膜？
三、光学薄膜干涉
原理
四、光学薄膜的应
用
五、薄膜的制备
六、应用于望远镜
的光学薄膜分
析第三版光学薄膜干涉原理
光是一种电磁波。

可以设想光源中的分子或原子被某种原因激励而振动,这种振动导致分子或原子中的电磁场发生电磁振动。

可以证明,电场强度与磁场强度两者有单一的对应关系,同时在大多光学现象中电场强度起主导作用,所以我们通常将电场振动称为光振动,这种振动沿空间方向传播出去就形成了电磁波。

电磁波的波长λ、频率f、传播速度v三者之间的关系为:
v=λ•f
各种频率的电磁波在真空中的速度都是一样的,即3.0E+8m/s,常用C 表示。

但是在不同介质中,传播速率是不一样的。

假设某种频率的电磁波在某一介质中的传播速度为v,则C与v的比值称为这种介质对这种频率电磁波的折射率。

频率不同的电磁波,它们的波长也不同。

波长在
400~760nm这样一段电磁波能引起人们的视觉,称为可见光。

普通光源如太阳、白炽灯等内部大量振动中的分子或原子彼此独立,各自有自己的振动方向、振幅及发光的起始时间。

每个原子每一次振动所发出的光波只有短短的一列,持续时间约为1.0E-8秒。

我们通常观察到的光都是光源内大量分子或原子振动辐射出来的结果,而观察不到其作为一种波动在传播过程中所能表现出来的特征———干涉、衍射和偏振等现象。

这是因为实现光的干涉是需要条件的,即只有频率相同、相位差恒定、振动方向一致的两列光波才是相干光波,这样的两列波辐射到同一点上,彼此叠加,产生稳定的干涉抵消(产生暗影)或者干涉加强(产生比两束光能简单相加更强的光斑)图像,才是我们观察到的光的干涉现象。

光学薄膜可以满足光干涉的这些条件。

如图1所示,它表示一层镀在基底(n2)上的折射率为n1厚度为d1的薄膜,假定n1<n2,n0为入射介质的折射率。

入射光束I中某一频率的波列W在薄膜的界面1上反射形成反射光波W1,透过界面的光波穿过薄1膜在界面2上反射后再次穿过薄膜,透过界面1在反射空间形成反射波W2。

W1和W2是从同一波段中分离出来的,所以频率相同,振动方向相同,所不同的是W2比W1多走了往返两次薄膜厚度的路径,从而造成了它们的相位差。

入射光I中相同频率的其他波列同样也有着相同的相位差。

对于入射光中其它频率的光也有着类似的讨论。

所以在薄膜的界面1与界面2上形成的两束反射光I1与I2是相干光,在它们相遇区域中会产生光的干涉现象。

如果我们忽略光在薄膜内的多次反射,只考虑这两束光的干涉,那么W1和W2所经过的路径之差是薄膜厚度(d1)的两位。

当薄膜的折射率n1与厚度d1的乘积(n1d1称为光学厚度)是某一参考光波波长的四分之一时,两束光的光程差是二分之一波长(2n1d1=2×λ/4=λ/2),即相位差为π(2σ1=2×(2π/λ)n1d1=π)。

我们将这时的两束反射光波示意地画在图2中,可以观察到此时的干涉是相消干涉。

如果我们选择薄膜的折射率等于基底折射率的平方根,即n1=n2（1/2）,那么两束反射光的振幅相等,两束光完全相消。

由于反射光的强度是反射振幅的平方,所以合成的反射光强度为零,也就是完全消除了表面的反射光。

对于不是参考波长的其他波长,两束反射光的光程差不再是二分之一波长,所以就不会观察到这种完全相消的效果,会有不同程度的剩余反射。

由于这种薄膜具有减少光学表面反射率的作用,所以我们常称之为减反射膜。

将多种不同折射率、不同厚度的薄膜组合在一起,就形成一个比上面单层膜更为复杂的分层结构的多层膜系,膜系的合理组合会使光在其上面反射、透射、偏振等特征发生变化。

通过现代计算机技术可以方便地计算各种光学薄膜的各种性能,或者根据人们的需求设计出满足要求的膜系来。

现代复杂光学薄膜的膜系结构可能多达几百层。