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
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。