增透膜的原理及應(yīng)用

1、增透膜的原理及應(yīng)用陜西省安塞縣安塞高級(jí)中學(xué)物理教研組賀軍摘要：在光學(xué)元件中，由于元件表面的反射作用而使光能損失，為了減少元件表面的反射損失，常在光學(xué)元件表面鍍層透明介質(zhì)薄膜,這種薄膜就叫增透膜。本文分別從能量守恒的角度對(duì)增透膜增加透射的原理給予定性分析；根據(jù)菲涅爾公式和折射定律對(duì)增透膜增加透射的原理給予定量解釋?zhuān)焕秒妱?dòng)力學(xué)的電磁理論對(duì)增透膜增加透射的原理給予理論解釋。同時(shí)對(duì)增透膜的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀作一介紹。關(guān)鍵詞：增透膜；干涉；增透膜材料；鍍膜技術(shù)1 前言在日常生活中，人們對(duì)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(rèn)為入射

2、光從增透膜的上、下表面反射后形成兩列反射光，因?yàn)楣馐且圆ǖ男问絺鞑サ?，這兩列反射光干涉相消，使整個(gè)反射光減弱或消失，從而使透射光增強(qiáng)，透射率增大。然而他們無(wú)法理解：反射回來(lái)的兩列光不管是干涉相消還是干涉相長(zhǎng)，反射光肯定是沒(méi)有透射過(guò)去，因增加了一個(gè)反射面，反射回來(lái)的光應(yīng)該是多了，透射過(guò)去的光應(yīng)該是少了，這樣的話(huà)，應(yīng)當(dāng)說(shuō)增透膜不僅不能增透，而且要進(jìn)一步減弱光的透射，怎么是增強(qiáng)透射呢？也有人對(duì)增透膜的屬性和技術(shù)含量不甚了解，對(duì)它進(jìn)行清潔時(shí)造成許多不必要的損壞。隨著人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，增透膜的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此，本文利用光學(xué)及其他物理學(xué)知識(shí)對(duì)增透膜原理給以全面深入的解釋?zhuān)瑫r(shí)對(duì)增透膜的研究和應(yīng)用

3、現(xiàn)狀作一介紹。讓人們對(duì)增透膜有一個(gè)全面深入的了解，進(jìn)而排除在應(yīng)用時(shí)的無(wú)知感和迷惑感。2 增透原理21 定性分析光學(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(huì)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(wèn)題，通常在光學(xué)元件的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，這樣的膜叫光學(xué)增透膜（或減反膜）。這里我們首先從能量守恒的角度對(duì)光學(xué)增透膜的增透原理給予分析。一般情況下，當(dāng)光入射在給定的材料的光學(xué)元件的表面時(shí)，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(shí)，反射光與透射光的總能量等于入射光的能量。即滿(mǎn)足能量守恒定律。

4、當(dāng)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(shí)，反射光和透射光與入射光仍滿(mǎn)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(duì)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(jiàn)，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(guò)改變反射區(qū)的光強(qiáng)可以改變透射區(qū)的光強(qiáng)。22 定量描述光從一種介質(zhì)反射到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的交界面上將發(fā)生反射和折射，把反射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值叫做反射率。用表示，和分別表示反射光和入射光的振幅。設(shè)入射的光強(qiáng)度為1，則反射光的強(qiáng)度為 ，在不考慮吸收

5、及散射情況下，折射光的強(qiáng)度為（1-）。根據(jù)菲涅爾公式和折射定律可知：當(dāng)入射角很小時(shí)，光從折射率n1的介質(zhì)射向折射率n2介質(zhì)，反射率 （1）例如光線(xiàn)由很小的入射角從空氣射入折射率為1.8的介質(zhì)時(shí)，則反射率為若以入射光的強(qiáng)度為1，則反射光的強(qiáng)度為0.08，折射光的強(qiáng)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n1、n、n2,薄膜厚度為d，如下圖所示：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薄膜與介質(zhì)之間的反射率為如果把入射光線(xiàn)的強(qiáng)度仍設(shè)為1，光線(xiàn)是入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)空氣與薄膜的界面一次反射形成的，則其強(qiáng)度為 ；光線(xiàn)入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)空氣

6、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(qiáng)度為 ；光線(xiàn)是入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)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(qiáng)度為 。如果、，則光線(xiàn)的強(qiáng)度為，光線(xiàn)的強(qiáng)度為，光線(xiàn)的強(qiáng)度為，此光束以后反射到空氣中的強(qiáng)度將更小。由此可見(jiàn)，返回空氣中的光線(xiàn)主要是和，而其它的光線(xiàn)強(qiáng)度非常小可以略去不計(jì)。那么，只要光線(xiàn)和滿(mǎn)足振幅相等，正好反相時(shí)，則相互抵消，整個(gè)系統(tǒng)的反射光能量接近零。根據(jù)增透膜增透過(guò)程中能量守恒，透射過(guò)去的光能量得到了增強(qiáng)，幾乎使全部光透射過(guò)去。通過(guò)上面的分析我們知道，只要使光線(xiàn)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(xiàn)和振幅相

7、等，即強(qiáng)度相等，則 由于非常小，非常接近1，所以，只要就可以實(shí)現(xiàn)1和2振幅相等。又因所以和振幅相等的條件是：化簡(jiǎn)上式，薄膜的折射率應(yīng)滿(mǎn)足。一般空氣折射率n1為1，為玻璃折射率為15，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123或接近它。由于折射率小于氟化鎂（折射率為138）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(xiàn)和正好反相，對(duì)薄膜的厚度有一定的要求。當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，反射光有半波損失。對(duì)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(dāng)光從空氣透過(guò)薄膜射向玻璃時(shí)，光線(xiàn)在空氣與薄膜的交界面反射時(shí)有半波損失，光線(xiàn)在薄膜與介質(zhì)的

8、交界面反射時(shí)也有半波損失。所以，當(dāng)光從空氣透過(guò)介質(zhì)薄膜垂直射入玻璃時(shí)，光線(xiàn)和要干涉相消，只要光線(xiàn)和光線(xiàn)的光程相差半個(gè)波。則讓薄膜厚度（k為自然數(shù)，為光在薄膜中波長(zhǎng)），這樣光線(xiàn)經(jīng)薄膜傳播一個(gè)來(lái)回比光線(xiàn)多行，因?yàn)楣馐遣?，具有周期性，所以不管k為哪個(gè)自然數(shù)，光線(xiàn)與光線(xiàn)的光程只要相差半個(gè)波長(zhǎng)，就能達(dá)到目的。在這里還要強(qiáng)調(diào)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，反射光有半波損失。而當(dāng)時(shí)，這樣光線(xiàn)和返回空氣中時(shí)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(xiàn)和的干涉情況與膜的厚度關(guān)系為： 其中k為自然數(shù)，為光在薄膜中的波長(zhǎng)。因此，當(dāng)膜的厚度,則光線(xiàn)和重合時(shí)，出現(xiàn)干涉相消，從而減弱反射光的強(qiáng)度，增加透射

9、光的強(qiáng)度，起到增透的作用。當(dāng)然，要滿(mǎn)足光線(xiàn)和的重合，必須要求光線(xiàn)垂直入射，所以，增透膜在光線(xiàn)垂直入射時(shí)效果最好，入射角很小時(shí)增透膜也有一定的增透作用，但不如垂直入射時(shí)效果好。23 理論解釋下面我們?cè)倮秒妱?dòng)力學(xué)方面的知識(shí)，來(lái)對(duì)光學(xué)增透膜的增透機(jī)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 ，介質(zhì)1薄膜、介質(zhì)2的折射率分別為，且薄膜介質(zhì)為無(wú)損耗介質(zhì)。為了計(jì)算方便，設(shè)入射光為線(xiàn)性的單色平面波，且垂直入射到介質(zhì)與薄膜的交界面（介質(zhì)1與薄膜交界面為面， 介質(zhì)2與薄膜交界面為面）。以交界面為x-y面，入

10、射光波的行進(jìn)方向?yàn)閦軸方向。入射波的電場(chǎng)沿x軸方向，磁場(chǎng)沿y軸方向，則入射波可以寫(xiě)作式中電磁波入射到介質(zhì)薄膜里后，又會(huì)在交界面上產(chǎn)生反射波，反射波又在交界面產(chǎn)生反射。如此下去，在薄膜層中，便有無(wú)窮多個(gè)向前、向后進(jìn)行的電磁波。將向前進(jìn)行的無(wú)窮多個(gè)波的疊加寫(xiě)成式中把向后進(jìn)行的無(wú)窮多個(gè)波的疊加寫(xiě)成 式中介質(zhì)2中向右進(jìn)行的波式中利用交界面處的邊值關(guān)系在處，得 （1）在處，得 （2） 將（1）式代入（2）式得 （3）因?yàn)?，所以?）式可寫(xiě)為 （4）因?yàn)樵撽P(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(shí)部都等于零，故有因?yàn)楣手挥屑?（5）從而得出薄膜的厚度式中是電磁波在薄膜中的波長(zhǎng)。因?yàn)樗?。由?）式

11、中實(shí)部為零，并考慮（5）式得 當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，上式取正號(hào)，即 解得，此時(shí)。這個(gè)解說(shuō)明了當(dāng)兩介質(zhì)折射率相等時(shí)，由于存在著半波損失，反射回來(lái)的主要的兩束干涉光，一束有半波損失，一束沒(méi)有正好考慮半波損失，故薄膜厚度應(yīng)為半波長(zhǎng)整數(shù)倍。當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，上式取負(fù)號(hào)，即解得此時(shí)， 這個(gè)解說(shuō)明當(dāng)時(shí)， ，間于、間，可以不考慮半波損失。與定量描述中的理論相符。 一般光學(xué)介質(zhì)都是在空氣中使用，因此滿(mǎn)足第二種情況。我們只要讓=（k=1，2，3，4，），理論上增透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31 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

12、接合力度，耐光照射性，吸熱強(qiáng)度等因素，能滿(mǎn)足這么多條件的材料可想而知是很困難的。根據(jù)適合不同的需求，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。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(shí)中折射率小于氟化鎂（折射率為）的鍍膜材料很少見(jiàn)，而且像氟化鎂那樣很好的滿(mǎn)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(guò)于苛刻和成本高的問(wèn)題。目前，大規(guī)模的使用金剛石薄膜的條件還不具備。通過(guò)人們對(duì)增透膜的不斷發(fā)展和研究，相信會(huì)有比金剛石更為合適的材料被我們所發(fā)現(xiàn)利用，

13、或者金剛石被大規(guī)模的使用。 32 鍍膜技術(shù)隨著增透膜的不斷開(kāi)發(fā)和研究，光學(xué)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(jiàn)光波長(zhǎng)1/4的數(shù)量級(jí)上，增透膜的均勻度的要求也非常的苛刻。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(jìn)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、溶膠凝膠鍍膜等方法。三者相比較，溶膠凝膠鍍膜設(shè)備簡(jiǎn)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(guò)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(jìng)爭(zhēng)力的制備方法之一。常用的薄膜,并沒(méi)有使透射光的光強(qiáng)達(dá)到最大，也就是說(shuō)沒(méi)有使反射光

14、達(dá)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(duì)于一個(gè)增透膜只對(duì)某一波長(zhǎng)的單色光有完全增透的作用。因此可以通過(guò)多層鍍膜技術(shù)來(lái)改善增透效果，同時(shí)也增加了透射光的線(xiàn)寬，也就是頻寬。隨著人們對(duì)增透膜的應(yīng)用和發(fā)展，有人設(shè)想為細(xì)小的光纖進(jìn)行鍍膜，由此可見(jiàn)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(qiáng)度的實(shí)質(zhì)是作為電磁波的光波在傳播的過(guò)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(duì)于單層薄膜來(lái)說(shuō)，當(dāng)增透膜兩邊介質(zhì)不同時(shí)，薄膜厚度為1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍且薄膜的折射率時(shí)（分別是介質(zhì)1、2的折射率），才可以使入射光全部透過(guò)介質(zhì)。一般光學(xué)透鏡都是在空氣中

15、使用，對(duì)于一般折射率在1.5左右的光學(xué)玻璃，為使單層膜達(dá)到100的增透效果，可使，或接近；還要使增透薄膜的厚度=（）。單層膜只對(duì)某一特定波長(zhǎng)的電磁波增透，為使在更大范圍內(nèi)和更多波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)增透，人們利用鍍多層膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。人們對(duì)增透膜的利用有了很多的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了不少可以作為增透膜的材料；同時(shí)也掌握了不少先進(jìn)的鍍膜技術(shù)，因此增透膜的應(yīng)用涉及醫(yī)學(xué)、軍事、太空探索等各行各業(yè)，為人類(lèi)科技進(jìn)步作出了重大貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)：1 姚啟鈞光學(xué)教程M北京：高等教育出版社,2002：159-1642 張彥亮“增透膜”增透作用的理論解釋J臨沂師范學(xué)院學(xué)報(bào),2004,26（3）：1-33 王秀英增透膜的原理及幾個(gè)問(wèn)題的解答J物理

16、教師,2004,25（11）：1-24 苗潤(rùn)才,周艷光學(xué)增透膜J中學(xué)物理教學(xué)參考,1999,28（8）：1-25 趙凱華,鐘錫華光學(xué)M北京：高等教育出版社,1989：152-1596 Ambrosc BS Shaffer PSSteinberg R N,MeDermott L C An investigation of student understanding of smgle slit diffraotion and double-slit interferenceJ AmJPhvs1999：67,146-1557 俞波,陳一匡,方向明等玻璃表面增透膜的溶膠-凝膠法制備J汕頭大學(xué)學(xué)報(bào),2002,17（2）：1-68張厚石薄膜干涉中的半波損失與薄膜厚度J中學(xué)物理教學(xué)參考,2001,30（11）：1-29 孫增輝,喬學(xué)亮,程宇航一種新型的光學(xué)增透膜DLC及改性DLC薄膜J材料導(dǎo)報(bào),2002, 11（6）：1-310 張耀平,許鴻,凌寧等一種新型三層雙波段減反膜設(shè)計(jì)研究J