学镀膜是由薄的分层介质构成的, 通过界面传播光束的一类光学介质材料。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代,光学薄膜广泛用于光学和光电子技术领域,制造各种光学仪器。


主要的光学薄膜器件包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等。它们在国民经济和国防建设中得到了广泛的应用,获得了科学技术工作者的日益重视。例如采用减反射膜后可使复杂的光学镜头的光通量损失成十倍地减小;采用高反射比的反射镜可使激光器的输出功率成倍提高;利用光学薄膜可提高硅光电池的效率和稳定性。


一、结构


最简单的光学薄膜模型是表面光滑、各向同性的均匀介质薄层。在这种情况下,可以用光的干涉理论来研究光学薄膜的光学性质。当一束单色平面波入射到光学薄膜上时,在它的两个表面上发生多次反射和折射,反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律给出,反射光和折射光的振幅大小则由菲涅耳公式确定(见光在分界面上的折射和反射)。


二、特点


光学薄膜的特点是:表面光滑,膜层之间的界面呈几何分割;膜层的折射率在界面上可以发生跃变,但在膜层内是连续的;可以是透明介质,也可以是


光学薄膜


吸收介质;可以是法向均匀的,也可以是法向不均匀的。实际应用的薄膜要比理想薄膜复杂得多。这是因为:制备时,薄膜的光学性质和物理性质偏离大块材料,其表面和界面是粗糙的,从而导致光束的漫散射;膜层之间的相互渗透形成扩散界面;由于膜层的生长、结构、应力等原因,形成了薄膜的各向异性;膜层具有复杂的时间效应。


滤光片简介:


用来选取所需辐射波段的光学器件。滤光片的一个共性,就是没有任何滤光片能让天体的成像变得更明亮,因为所有的滤光片都会吸收某些波长,从而使物体变得更暗。


滤光片原理:


滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的,红色滤光片只能让红光通过,如此类推。玻璃片的透射率原本与空气差不多,所有色光都可以通过,所以是透明的,但是染了染料后,分子结构变化,折射率也发生变化,对某些色光的通过就有变化了。比如一束白光通过蓝色滤光片,射出的是一束蓝光,而绿光、红光极少,大多数被滤光片吸收了。


滤光片特点


其主要特点是尺寸可做得相当大。薄膜滤光片,一般透过的波长较长﹐多用做红外滤光片。后者是在一定片基,用真空镀膜法交替形成具有一定厚度的高折射率或低折射率的金属-介质-金属膜,或全介质膜,构成一种低级次的﹑多级串联实心法布里-珀罗干涉仪。膜层的材料﹑厚度和串联方式的选择,由所需要的中心波长和透射带宽λ确定。


滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类。


光谱波段:紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片;


光谱特性:带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片;


膜层材料:软膜滤光片、硬膜滤光片;


硬膜滤光片不仅指薄膜硬度方面,更重要的是它的激光损伤阈值,所以它广泛应用于激光系统当中,面软膜滤光片则主要用于生化分析仪当中。


带通型:选定波段的光通过,通带以外的光截止。其光学指标主要是中心波长(CWL),半带宽(FWHM)。分为窄带和宽带。比如窄带808滤光片NBF-808。


短波通型(又叫低波通):短于选定波长的光通过,长于该波长的光截止。比如红外截止滤光片,IBG-650。


长波通型(又叫高波通):长于选定波长的光通过,短于该波长的光截止 比如红外透过滤光片,IPG-800。


IR-CUT


双滤光片的使用可以有效解决双峰滤光片产生问题。IR-CUT双滤光片由一个红外截止滤光片和一个全光谱光学玻璃构成,当白天的光线充分时红外截止滤光片工作,CCD


还原出真实彩色,当夜间光线不足时,红外截止滤光片自动移开,全光谱光学玻璃开始工作,使CCD充分利用到所有光线,从而大大提高了低照性能。IR CUT双滤光片专为


CCD摄影机修正偏色、失焦的问题,促使撷取影像画面不失焦、不偏色,红外夜视更通透,解决红外一体机,日夜图像偏色影响,能够过滤强光让画面色彩纯美更柔和、达到人眼视觉色彩一致。


普通日夜型摄象机使用能透过一定比例红外光线的双峰滤片,其优点是成本低廉,但由于自然光线中含有较多的红外成份,当其进入CCD后会干扰色彩还原,比如绿色植物变得灰白,红色衣服变成灰绿色等等(有阳光室外环境尤其明显)。在夜间由于双峰滤光片的过滤作用,使CC不能充分利用所有光线,其低照性能难以令人满意。


滤光片术语


入射角度:入射光线和滤光片表面法线之间的夹角。当光线正入射时,入射角为0°。


光谱特性:滤光片光谱参数(透过率T,反射率R,光密度OD,位相,偏振状态s,p等相对于波长变化的特性)。


中心波长:带通滤光片的中心称为中心波长(CWL)。通带宽度用最大透过率


一半处的宽度表示(FWHM),通常称为半宽。


有效孔径:光学系统中有效利用的物理区域。通常于滤光片的外观尺寸相似,同心,尺寸略小些。


截止位置/前-后:cut-on对应光谱特性从衰减到透过的50%点,cut-off对应光谱特性从透过到衰减的50%点。有时也可定义为峰值透过率的5%或者10%点。


公差Tolerance::任何产品都有制造公差。以带通滤光片为例,中心波长要有公差,


半宽要有公差,因此定购产品时一定要标明公差范围。滤光片实际使用过程中并非公差越小越好,公差越小,制造难度越大,成本越高。用户可以根据实际需要,提出合理公差范围。


一,减反射膜


又称增透膜,它的主要功能是减少或消除透镜、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。


最简单的增透膜是单层膜,它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低的薄膜。当薄膜的折射率低于基体材料的折射率时,两个界面的反射系数r1和r2具有 相同的



位相变化。如果膜层的光学厚度是某一波长的四分之一,相邻两束光的光程差恰好为π,即振动方向相反,叠加的结果使光学表面对该波长的反射光减少。适当选择膜层的折射率,使得r1和r2相等,这时光学表面的反射光可以完全消除。


一般情况下,采用单层增透膜很难达到理想的增透效果,为了在单波长实现零反射,或在较宽的光谱区达到好的增透效果,往往采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。图1的a、b、c分别绘出Kg玻璃表面的单层、双层和三层增透膜的剩余反射曲线。


二,光学薄膜


减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜,因此,它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题,研究的重点是寻找新材料,设计新膜系,改进淀积工艺,使之用最少的层数,最简单、最稳定的工艺,获得尽可能高的成品率,达到最理想的效果。对激光薄膜来说,减反射膜是激光损伤的薄弱环节,如何提高它的破坏强度,也是人们最关心的问题之一。


三,反射膜


它的功能是增加光学表面的反射率。反射膜一般可分为两大类,一类是金属反射膜,一类是全电介质反射膜。此外,还有把两者结合起来的金属电介质反射膜。



一般金属都具有较大的消光系数,当光束由空气入射到金属表面时,进入金属内部的光振幅迅速衰减,使得进入金属内部的光能相应减少,而反射光能增加。消光系数越大,光振幅衰减越迅速,进入金属内部的光能越少,反射率越高。人们总是选择消光系数较大,光学性质较稳定的那些金属作为金属膜材料。在紫外区常用的金属薄膜材料是铝,在可见光区常用铝和银,在红外区常用金、银和铜,此外,铬和铂也常用作一些特种薄膜的膜料。由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能,所以必须用电介质膜加以保护。常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等。金属反射膜的优点是制备工艺简单,工作的波长范围宽;缺点是光损耗大,反射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高,可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层,组成金属电介质反射膜。需要指出的是,金属电介质反射膜增加了某一波长(或者某一波区)的反射率,却破坏了金属膜中性反射的特点。


全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反,在光学表面上镀一层折射率高于基体材料的薄膜,就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射膜是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的,每层膜的光学厚度为某一波长的四分之一。在这种条件下,参加叠加的各界面上的反射光矢量,振动方向相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。图2给出这种反射膜的反射率随着层数而变化的情形。


原则上说,全电介质反射膜的反射率可以无限接近于1,但是薄膜的散射、吸收损耗限制了薄膜反射率的提高。迄今为止,优质激光反射膜的反射率虽然已超过99.9%,但有一些工作还要求它的反射率继续提高。应用于强激光系统的反射膜,则更强调它的抗激光强度,围绕提高这类薄膜的抗激光强度所开展的工作,使这类薄膜的研究更加深入。


四,干涉滤光片


是种类最多、结构复杂的一类光学薄膜。它的主要功能是分割光谱带。最常见的干涉滤光片是截止滤光片和带通滤光片。截止滤光片可以把所考虑的光谱区分成两部分,一部分不允许光通过(称为截止区),另一部分要求光充分通过(称为带通区)。按照通带在光谱区的位置又可分为长波通和短波通二种,它们最简单的结构分别为,这里H、L分别表示厚的高、低折射率层,m为周期数。具有以上结构的膜系称为对称周期膜系。如果所考虑的光谱区很宽或通带透过率的波纹要求很高,膜系结构会更加复杂。


带通滤光片只允许光谱带中的一段通过,而其他部分全部被滤掉,按照它们结构的不同可分为法布里-珀罗型滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片。法布里-珀罗型滤光片



的结构与法-珀标准具(见法布里-珀罗干涉仪)相同,因为由它获得的透过光谱带都比较窄,所以又叫窄带干涉滤光片。这种滤光片的透过率对薄膜的损耗非常敏感,所以制备透过率很高、半宽度又很窄的滤光片是很困难的。多腔滤光片又叫矩形滤光片,它可以做窄带带通滤光片,又可以做宽带带通滤光片,制备波区较宽,透过率高,波纹小的多腔滤光片同样是困难的。


诱增透滤光片是在金属膜两边匹配以适当的电介质膜系,以增加势透过率,减少反射,使通带透过率增加的一类滤光片。虽然它的通带性能不如全电介质法-珀滤光片,却有着很宽的截止特性,所以还是有很大的应用价值。特别在紫外区,一般电介质材料吸收都比较大的情况下,它的优越性就更明显了。图3的a、b、c分别给出法布里-珀罗型滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片的典型曲线。


五,分光膜


根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜。分光膜主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜等几类。


波长分光膜又叫双色分光膜,顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片,所不同的是,波长分光膜不仅要考虑透过光而且要考虑反射光,二者都要求有一定形状的光谱曲线。波长分光膜通常在一定入射角下使用,在这种情况下,由于偏振的影响,光谱曲线会发生畸变,为了克服这种影响,必须考虑薄膜的消偏振问题。


光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜,这种薄



膜有时仅考虑某一波长,叫做单色分光膜;有时需要考虑一个光谱区域叫做宽带分光膜;用于可见光的宽带分光膜,又叫做中性分光膜。这种膜也常在斜入射下应用,由于偏振的影响,二束光的偏振状态可以相差很多,在有些工作中,可以不考虑这种差别,但在另一些工作中(例如某些干涉仪),则要求两束光都是消偏振的,这就需要设计和制备消偏振膜。


偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的。偏振分光膜可以分成棱镜型和平板型两种。棱镜型偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应(见光在分界面上的折射和反射)。当光束总是以布儒斯特角入射到两种材料界面时,则不论薄膜层数有多少,其水平方向振动的反射光总为零,而垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加,只要层数足够多,就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光,而反射光束基本上是垂直方向振动的光,从而达到偏振分光的目的,由于由空气入射不可能达到两种薄膜材料界面上的布儒斯特角,所以薄膜必须镀在棱镜上,这时入射介质不是空气而是玻璃。平板型偏振膜主要是利用在斜入射时由电介质反射膜两个偏振分量的反射带带宽的不同而制成的。一般高反射膜,随着入射角的增大,垂直分量的反射带宽逐渐增大,而平行分量的带宽逐渐减少。选择垂直分量的高反射区、平行分量的高透过区为工作区则可构成透过平行分量反射垂直分量的偏振膜,这种偏振膜的入射角一般选择在基体的布儒斯特角附近。棱镜型偏振膜工作的波长范围比较宽,偏振度也可以做得比较高,但它制备较麻烦,不易做得大,抗激光强度也比较低。平板型偏振片工作的波长区域比较窄,但它可以做得很大,抗激光强度也比较高,所以经常用在强激光系统中。