基于薄膜干涉的研究

摘 要： 光學(xué)薄膜是現(xiàn)代光學(xué)儀器和光學(xué)器件的重要組成部分，它在各類光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用極為廣泛。傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜是以光的干涉為基礎(chǔ)，并以此設(shè)計(jì)和制備增透膜、高反膜、濾光膜、分光膜、偏振及消振膜。本文根據(jù)薄膜干涉的基本原理，闡述了半波損失的條件和薄膜厚度的選取。

關(guān)鍵詞： 光學(xué)薄膜 薄膜干涉 薄膜厚度

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)特別是激光技術(shù)和信息光學(xué)的發(fā)展，光學(xué)薄膜不僅用于純光學(xué)器件，在光通訊、光電探測(cè)器、化學(xué)及生物傳感器、納米器件等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜是以光的干涉為基礎(chǔ)，并以此設(shè)計(jì)和制備增透膜、高反膜、濾光膜、分光膜等。薄膜的光學(xué)特性（折射率和厚度）是至關(guān)重要的參量。本文主要依據(jù)薄膜干涉的原理，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，研究薄膜的光學(xué)性質(zhì)。

一、薄膜干涉的基本原理

光學(xué)薄膜是現(xiàn)代光學(xué)儀器和光學(xué)器件的重要組成部分，它通過在光學(xué)玻璃、光學(xué)塑料、光纖、晶體等各種材料的表面鍍制一層或多層薄膜，基于薄膜內(nèi)光的干涉效應(yīng)來改變透射光或反射光的強(qiáng)度、偏振狀態(tài)和相位變化。光學(xué)薄膜具有良好的牢固性和光學(xué)穩(wěn)定性，且質(zhì)量極輕，成本相對(duì)較低，因此光學(xué)薄膜在各類光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛。薄膜干涉：一列光波照射到透明薄膜上，從膜的前、后表面分別被反射形成兩列相干光波，這兩列相干光波在疊加后產(chǎn)生干涉。對(duì)于前、后表面不平行的楔形薄膜來說，凡是薄膜厚度相等的一些相鄰位置，光的干涉效果相同而形成一條同種情況（譬如光振動(dòng)加強(qiáng)）的干涉條紋（亮紋）。隨著薄膜厚度的逐漸變化，干涉效果出現(xiàn)周期性變化，一般在薄膜上形成明暗交替相間的干涉條紋圖樣，稱為等厚薄膜干涉。設(shè)基片的折射率為n■，介質(zhì)膜的折射率為n■，介質(zhì)膜上方空間的折射率為n■，n■>n■，CD⊥AD。（如左圖所示）

二、半波損失

設(shè)基片的折射率為n■，介質(zhì)膜的折射率為n■，介質(zhì)膜上方空間的折射率為n■（如右圖所示），取介質(zhì)膜的光學(xué)厚度n■·d=λ/4。

判斷有無半波損失，根據(jù)具體情況而定：

①當(dāng)n■n■n■或n■>n■

③當(dāng)n■n■>n■時(shí)，在入射點(diǎn)A處，反射光束無半波損失，B點(diǎn)無半波損失，所以也不需要加■；綜③和④所述，當(dāng)n■n■>n■時(shí)，因薄膜上下表面的光學(xué)性質(zhì)相同，上下表面的反射光沒有附加光程差，兩反射光的光程差δ=■，兩反射光干涉相消，增加了投射光的能量，這種薄膜被稱為增透膜。

總之，當(dāng)（n■-n■）（n■-n■）>0時(shí)有增反作用，當(dāng)（n■-n■）（n■-n■）<0時(shí)有增透作用。

三、薄膜厚度的選取

以上的討論可以看出，由于太陽(yáng)光或燈光距介質(zhì)膜面無窮遠(yuǎn)，因此光束照射介質(zhì)膜薄膜表面，幾乎為垂直入射，即i=0。當(dāng)用波長(zhǎng)為λ■的單色光垂直照明時(shí)，為了讓薄膜的光學(xué)厚度達(dá)到所需要求，如當(dāng)n■n■>n■時(shí)的增透作用，則由（1）應(yīng)變?yōu)棣?dn■…（6）。由（6）和（3）式得n■d=■（2k+1）（k=1，2，3，……）…（7）時(shí)，相鄰反射光的光程相位差△φ=（2k+1）π。但在實(shí)際應(yīng)用中照明光波并非是單色光，取n■d為常數(shù)，相位差△φ則隨波長(zhǎng)λ而改變，反射光強(qiáng)必定也隨波長(zhǎng)λ而改變。設(shè)照明光的波長(zhǎng)范圍為[λ■-△λ，λ■+△λ]，光學(xué)厚度n■d滿足（6）式時(shí)，相位差△φ的變化范圍為[■（2k+1），■（2k+1）]，k取值較大時(shí)，有多種光波滿足△φ=（2k+1）π，同時(shí)也有多種波長(zhǎng)的光波滿足△φ=2kπ，即出現(xiàn)一部分光產(chǎn)生相消干涉，而另一部分則產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉的現(xiàn)象。這樣，增透膜的效果均不佳。當(dāng)k取的較小時(shí)，可以避免此種現(xiàn)象的出現(xiàn)。例如400nm～760nm的可見光范圍內(nèi)，取λ■=550nm，n■d■=λ■/4=137.5nm時(shí)，相位差δ的變化范圍為[0.724π.72475π]，δ均與π接近。避免了一部分光波產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉而另一部分產(chǎn)生相消干涉的現(xiàn)象，因此選取薄膜的光學(xué)厚度n■d■=■應(yīng)該是最佳選擇。

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