光學:光學鍍（dù）膜基本原理是什麽?鞍山（shān）亚洲国产综合997光電

一、玻璃（lí）透鏡的製造方法

1、先前的方法：把熔化好的光學玻璃在成型過程（chéng）中製成直徑和需要加工的透鏡直徑略大一點的玻璃棒，然後按照鏡片（piàn）的厚度切割成片材。拿到專門的機械加工儀器上，按要求加工成成品。加工的過程（chéng）主要是：粗（cū）磨，中磨，細磨，精磨，拋光，退火。粗磨至精磨的材料主要是各種不同粒度的金剛砂。拋光的方法（fǎ），在要（yào）求不高的情況下，可以用火焰拋光（guāng）。高級鏡（jìng）片必須用機械（xiè）的方（fāng）法，拋（pāo）光的材料一般為氧化鈰（shì）。

2、現在的方法是先用（yòng）模具熱壓成型（xíng）。主（zhǔ）要是為了減少原始方法中加工帶來的浪費以及提高工作效率。方法是：根（gēn）據鏡片質量確定好熔融（róng）態玻璃（lí）的質量，把在一定溫度、粘滯狀態的（de）玻璃（lí）放入模具中，壓製成型，最後退火。結果有兩種：一是一次到位，成型品即可達到尺（chǐ）寸精度要求。極微（wēi）的缺陷可通過鍍膜（mó）彌（mí）補。對模（mó）具的要求非常高，就我所知（zhī）目前國內尚不具備。這種產（chǎn）品可滿足大多數的需要（yào）。鏡片精度主要受（shòu）模具精度的影響。二是成型品即為精度很高的（de）毛（máo）坯，然後再按上述原始的方法進行機械加工，但加工量很少，可明顯地提高（gāo）生（shēng）產效率。要求精度極高（gāo）的產品多采用這（zhè）種方法。鏡片（piàn）精（jīng）度主要受機械（xiè）加工儀器精度的影響。

二、鍍膜的基本知識

大家知（zhī）道（dào），任何物體對光線都有反射作用（yòng），這也是我們能看到東西的原因。對於（yú）鏡片而言，為（wéi）了使得光線能夠完全透過鏡頭，在底片上完全反映自然的（de）真實情況，鏡頭最好是各種光線完全穿（chuān）過。優質的（de）光學玻璃，其（qí）光線透過率可達到90%

以上，尚餘的光損失就需要在透鏡表麵鍍上（shàng）膜（mó）來彌（mí）補。所以，在光學鏡頭上主要是鍍（dù）減反射（shè）膜也叫增（zēng）透膜。為了滿足各種要求，往（wǎng）往需要鍍（dù）多層膜（mó）。為了提高玻璃的抗劃傷能力，最外麵的一層往往是高硬度的膜。在實驗室裏，現代的（de）工藝技術幾乎可以達到光線（xiàn）百分之（zhī）百通過。之所以這麽說（shuō），是因為在實際使用中，鏡頭上會或多或少地受（shòu）灰塵、髒物等的影響，使得透過鏡頭的光線減少。鍍膜的方法（fǎ）很多，但常規（guī）的方法也就那麽幾種。

(一)、化學（xué）方法，包括溶（róng）膠—凝膠法（fǎ）、化學氣相（xiàng）沉積等方法。根據膜的性質配製一定成分的溶液（yè），然後：

1、浸鍍。把潔淨的玻璃加（jiā）熱（rè）到一定溫度，然後放入（rù）配置好的化學溶（róng）液裏（lǐ），拿出，烘幹（gàn）。這種膜顯然是雙麵膜。

2、噴鍍。把配置好的膜溶液裝（zhuāng）在噴槍上，噴（pēn）到潔（jié）淨的、熱的玻璃表麵。烘幹。玻璃體可以是移動或旋（xuán）轉，以增加膜的均勻性。可鍍雙麵或單麵。(以（yǐ）前鏡（jìng）頭鍍膜有采用所謂的甩膠法，但由（yóu）於不經濟，現（xiàn）代工藝鍍無機膜時已將其淘汰，但它仍然是鍍有機膜的一種常用、成本低廉的（de）方法)。

(二)、物理鍍膜（mó）法。有真空蒸鍍、離子鍍膜、濺射鍍膜(均可歸結為（wéi）物理氣相沉積)等多種不同的形式。多用於鍍金屬膜（mó）、反射（shè）膜等。如鏡子。通常，化（huà）學方法（fǎ）的鍍膜強度一般低於物（wù）理（lǐ）方法，但隨著鍍膜技（jì）術尤其是（shì）近一、二十年的飛速發展，用（yòng）化學（xué）或物理的方（fāng）法達到的效果已經沒有什麽分別。隻是有成本的區別罷了。以前，化（huà）學的方法（fǎ）隻能鍍一層膜，鍍第二層時，由（yóu）於溫度的影響常會（huì）破壞上層膜，但現代的工藝已（yǐ）基本解決這一難題（tí）。

三、膜的清潔

膜的（de）最外層通常是一層硬質膜，一般的手摸或檫洗不會對其造成危（wēi）害，但（dàn）最好不去故意做。通常膜的牢固標（biāo）準（zhǔn），用（yòng）橡皮檫幾十次而不被破壞為合格。通常的清潔方法。

1、檫洗溶（róng）液的選擇。①一（yī）般用無水酒精（jīng）或乙（yǐ）醚（mí）(或兩者（zhě）的混合液)。注（zhù）意：由於乙（yǐ）醚有毒，能不用時最好不用。(本人（rén）不（bú）推薦（jiàn）使用)

②如果要用水檫，一定要用去離（lí）子水(可能（néng）一般人找（zhǎo）不到)，不會（huì）留下水印。

2、檫洗（xǐ）材料。①用脫脂棉，最簡單、最廉價。如果有脫落的纖維留下，用（yòng）氣球吹（chuī）即可。

②專門的鏡頭紙、專用的皮（pí）革（gé）、布之類。皮革(？)或其他的布之類，最（zuì）好不用。因為，這些可（kě）重複使用的東西（xī），在（zài）空氣中會有極細小的砂（shā）粒等硬物沉積在上麵，再次（cì）使用時會把膜劃傷。如果你非要（yào）用（yòng）這些東西檫洗，平時最好保存在密封的環境裏（lǐ）。其次（cì），最好一定（dìng）要一次（cì）性使用。如果鏡頭沾上了水，用脫脂棉（mián）球即可。如果粘上了油物，自（zì）己清洗實在（zài）沒有好辦法。最好拿到修理店去，他們有專業的方法（fǎ），如超（chāo）聲波清洗等辦法。

膜和玻璃最怕的是堿類物質，堿類在極短的時間內就（jiù）可摧毀膜。其次是酸，再次是鹽（yán）類物質。雖然，現代鍍膜技術可（kě）以在表麵（miàn）鍍一層耐酸、堿的膜，但仍是有一定（dìng）限（xiàn）度（dù）的，所以切記千萬不要粘上這些東西。表麵被（bèi）破壞後，通常在（zài）光線下，會看到一些不規則的、彩虹樣的花紋（wén）。

作者：千秋
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光學薄膜是多光束幹涉應用（yòng）的一個實例。

用物理或化學的方法（fǎ）塗敷單層或多層透明介質薄膜，可利用薄膜上（shàng）、下表麵幹涉相長（zhǎng）或相消，使得反射（shè）光增強或減弱，來達到增透（tòu）或者增反的作用。

一、單層鍍膜

設在（zài）折射率為 n2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n2$

n_{2} 的基片上隻鍍一層折射率為 n1" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1$

n_{1} 、厚度為 h" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$h$

h 的介質薄膜。將上下表麵用（yòng）一個等效分界麵來表示，這個等效分界麵的反射率 R" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$R$

R ，也就是薄膜的反射率。有：

R=\left|\frac{E_{or}}{E_{oi}}\right|=\frac{r_{2}(1-r_{1}^{2}）sin\varphi}{r_{1}(1+r_{2}^{2})+r_{2}(1+r_{1}^{2})cos\varphi}

其中 φ" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$φ$

\varphi 是產生的（de）相位差。

如（rú）果光是正入射，可以簡化菲涅爾公式（shì）得到反射係數，有（yǒu）：

r_{1}=\frac{n_{0}-n_{1}}{n_{0}+n_{1}}

r_{2}=\frac{n_{1}-n_{2}}{n_{1}+n_{2}}

由此得到的單層膜反射率

R=\frac{(n_{0}-n_{2})cos^{2}\frac{\varphi}{2}+(n_{0}n_{2}/n_{1}-n_{1})sin^{2}\frac{\varphi}{2}}{(n_{0}+n_{2})cos^{2}\frac{\varphi}{2}+(n_{0}n_{2}/n_{1}+n_{1})sin^{2}\frac{\varphi}{2}}

“未鍍膜”

①當n1=n2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1=n2$

n_{1}=n_{2} 或者 n1=n0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1=n0$

n_{1}=n_{0} ，由（yóu）反射（shè）率公式知， R=n0−n2n0+n2=R0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$R=n0−n2n0+n2=R0$

R=\frac{n_{0}-n_{2}}{n_{0}+n_{2}}=R_{0}

等效於未鍍（dù）膜。

②這裏還要考慮到膜層厚度，由光程差公式，當 n1h=2mλ0/4,m=1,2,3..." role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1h=2mλ0/4,m=1,2,3...$

n_{1}h=2m\lambda_{0}/4,m=1,2,3... ， sin2φ2=0，R=n0−n2n0+n2=R0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$sin2φ2=0，R=n0−n2n0+n2=R0$

sin^{2}\frac{\varphi}{2}=0，R=\frac{n_{0}-n_{2}}{n_{0}+n_{2}}=R_{0} 。

仍然等（děng）效於沒有鍍膜，光好像（xiàng）是直接打在基片上一樣。

增（zēng）反

當 n_{2}">n1>n2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1>n2$

n_{1}>n_{2} ， R_{0}">R>R0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$R>R0$

R>R_{0} ，會產生（shēng）增反的效果。

在“未鍍膜”裏考慮到的膜層厚度問題，這裏也要進行考慮（lǜ）。若（ruò） n1h=(2m+1)λ0/4,m=1,2,3..." role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1h=(2m+1)λ0/4,m=1,2,3...$

n_{1}h=(2m+1)\lambda_{0}/4,m=1,2,3... ,同樣地，有 cos2φ2=0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$cos2φ2=0$

cos^{2}\frac{\varphi}{2}=0 ，代（dài）入R的（de）計算（suàn）公式（shì）可以得到最大的反射率（lǜ），為：

R_{M}=(\frac{n_{0}n_{2}-n_{1}^{2}}{n_{0}n_{2}+n_{1}^{2}})^{2}

增透

當 n1<n2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1<n2$

n_{1}<n_{2} , R<R0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$R<R0$

R<R_{0} ，會產生增透的效果。

仍（réng）然要考慮膜層厚度，與增反時討論的類似（sì），若

n_{1}h=(2m+1)\lambda_{0}/4,m=1,2,3... ,同樣地，有 cos2φ2=0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$cos2φ2=0$

cos^{2}\frac{\varphi}{2}=0 ，代入R的計算（suàn）公式可以（yǐ）得到最小的反射率， Rm=(n0n2−n12n0n2+n12)2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$Rm=(n0n2−n12n0n2+n12)2$

R_{m}=(\frac{n_{0}n_{2}-n_{1}^{2}}{n_{0}n_{2}+n_{1}^{2}})^{2} 。

不難注意到：①該式與增反時得到的最大反射率式相同（tóng），因為推導的前提是一樣的。但（dàn）是有 n1" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1$

n_{1} 的值不同，所以對應著最大和（hé）最小。②當 n1=n0n2，Rm=0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1=n0n2，Rm=0$

n_{1}=\sqrt{n_{0}n_{2}}，R_{m}=0 ，實現完全增透。若 n0=1,n2=1.5" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n0=1,n2=1.5$

n_{0}=1,n_{2}=1.5 ，經（jīng）過計算知要達到（dào）完全增（zēng）透得到的 n1=n0n2=1.2247" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1=n0n2=1.2247$

n_{1}=\sqrt{n_{0}n_{2}}=1.2247 ，這麽低的折射率材料目前還沒有找到。若采用常用的（de）增反 MgF2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$MgF2$

MgF_{2} 材料，折射（shè）率為1.38，可得到 Rm≈0.014" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$Rm≈0.014$

R_{m}\approx0.014 。

總而言（yán）之，當薄膜膜層 nh" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$nh$

nh 滿（mǎn）足 λ04" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$λ04$

\frac{\lambda_{0}}{4} 的奇數倍，薄膜可以達到最大反射率和最（zuì）小反（fǎn）射率。至於是增（zēng）反還（hái）是增透，看所鍍膜（mó）層（céng）的（de）折射率（lǜ） n1" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1$

n_{1} 與基（jī）片（piàn）折射率（lǜ） n2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n2$

n_{2} 關係。

如果不是正入射情況，或（huò）者光束中包含了其他的波長，則不能采用正（zhèng）入射情況下簡化得到的反射率公式。因為這是在給定波長 λ0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$λ0$

\lambda_{0} 的情況下推導（dǎo）的（de），隻能用簡化前的（de）公式計算。

二、多層膜

單層膜一般用於增反、增透和分束。功能有限，如（rú）果要滿足更高的需求（qiú），需要（yào）采（cǎi）用鍍多層膜。

常用多層膜由膜層厚度滿足 nh=λ04" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$nh=λ04$

nh=\frac{\lambda_{0}}{4} 的（de）高折射率和低折射率（lǜ）膜層交替鍍（dù）製，在此膜層厚度的基礎上，提出等效折射率的概念： nI=n12n2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$nI=n12n2$

n_{I}=\frac{n_{1}^{2}}{n_{2}} ，那麽在鍍了一層膜之後，由（yóu）等效折（shé）射率概念，又可以回歸到單層膜的（de）處理思路，實現了簡化。新的鍍膜則是在（zài）基片（piàn）折（shé）射率為 nI" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$nI$

n_{I} 的（de）基礎上鍍（dù）製（zhì）的。