基于薄膜干涉的研究

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摘 要： 光学薄膜是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分，它在各类光学系统中的应用极为广泛。传统的光学薄膜是以光的干涉为基础，并以此设计和制备增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振及消振膜。本文根据薄膜干涉的基本原理，阐述了半波损失的条件和薄膜厚度的选取。

关键词： 光学薄膜 薄膜干涉 薄膜厚度

随着现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展，光学薄膜不仅用于纯光学器件，在光通讯、光电探测器、化学及生物传感器、纳米器件等领域也有广泛的应用。传统的光学薄膜是以光的干涉为基础，并以此设计和制备增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜等。薄膜的光学特性（折射率和厚度）是至关重要的参量。本文主要依据薄膜干涉的原理，根据不同的应用要求，研究薄膜的光学性质。

一、薄膜干涉的基本原理

光学薄膜是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分，它通过在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化。光学薄膜具有良好的牢固性和光学稳定性，且质量极轻，成本相对较低，因此光学薄膜在各类光学系统中应用极为广泛。薄膜干涉：一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面分别被反射形成两列相干光波，这两列相干光波在叠加后产生干涉。对于前、后表面不平行的楔形薄膜来说，凡是薄膜厚度相等的一些相邻位置，光的干涉效果相同而形成一条同种情况（譬如光振动加强）的干涉条纹（亮纹）。随着薄膜厚度的逐渐变化，干涉效果出现周期性变化，一般在薄膜上形成明暗交替相间的干涉条纹图样，称为等厚薄膜干涉。设基片的折射率为n■，介质膜的折射率为n■，介质膜上方空间的折射率为n■，n■>n■，CDAD。（如左图所示）

二、半波损失

设基片的折射率为n■，介质膜的折射率为n■，介质膜上方空间的折射率为n■（如右图所示），取介质膜的光学厚度n■·d=λ/4。

判断有无半波损失，根据具体情况而定：

①当n■

③当n■n■时，在入射点A处，反射光束无半波损失，B点无半波损失，所以也不需要加■；综③和④所述，当n■n■时，因薄膜上下表面的光学性质相同，上下表面的反射光没有附加光程差，两反射光的光程差δ=■，两反射光干涉相消，增加了投射光的能量，这种薄膜被称为增透膜。

总之，当（n■-n■）（n■-n■）>0时有增反作用，当（n■-n■）（n■-n■）

三、薄膜厚度的选取

以上的讨论可以看出，由于太阳光或灯光距介质膜面无穷远，因此光束照射介质膜薄膜表面，几乎为垂直入射，即i=0。当用波长为λ■的单色光垂直照明时，为了让薄膜的光学厚度达到所需要求，如当n■n■时的增透作用，则由（1）应变为δ2dn■…（6）。由（6）和（3）式得n■d=■（2k+1）（k=1，2，3，……）…（7）时，相邻反射光的光程相位差φ=（2k+1）π。但在实际应用中照明光波并非是单色光，取n■d为常数，相位差φ则随波长λ而改变，反射光强必定也随波长λ而改变。设照明光的波长范围为[λ■-λ，λ■+λ]，光学厚度n■d满足（6）式时，相位差φ的变化范围为[■（2k+1），■（2k+1）]，k取值较大时，有多种光波满足φ=（2k+1）π，同时也有多种波长的光波满足φ=2kπ，即出现一部分光产生相消干涉，而另一部分则产生相长干涉的现象。这样，增透膜的效果均不佳。当k取的较小时，可以避免此种现象的出现。例如400nm～760nm的可见光范围内，取λ■=550nm，n■d■=λ■/4=137.5nm时，相位差δ的变化范围为[0.724π.72475π]，δ均与π接近。避免了一部分光波产生相长干涉而另一部分产生相消干涉的现象，因此选取薄膜的光学厚度n■d■=■应该是最佳选择。

参考文献：

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