光学:光学镀膜基本原理是什么?鞍山激埃特光电

一、玻璃透镜的制造方法

1、先前的方法：把熔化好的光学玻璃在成型过程中制成直径和需要加工的透镜直径略大一点的玻璃棒，然后按照镜片的厚度切割成片材。拿到专门的机械加工仪器上，按要求加工成成品。加工的过程主要是：粗磨，中磨，细磨，精磨，抛光，退火。粗磨至精磨的材料主要是各种不同粒度的金刚砂。抛光的方法，在要求不高的情况下，可以用火焰抛光。高级镜片必须用机械的方法，抛光的材料一般为氧化铈。

2、现在的方法是先用模具热压成型。主要是为了减少原始方法中加工带来的浪费以及提高工作效率。方法是：根据镜片质量确定好熔融态玻璃的质量，把在一定温度、粘滞状态的玻璃放入模具中，压制成型，最后退火。结果有两种：一是一次到位，成型品即可达到尺寸精度要求。极微的缺陷可通过镀膜弥补。对模具的要求非常高，就我所知目前国内尚不具备。这种产品可满足大多数的需要。镜片精度主要受模具精度的影响。二是成型品即为精度很高的毛坯，然后再按上述原始的方法进行机械加工，但加工量很少，可明显地提高生产效率。要求精度极高的产品多采用这种方法。镜片精度主要受机械加工仪器精度的影响。

二、镀膜的基本知识

大家知道，任何物体对光线都有反射作用，这也是我们能看到东西的原因。对于镜片而言，为了使得光线能够完全透过镜头，在底片上完全反映自然的真实情况，镜头最好是各种光线完全穿过。优质的光学玻璃，其光线透过率可达到90%

以上，尚余的光损失就需要在透镜表面镀上膜来弥补。所以，在光学镜头上主要是镀减反射膜也叫增透膜。为了满足各种要求，往往需要镀多层膜。为了提高玻璃的抗划伤能力，最外面的一层往往是高硬度的膜。在实验室里，现代的工艺技术几乎可以达到光线百分之百通过。之所以这么说，是因为在实际使用中，镜头上会或多或少地受灰尘、脏物等的影响，使得透过镜头的光线减少。镀膜的方法很多，但常规的方法也就那么几种。

(一)、化学方法，包括溶胶—凝胶法、化学气相沉积等方法。根据膜的性质配制一定成分的溶液，然后：

1、浸镀。把洁净的玻璃加热到一定温度，然后放入配置好的化学溶液里，拿出，烘干。这种膜显然是双面膜。

2、喷镀。把配置好的膜溶液装在喷枪上，喷到洁净的、热的玻璃表面。烘干。玻璃体可以是移动或旋转，以增加膜的均匀性。可镀双面或单面。(以前镜头镀膜有采用所谓的甩胶法，但由于不经济，现代工艺镀无机膜时已将其淘汰，但它仍然是镀有机膜的一种常用、成本低廉的方法)。

(二)、物理镀膜法。有真空蒸镀、离子镀膜、溅射镀膜(均可归结为物理气相沉积)等多种不同的形式。多用于镀金属膜、反射膜等。如镜子。通常，化学方法的镀膜强度一般低于物理方法，但随着镀膜技术尤其是近一、二十年的飞速发展，用化学或物理的方法达到的效果已经没有什么分别。只是有成本的区别罢了。以前，化学的方法只能镀一层膜，镀第二层时，由于温度的影响常会破坏上层膜，但现代的工艺已基本解决这一难题。

三、膜的清洁

膜的最外层通常是一层硬质膜，一般的手摸或檫洗不会对其造成危害，但最好不去故意做。通常膜的牢固标准，用橡皮檫几十次而不被破坏为合格。通常的清洁方法。

1、檫洗溶液的选择。①一般用无水酒精或乙醚(或两者的混合液)。注意：由于乙醚有毒，能不用时最好不用。(本人不推荐使用)

②如果要用水檫，一定要用去离子水(可能一般人找不到)，不会留下水印。

2、檫洗材料。①用脱脂棉，最简单、最廉价。如果有脱落的纤维留下，用气球吹即可。

②专门的镜头纸、专用的皮革、布之类。皮革(？)或其他的布之类，最好不用。因为，这些可重复使用的东西，在空气中会有极细小的砂粒等硬物沉积在上面，再次使用时会把膜划伤。如果你非要用这些东西檫洗，平时最好保存在密封的环境里。其次，最好一定要一次性使用。如果镜头沾上了水，用脱脂棉球即可。如果粘上了油物，自己清洗实在没有好办法。最好拿到修理店去，他们有专业的方法，如超声波清洗等办法。

膜和玻璃最怕的是碱类物质，碱类在极短的时间内就可摧毁膜。其次是酸，再次是盐类物质。虽然，现代镀膜技术可以在表面镀一层耐酸、碱的膜，但仍是有一定限度的，所以切记千万不要粘上这些东西。表面被破坏后，通常在光线下，会看到一些不规则的、彩虹样的花纹。

作者：千秋
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光学薄膜是多光束干涉应用的一个实例。

用物理或化学的方法涂敷单层或多层透明介质薄膜，可利用薄膜上、下表面干涉相长或相消，使得反射光增强或减弱，来达到增透或者增反的作用。

一、单层镀膜

设在折射率为 n2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n2$

n_{2} 的基片上只镀一层折射率为 n1" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1$

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

h 的介质薄膜。将上下表面用一个等效分界面来表示，这个等效分界面的反射率 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 是产生的相位差。

如果光是正入射，可以简化菲涅尔公式得到反射系数，有：

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

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

由此得到的单层膜反射率

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}}

“未镀膜”

①当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} ，由反射率公式知， 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}

等效于未镀膜。

②这里还要考虑到膜层厚度，由光程差公式，当 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} 。

仍然等效于没有镀膜，光好像是直接打在基片上一样。

增反

当 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} ，会产生增反的效果。

在“未镀膜”里考虑到的膜层厚度问题，这里也要进行考虑。若 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... ,同样地，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的计算公式可以得到最大的反射率，为：

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

增透

当 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} ，会产生增透的效果。

仍然要考虑膜层厚度，与增反时讨论的类似，若

n_{1}h=(2m+1)\lambda_{0}/4,m=1,2,3... ,同样地，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的计算公式可以得到最小的反射率， 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} 。

不难注意到：①该式与增反时得到的最大反射率式相同，因为推导的前提是一样的。但是有 n1" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1$

n_{1} 的值不同，所以对应着最大和最小。②当 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 ，实现完全增透。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 ，经过计算知要达到完全增透得到的 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 ，这么低的折射率材料目前还没有找到。若采用常用的增反 MgF2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$MgF2$

MgF_{2} 材料，折射率为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 。

总而言之，当薄膜膜层 nh" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$nh$

nh 满足 λ04" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$λ04$

\frac{\lambda_{0}}{4} 的奇数倍，薄膜可以达到最大反射率和最小反射率。至于是增反还是增透，看所镀膜层的折射率 n1" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1$

n_{1} 与基片折射率 n2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n2$

n_{2} 关系。

如果不是正入射情况，或者光束中包含了其他的波长，则不能采用正入射情况下简化得到的反射率公式。因为这是在给定波长 λ0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$λ0$

\lambda_{0} 的情况下推导的，只能用简化前的公式计算。

二、多层膜

单层膜一般用于增反、增透和分束。功能有限，如果要满足更高的需求，需要采用镀多层膜。

常用多层膜由膜层厚度满足 nh=λ04" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$nh=λ04$

nh=\frac{\lambda_{0}}{4} 的高折射率和低折射率膜层交替镀制，在此膜层厚度的基础上，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}} ，那么在镀了一层膜之后，由等效折射率概念，又可以回归到单层膜的处理思路，实现了简化。新的镀膜则是在基片折射率为 nI" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$nI$

n_{I} 的基础上镀制的。