光学薄膜的常见功能(HR、AR、BS、AT、FI、PBS、PC)

1  引言

    早期，由玻璃材料做成的光学元件，在使用过程中会遇到空气中的水汽、酸、碱等物质的侵蚀，使得表面性能下降，影响了光学产品的寿命。因此，为了解决这一问题，产生了光学镀膜技术，通过在镜片表面上镀一层薄膜，可以将抛光表面与空气做隔离，从而起到保护光学面的作用。在后续的使用过程中发现，薄膜不仅可以保护光学面，还可以改变光束的光学特性，例如让表面透过率或者反射率产生改变，因此，人们对镀膜技术有了更多的研究，当代的光学镀膜，是指在抛光的光学零件表面上镀上一层或多层薄膜的工艺过程，目的是为了改变光波的传束特性，包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变等功能，或者通过光学薄膜，实现其它特定的目的。在本篇中，我们对光学薄膜的常见功能做介绍，来让大家对这一领域有更多的了解。

2   光学薄膜的常见功能

     在光学图纸中定义镀膜要求的时候，需要明确它适用的光谱范围，比如是在紫外波段的镀膜需求，还是在可见光或者红外波段的需求等。另外，要明确膜层入射角度的大小，以满足该光学元件在光学系统中的具体使用需求，最后，还要定义镀膜后的数值大小，比如，是需要反射率低于0.5%，还是反射率要高于96%等。根据应用的场景不同，光学薄膜的常见功能如下：

A、反射（HR Coating）

    具备这一功能的薄膜称为反射膜，是用来增加光学表面反射率的膜系，光学表面镀了反射膜后，就可以作为反射镜来使用了。

     不同的反射率指标下，对应的镀膜膜系是不同的，常见的反射膜大致有两种膜系的选择，一种是金属膜，如铝膜、银膜、金膜等，金属膜的厚度通常比较薄，对表面面形有很好的保持，反射率最高可以达到97%的水平。另一种是镀电介质膜，电介质膜是利用不同电介质材料的相互叠加而形成的多层膜，如用氟化镁（MgF2）和五氧化二钽（Ta2O5）配合形成的介质反射膜，可以达到99.99%的反射率水平，是相当不错的。但是介质膜的厚度通常偏厚，因此不容易保持高精度的面形。做为一个例子，下图给出了在可见光波段，在BK7材料表面镀金膜、银膜、铝膜和电解质膜的反射率曲线：

    上图中，光束为0度入射，红色线代表金膜，绿色线代表银膜、蓝色线代表铝膜，黑色线代表介质膜，其中介质膜是由10层的MgF2和11层的Ta2O5构成，MgF2的总厚度为66nm，Ta2O5的总厚度为99nm，它们构成的介质膜的反射率是最高的。

B、减反（AR Coating）

     具备这一功能的薄膜称为增透膜或者减反膜，减反膜的作用是在一定光谱范围内，降低光学表面的反射率，从而增加光束在元件上的透过率指标。减反膜通常由一层或多层不同的电解质材料叠加而成。这里同样可以用氟化镁和五氧化二钽，在下图中，给出了在可见光波段，BK7材料在不镀膜、镀单层介质膜和多层介质膜的表面反射率曲线：

    上图中，光束为0度入射，红色线代表不镀膜的BK7抛光表面，反射率约为4.2%，绿线为在基底上镀了单层MgF2膜的反射率曲线，膜层厚度约99nm，可以看到反射率有了明显的降低。蓝线为在基底上镀了3层MgF2和3层Ta2O5的多层介质膜，此时的表面反射率已经在0.5%以下了。

     镀膜材料不仅限于MgF2和Ta2O5，实际中，可以选用很多的镀膜材料来使用，主要是氟化物、氧化物以及其它类化合物，常用的氟化物还包括氟化镧LaF3、氟化钇YF3、氟化镱YbF3等，常用的氧化物还包括二氧化硅SiO2、二氧化钛TiO2、二氧化锆ZrO2、二氧化铪HfO2等，以及硫化锌ZnS、硒化锌ZnSe等化合物。

C、分光（Beam Splitting）

     通过镀膜，可以将入射到镀膜面上的光束分成两束光，一束光透射穿过，另外一束光被反射，并且两束光的光强比例是可以在膜系设计时定义的。常见的有1:1的分光膜，即透过光强和反射光强各占一半，另外，实际应用中也有1:2比例或其它各种比例的分光膜。

D、衰减（Attenuating）

    通过对平片产品镀膜，可以使得透过它的光束强度变弱，但是消失的光束并没有被平片反射回去，而是被吸收掉了，从而实现光束衰减的功能。我们平时佩戴的太阳镜，就可以实现对紫外线的吸收和光强的衰减，起到保护眼睛的目的。在光学仪器中，有恒定衰减率的衰减片，即产品的各个位置可以对入射光束实现同等程度的衰减，也有渐变衰减率的衰减片，当渐变衰减片产品绕中心旋转一周时，光强的透过率可以由强到弱连续的变化。

E、滤光（Filtering）

     用于滤光功能的元件通常称为滤光片，它可以使特定谱段的光透过，将不感兴趣谱段的光束滤除掉，滤光片在光学仪器中应用非常广泛，按照光谱特性分类，可以分为带通滤光片、短波通滤光片、长波通滤光片等多种类型。在摄影行业，滤光片常被用来作为颜色的筛选器，从而获得有特定艺术效果的照片。

F、偏振控制（Polarizing Control）

     我们知道，线偏振光分为P光和S光，两者振动方向相互垂直，传播也是相互独立的。通过镀膜，可以对入射光束的偏振态进行控制，常见的应用如偏振片，它可以将自然光变成偏振光，从而广泛应用在3D电影眼镜、LCD显示的场合。光学仪器中常用的偏振分光棱镜（PBS），通过在胶合直角棱镜的斜面镀膜，可以实现将入射光束分成互成90度的P光和S光，起到起偏的作用，PBS的原理图如下所示：

G、相位改变（Phase Change）

     我们前面提到过，光学薄膜通常是一层或多层介质的叠加，当光束在不同介质的界面层间被反射或折射时，不同偏振态的光的相位会发生改变，因此，根据这一特性，可以利用光学薄膜实现对入射光中P光和S光的相位调控，常见的有相位匹配、相位延迟等应用。

H、非光学特性的功能

     还有一类光学薄膜，它们并具备光学功能，但是在实际中是需要的。例如，当光学表面需要防水时，就需要镀疏水膜，该膜层可以使水滴在镜片上不易附着，就像荷叶上水滴的效果一样，被高效的排走。还有一些场合，需要光学表面具备导电的功能，这个时候，就需要镀ITO（Indium Tin Oxide）膜，这种膜在可见光波段具备良好的透过率，同时具备优异的导电性，从而为平板显示器、触摸屏、太阳能电池等电子产品设备提供透明的导电功能。

3   结语

     在本文中，我们对光学薄膜的常见功能做了详细的介绍，按照膜系的不同，光学薄膜通常具备高反、增透、分光、衰减、滤光、偏振控制、改变光束相位的功能，除此之外，光学薄膜还有非光学特性的功能，例如疏水膜、ITO膜等，这些功能在实际中也会经常的用到。

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