镜片镀膜原理

    镀膜在光学成像、光学系统、光学元件等领域应用广泛。镀膜可使光学系统成像更加清晰，成像色彩更加逼真；在激光领域，镀膜在反射、透射光学元件中必不可少。光学镀膜通常包括增透膜（AR）、增反膜（HR）、分色膜等。其中反射膜分为介质反射膜和金属反射膜。

一、镀膜分类：

1、利用菲涅尔原理、干涉原理制成；

2、介质膜反射率可以做的很高，最高反射率接近100%；

3、反射带宽窄，反射区对波长、入射角、介质折射率较为敏感。

三、金属反射膜特点：

1、反射带宽宽，反射特征曲线平坦，反射区对波长、入射角等不敏感；

2、对偏振态的影响难以量化分析。抗损伤阈值低，反射率不如介质膜高；

3、相对于介质膜制成成本低。

     关于增透、增反膜原理，总存在一些模糊的认知，比如大家常用能量守恒定律去解释，通常表述为：增透和增反是利用镜片介质膜上、下表面反射光干涉相消（根据能量守恒推断透射光能量增加）或干涉相长(推断反射光能量增加)实现的。事实上这种说法是有问题的，可以这样理解，对增透膜而言，当入射光入射至介质上表面时，上表面反射光能量就是确定的，透射光能量也是确定的，当入射光入射至介质下表面时，下表面仍会反射部分能量，这样看来增透膜并没有起到增透的效果，反而衰减了透射光能量，更达不到增透的目的，显然这种解释是错误的。同样上述关于能量守恒的表述也有误，光是电磁波，两列相向传播的电磁波，在它们的电场完全抵消的同时，磁场却在垂直方向上增强，也即电场转化为了磁场，而总的电磁场能量却是守恒的。

图1 电磁波传输示意图

      事实上关于镀膜原理要从菲涅尔定理出发，因为菲涅尔定理全面而定量的描述了光在介质分界面上的传输情况，下方菲涅尔定理展示了光场s（垂直于入射面）、p（平行于入射面）偏振的透射率和反射率：

图2 菲涅尔折反射示意图

     从上式可以推算，在入射角给定的情况下，增透或增反其实就是要寻找合适的折射角i2，折射角是镀膜介质折射率的函数，而介质折射率是和波长相关的。所以在给定波长和入射角的情况下，实现特定波长的增透或增反也就十分明了了，困难的只是工艺流程的实现。

     下以AOI等于45°角为例，分别绘制s、p光的反射率和透射率曲线，横轴表示折射角(弧度)，纵轴表示反射率或透射率(百分比)：

图3 反射、透射率曲线

    从上述曲线我们可以获知，当入射光线以45°角入射时，s、p光的反射率与折射角i2成反比关系，折射角越小（折射率越大），s、p光的反射率也就越高，而且s光的反射率要高于p光。同时s、p光的透射率与折射角i2成正比关系，折射角越大（折射率越小），s、p光的透射率也就越高，而且s光的透射率要高于p光。

    有了上述的理论，我们就可以通过控制介质薄膜的折射率，轻松实现高百分比光能量的反射和透射。对增透膜而言，因为介质薄膜上、下表面总会反射小部分光能量，这小部分的光对增透膜而言就是杂散光，为了消除杂散光，我们可以通过合理设计增透膜的厚度，使得介质薄膜上、下表面反射光干涉相消。以一般入射角度为例（非垂直入射和掠入射），假定增透膜厚度为 λ/4（ λ为在介质中的波长）,此时上、下表面的反射光将会产生π的相位延时，这样上、下表面反射光就会产生干涉现象，表现为反射光的削弱。若要进一步消除反射光，可尝试镀多层膜。最简单的单层膜只能对设计波长起到增透、增反效果，偏离设计波长时，相应的透射率和反射率会迅速降低。

图4 薄膜干涉示意图

    当以掠入射和垂直入射时（n2＞n1＞n0），还要考虑半波损失。由于存在半波损失，上下介质表面均会产生π的相位延时，从而膜的厚度仅仅只需满足两反射光的光程差为半个波长即可。类似的，增反膜也可以用上述增透理论进行解释。除此之外，双波长增透、双波长增反、分光膜相对而言会更复杂，但原理相同，多的只是设计方面的复杂计算而已。

图5 镜片膜层

    同时，在可见光波段（380-780nm），从镜片颜色我们就可以对膜层进行简单的判断。通常镜片呈现的颜色是白光在镜片膜层上反射的颜色，看到的颜色表明膜层对这一波段有增反效果，在白光下呈无色透明的镜片膜层，通常对可见光波段透射效果较好。

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