光學:光（guāng）學（xué）鍍膜基本原理（lǐ）是什麽?鞍山（shān）17c起草视频光電

一、玻璃透鏡的製造方法

1、先前的方法：把（bǎ）熔化好的光學玻璃（lí）在成型（xíng）過程中製成直徑和需要加工的透鏡直徑略大一點的玻璃棒，然後按照鏡片的厚度切割成片材。拿到（dào）專門的機械加工儀器上，按（àn）要求加工成成品。加工的過程主（zhǔ）要是（shì）：粗磨，中磨，細磨，精磨，拋光，退火。粗磨至精磨的材料主要是各種不（bú）同（tóng）粒度的金剛砂。拋光的方法，在要求不高的情況下，可以用（yòng）火焰拋光。高級（jí）鏡片必須用（yòng）機（jī）械的方法，拋光的材（cái）料（liào）一般為氧（yǎng）化鈰。

2、現在的方法（fǎ）是先用模具熱（rè）壓成型。主（zhǔ）要是為了減少原始方法中加工帶來的浪費（fèi）以及提高工作效率。方法是：根據鏡片質量確定好熔融態玻璃的質（zhì）量，把在一定溫度、粘滯狀態的玻璃放入模具中，壓製成型，最後退火。結果（guǒ）有兩種：一是一次到位，成（chéng）型品即可達到尺寸精度要求。極微的缺陷可通過鍍膜彌補。對模具的要求非常高，就我所知目前國內尚不具備。這種產品可滿足大多數的需要。鏡片精度主要（yào）受模具精度的影響（xiǎng）。二是成型品（pǐn）即為精度很（hěn）高的毛坯，然後再按（àn）上述原（yuán）始的方法進行（háng）機械加工，但加工量很少，可（kě）明顯地（dì）提高（gāo）生產效率。要求精度極高的產品多采用這種方法。鏡片精度主要（yào）受機械加工儀器精度的影響。

二、鍍（dù）膜的基（jī）本知識（shí）

大家知道，任何物體（tǐ）對光線都有反射作用，這也（yě）是我們能看到東西（xī）的原（yuán）因。對於鏡片而言，為了使得光線能夠完全（quán）透過鏡頭，在底片上完全反映自然的真實情（qíng）況，鏡頭最好是各（gè）種光線完全穿過。優質的光學玻璃，其光線透過率可達到90%

以上（shàng），尚餘的光損失就（jiù）需要在透鏡表麵鍍上膜來彌補。所以，在光學鏡頭上主要是鍍減反射膜也叫增透膜。為了滿足各種要求，往往需要鍍多層膜。為了提高玻璃的抗（kàng）劃傷能力，最外（wài）麵的（de）一（yī）層往往是高硬度的膜。在實驗室裏，現代的工藝（yì）技術幾（jǐ）乎可以達到光線百分之百通（tōng）過。之所以這麽說，是因為在實（shí）際使用中，鏡頭上會或多或少（shǎo）地受灰塵、髒物等的影響，使得透過鏡頭的光線減少。鍍膜的方法很多，但常規的方法也就那麽幾種。

(一)、化學方法，包（bāo）括（kuò）溶膠—凝（níng）膠法、化學氣（qì）相沉積等方（fāng）法。根據膜（mó）的性質配製一定成分的溶液，然後：

1、浸鍍。把潔淨的玻璃加熱到一定溫度，然後放入配置好的（de）化學溶液裏，拿出，烘幹。這種膜顯然是（shì）雙（shuāng）麵膜。

2、噴鍍。把配置好的膜溶液裝在噴（pēn）槍（qiāng）上，噴到潔淨的、熱的玻璃表麵。烘幹。玻璃體可以是移動或旋轉，以增加膜的均勻性。可鍍雙麵或單（dān）麵。(以前鏡頭鍍膜（mó）有采用所謂的甩膠法，但由於不經濟，現代工（gōng）藝鍍無機膜時已將其淘汰，但（dàn）它仍然是鍍有機膜（mó）的一種常用（yòng）、成本（běn）低廉的方（fāng）法)。

(二)、物理鍍膜法（fǎ）。有真空（kōng）蒸鍍、離子鍍膜（mó）、濺射鍍膜(均可（kě）歸結為物理氣相沉積)等多種不同的形式。多用於鍍金屬膜、反射膜等。如鏡子。通常，化學方法的鍍（dù）膜強度（dù）一（yī）般低於物理方法，但隨著鍍（dù）膜技術尤其是近一、二十年的飛速發展，用化學或物理的方法達到的效果已經沒有什麽分別（bié）。隻是有成本的區別罷了。以前，化學的方法（fǎ）隻（zhī）能鍍一層（céng）膜，鍍第二層時，由於溫度的（de）影響常（cháng）會破壞上層膜，但現代的工藝已基本（běn）解決（jué）這一難題。

三、膜的清潔

膜的最外層通常是一層硬質（zhì）膜，一般的手摸或（huò）檫洗不會對其造成危害，但最好不去故意做。通常膜的牢固標準，用橡（xiàng）皮檫幾十次而不被破壞為合格。通常的清（qīng）潔方法。

1、檫洗溶液的選擇。①一般用無水酒精或乙醚(或兩者的混合（hé）液)。注意：由於乙（yǐ）醚有毒，能不用時最好不用。(本人不推（tuī）薦使用)

②如果要用（yòng）水檫，一定要用去離子水(可（kě）能一般人找不到)，不會留下水印。

2、檫洗材料。①用脫脂棉，最簡單、最廉價。如（rú）果有脫落的纖維留下，用氣球吹即可。

②專門的鏡頭紙、專用的皮革（gé）、布之類（lèi）。皮革(？)或其他的布之類，最好不用。因（yīn）為，這些可重（chóng）複使用的東西，在空氣中會有極細小的砂粒等硬物沉積在上麵，再次使用時會把膜劃傷。如果你非要用這些東（dōng）西（xī）檫洗（xǐ），平時最好保存在（zài）密封的環境裏。其次（cì），最好一定要一次性使用。如果鏡頭沾上了水，用脫脂棉球即可。如果粘（zhān）上了油物，自己清洗實在沒有好辦法。最好拿到修理店去，他們有專業的（de）方（fāng）法，如超聲波清洗等辦法。

膜和玻（bō）璃最怕的是堿類物質，堿類在極短（duǎn）的時間（jiān）內就可摧毀（huǐ）膜。其次（cì）是酸，再次是鹽類物質。雖然，現代鍍膜技術可以在（zài）表麵鍍一（yī）層耐酸、堿的膜，但仍是有（yǒu）一定限度的（de），所以切記千萬（wàn）不要粘上這些東西。表麵被（bèi）破壞後，通常在光線（xiàn）下，會看到一些不規則的、彩虹樣的花紋。

作者：千秋
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光（guāng）學薄膜是多光束幹涉應用的一個實例。

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

一、單層鍍膜

設在折射（shè）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（mó）。將上下表麵用（yòng）一個（gè）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 是產生的相位差。

如果光是正入射，可以簡（jiǎn）化菲涅爾公式得到反射係數（shù），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（huò）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}

等效於未（wèi）鍍膜。

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} 。

仍然等效於沒有鍍膜，光好像是（shì）直接打在基片上一樣。

增反

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} ，會產生增反的效果。

在“未鍍膜（mó）”裏考慮到的膜層（céng）厚度問題，這裏（lǐ）也要進行考慮。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的計算公式可以得到最大的反射率，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。

仍然（rán）要考慮膜層厚度，與增反時討（tǎo）論的類似，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} 。

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

n_{1} 的值不同，所以對應著最大和最小（xiǎo）。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（quán）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 ，經過計算知要達到完全增透得到的 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 ，這麽（me）低的折射率材料目（mù）前還沒有找到。若采用常用（yòng）的增反 MgF2" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$MgF2$

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

R_{m}\approx0.014 。

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

nh 滿足 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小反射率。至於是增反還是增透，看所鍍膜層的折射率（lǜ） n1" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$n1$

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

n_{2} 關係。

如果不是（shì）正入射情況，或者光束中包含了其他的波長（zhǎng），則不能采用正入（rù）射情況下簡化（huà）得到（dào）的（de）反射率公式。因為這是（shì）在給定波長 λ0" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$λ0$

\lambda_{0} 的情況下推導的，隻能用簡化前的公式計算。

二、多層膜

單（dān）層膜一般用於增反、增透和分束。功能有限，如果要滿足更高的需求，需要采用鍍多（duō）層膜。

常（cháng）用多層膜由（yóu）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} 的高折射率和低折射率膜層交替鍍製，在（zài）此（cǐ）膜層厚度的基（jī）礎上，提出（chū）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（dù）了一層膜之後，由等效折射率（lǜ）概念，又可以（yǐ）回歸到單層膜的（de）處理思路，實現了（le）簡化（huà）。新（xīn）的鍍膜則是在基片折射（shè）率為 nI" role="presentation" style="font-size: 1px; display: inline-block; position: relative;">
$nI$

n_{I} 的基礎上鍍製的。