作者：维尔克斯 时间：2026-9-12 4:39:24
光学镀膜旨在改变光学表面的反射率。按镀膜材料划分，可分为金属镀膜与介质镀膜两类。金属镀膜常用于反射镜和中性密度滤光片，其所能达到的反射率取决于所用金属本身的特性；介质镀膜则借助光学干涉效应来调整镀膜表面的反射率，其优势之一是所用材料具有较低的吸收率。Layertec光学干涉镀膜的原理是通过使用光学干涉镀膜技术，光学表面的反射率可在接近零（增透膜）到近100%（R>99.999 %的低损耗反射镜）之间进行调节，这些反射率值仅在特定波长或波长范围内才能实现。
光学镀膜的作用基于以下三种物理效应：
- 光在折射率界面处的反射
- 结构内部部分波的干涉
- 利用折射率界面处反射波的相位偏移
此类结构要求能够沉积厚度小于约1 µm、具有平面平行界面的透明层。复杂结构由多种材料、特定光学厚度的交替层组成。
Layertec光学干涉镀膜的原理：
图1：说明高折射率材料和低折射率材料四分之一波长层干涉效应
图1示意性地展示了单层介电层对表面反射率的影响。入射光束（a）在空气层界面处分裂为透射光束（b）和反射光束（c）。透射光束（b）再次分裂为反射光束（d）和透射光束（e）。反射光束（c）和（d）可能会发生干涉。在图1中，相位通过反射光束的阴影部分来表示。从“亮区到亮区”或“暗区到暗区”的距离即为波长。根据反射光束之间的相位差，可能会发生建设性constructive或破坏性destructive干涉，两种介质之间界面的反射率取决于介质的折射率、入射角以及光的偏振状态。
一般而言，它由菲涅尔方程描述：
$$ R_s = \left( \frac{n_1\cos\alpha - n_2\cos\beta}{n_1\cos\alpha + n_2\cos\beta} \right)^{2} $$
$$ R_p = \left( \frac{n_2\cos\alpha - n_1\cos\beta}{n_2\cos\alpha + n_1\cos\beta} \right)^{2} $$
在正常入射角（α=ß=0°）的情况下，这些方程可以简化为以下简单表达式：
$$ R = \left( \frac{n_2 - n_1}{n_2 + n_1} \right)^{2} $$
光束(c)和(d)之间的相位差（见图1）由该层的光学厚度n×t（即折射率n与几何厚度t的乘积）决定，此外，当光从低折射率介质入射并被界面反射至高折射率介质时，必须考虑π（即半波长）的相位偏移。以下列出几条规则，以帮助理解所述镀膜的光学特性：
- 高折射率层会提高表面的反射率。对于给定的波长λ，当n×t=λ/4时，反射率达到最大值，只有当光学厚度n×t=λ/2时，该波长λ下的表面反射率才保持不变。
- 低折射率层可降低表面的反射率。对于给定的波长λ，当n×t=λ/4时，反射率达到最小值，只有当光学厚度n×t=λ/2时，该波长λ下的表面反射率才保持不变。
增透膜Antireflective Coatings (AR)：
单层低折射率镀膜可作为简单的增透膜（AR）使用，最常用的材料是氟化镁，其在可见光（VIS）和近红外（NIR）波段的折射率为n=1.38，该材料可将熔融石英的表面反射率降低至R≈1.8%，而蓝宝石的表面反射率则降至接近零。
针对所有基材，均可设计由2至3层组成的单波长增透膜（AR），以将特定波长的反射率降低至接近零。此类镀膜适用于激光应用。此外，还可制备针对多个波长或宽波长范围的增透膜，这类镀膜通常由4至10层组成。
图2：反射率光谱示意图：a. 单波长增透膜（“V型镀膜”） b. 宽带AR镀膜
反射镜和部分反射镜：
Layertec光学干涉镀膜的原理中常见的镜片设计是所谓的“四分之一波长堆叠”，即交替堆叠高折射率和低折射率层，各层的光学厚度均为n×t=λ/4（针对目标波长），这种结构会在各层之间的每个界面处产生反射光束的建设性constructive干涉。对于给定的层对数量，反射带的谱宽和最大反射率取决于各层材料折射率的比值，折射率比越大，反射带越宽；而使用折射率比较小的材料则可产生较窄的反射带。
图3：由光学厚度相等的高折射率材料（深绿色）和低折射率材料（浅绿色）层组成的四分之一波长堆叠的示意图
图4：由15对Ta₂O₅/SiO₂和TiO₂/SiO₂组成的四分之一波长堆叠结构的反射率光谱
为了直观展示不同折射率比值的影响，图4比较了由15对Ta₂O₅+SiO₂（Δn≈0.66）和TiO₂/SiO₂（Δn≈0.91）组成的四分之一波长堆叠结构在800 nm波长下的反射率光谱。
假设理想涂层的吸收和散射损耗为零，随着层对数量的增加，理论反射率将趋近于R=100 %，仅使用少量层对，即可制造出在R=0 %至R=100%之间具有多个离散反射率值的部分反射镜（见图5）。在堆叠结构中添加非四分之一波长层，可将反射率优化至任何所需值。
图5：由1、2、3、5、10和15对Ta₂O₅/SiO₂层组成的四分之一波长堆叠结构在800 nm波长下的反射率
图5还表明，层对数量的增加会导致反射率带的边缘更加陡峭。这一点对于边缘滤光片尤为重要，因为边缘滤光片需要具有非常陡峭的反射边缘。要获得极其陡峭的边缘，需要大量层对，这也会导致反射率（HR）非常高，极高的反射率值要求光学损耗非常低，这可以通过使用溅射技术来实现。
电介质宽带镀膜Dielectric Broadband Coatings：
实现宽带反射镜和输出耦合镜的第一步是使用折射率比值较大的镀膜材料，通过采用特殊的镀膜设计（即使用非λ/4），可以进一步增加带宽。简单的方法是将两个或多个反射带重叠的λ/4堆叠结构组合在一起。然而，这会导致在波段重叠的波长处光学损耗增加。此外，多堆叠结构设计不能用于超快激光器，因为它们会引起脉冲失真。使用金属材料可实现更宽的带宽。然而，金属的自然反射率仅限于92–99 %，但可通过介质镀膜加以提高。
应力Stress：
限制镀膜层数的另一个因素是涂层中的机械应力，这种应力既源于各层的结构，也源于基板与涂层之间不同的热膨胀系数，机械应力可能会导致基板变形，也可能导致涂层开裂或附着力下降。可以通过选择材料以及优化工艺温度、沉积速率，以及在离子辅助和溅射工艺中优化离子能量和离子通量来限制应力。
角度偏移Angle Shift：
干涉镀膜技术的一个特殊特性是波长偏移，这意味着随着入射角的增大，波长会向较短波长方向偏移，将光学元件的入射角（AOI）从0°调整至45°时，特征波长会向较短波长方向偏移约10 %。设计任何光学镀膜时，都必须已知入射角。此外，在非垂直入射时还必须考虑激光偏振态。
请注意，如果使用曲面，入射角会自然发生变化，光学系统中的透镜总有一个由透镜形状以及光束的聚光或发散特性决定的接受角范围。如果已知这些特性，则可显著改善增透膜（AR）的性能。除了偏移外，宽带增透膜在入射角（AOI）≥30°时通常会显示出更高的反射率（见图6a）。
角度偏移为干涉镀膜技术提供了角度调节的可能性，这在滤光片和薄膜偏振片中尤为有用。这些光学元件的最佳性能仅在极其狭窄的光谱范围内才能实现，如果波长和入射角（AOI）的规格是固定的，可能会导致输出降低并大幅增加成本，角度调节（见图6b）是优化性能并最大限度降低成本的最佳方法。
图6：不同入射角（AOI）下光学性质的变化
a)宽带增透膜的入射角偏移及其反射率变化（非偏振光） b)800nm窄带滤光片的入射角调谐
偏振影响Polarization Effects
除了角度偏移外，在非垂直入射时还会出现偏振效应。对于光学干涉镀膜技术，只需计算s偏振光和p偏振光的反射系数即可，非偏振光的反射率可按Rs和Rp的平均值计算。
图7：边缘滤光片的偏振分离。请注意，即使在入射角（AOI）为45°时，s偏振和p偏振的反射带边缘均呈陡峭分布，但它们位于不同的波长处。因此，非偏振光的反射带边缘显著变宽。
对于边缘滤光片——即利用反射带的一个边缘来分离高反射率和高透射率波长区域的情况——当入射角非垂直时，由于s偏振和p偏振光会发生不同的角度偏移，导致s偏振和p偏振光的边缘发生分离，因此，对于非偏振光而言，该边缘会显著变宽。
