電介質涂層

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電介質涂層

光學涂層的目的是改變光學表面的反射率。根據所使用的材料和物理現象，原則上可以區分金屬涂層和電介質涂層。金屬涂層用于反射器和中性密度濾光片。可以達到的反射率由金屬的特性決定。我們的目錄中介紹了一些光學應用中常見的金屬。

但是，介電涂層使用光學干涉來改變涂層表面的反射率。另一個主要區別是用于這種涂層的材料顯示出非常低的吸收率。使用光學干涉涂層，光學表面的反射率可以從接近零（抗反射涂層）到接近100％（R> 99.999％的低損耗反射鏡）變化。但是，這些反射率值僅在特定波長或波長范圍內才能達到。

有關光學干涉涂層物理的更詳細的解釋，請參閱我們的目錄和第22頁上引用的文獻！

基本

單個介電層對表面反射率的影響如圖1所示。入射光束（a）在空氣層界面處分為透射光束（b）和反射光束（c）。透射光束（b）再次被分成反射光束（d）和透射光束（e）。反射光束（c）和（d）可能會干涉。

圖1：解釋高折射率材料（左）和低折射率材料（右）的四分之一波層的干涉效應的示意圖

P
W.之后 Baumeister“光學鍍膜技術”，SPIE新聞專著，PM 137，華盛頓，2004年

在圖1中，波長由反射光束的陰影表示。“光到光”或“黑到黑”的距離是波長。取決于反射光束之間的相位差，可能會發生相長或相消干涉。

兩種介質之間的界面的反射率取決于介質的折射率，入射角和光的偏振。通常，它由菲涅耳方程描述。

光束（c）和（d）之間的相位差由該層的光學厚度n·t（折射率n和幾何厚度t的乘積）給出。此外，必須考慮到，如果來自低折射率介質的光在界面處被反射到高折射率介質，則發生π的相跳，即半波。

防反射涂層

單個低折射率層可以用作簡單的增透膜。為此目的常用的材料是在VIS和NIR中折射率n = 1.38的氟化鎂。這種材料將熔融石英的單位表面反射率降低到R?1.8％，將藍寶石降低到幾乎為零。

可以為所有基板材料設計由2至3層組成的單波長增透膜，以將給定波長的反射率降低到幾乎為零。這些涂層特別用于激光物理學。也可以使用幾種波長或寬波長范圍的增透膜，并由4至10層組成。

圖2：單波長AR涂層（“V涂層”）（a）和寬帶AR涂層（b）的示意性反射光譜

鏡子和部分反射鏡

常見的反射鏡設計是所謂的四分之一波長堆疊，即，對于所需的波長，具有相等的光學厚度n·t =λ/ 4的高低折射率交替層的堆疊。這導致在層之間的每個界面處產生的反射光束的相長干涉。對于給定數量的層對，反射帶的光譜寬度和可獲得的反射率取決于層材料的折射率之比。較高的折射率比導致較寬的反射帶，而使用較低折射率比的材料可以產生較窄的反射帶。

圖3：四分之一波疊層的示意圖，由具有相同折射率的高折射率材料（灰色陰影）和低折射率材料（無陰影）的層組成（在[1]之后）（a），四分之一波堆棧的反射光譜由 15對Ta2O5 / SiO2和TiO2 / SiO2（b）

[1P.W. Baumeister“光學鍍膜技術”，SPIE新聞專著，PM 137，華盛頓，2004年

為了可視化不同折射率比率的影響，圖3b比較了由15對Ta2O5 / SiO2和TiO2 / SiO2組成的四分之一波長堆棧在800nm處的反射光譜（n1 / n2 = 2.1 / 1.46和2.35 / 1.46）。

假設理想的涂層吸收和散射損耗為零，則隨著層對數量的增加，理論反射率將接近R = 100％。也可以僅使用少量的層對來制造具有在R = 0％和R = 100％之間的幾個離散反射率值的部分反射器（請參見圖4）。將一些非四分之一波長層添加到此類堆棧可以將反射率優化到任何所需的值。

圖4：800nm處由1、2、3、5、10和15層Ta2O5 / SiO2對構成的四分之一波堆疊的反射率

圖4還顯示，層對數量的增加導致反射率帶的邊緣變陡。這對于邊緣濾鏡（即具有平滑邊帶的反射鏡）尤其重要。陡峭的邊緣需要大量的層對，這又導致很高的反射率。*的反射率值需要非常低的光學損耗。這可以通過使用濺射技術來實現。