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?？梢詫⒎瓷渎蕛灮饺魏嗡璧闹?。

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。