薄膜干涉是大學物理波動光學教學的重要內容,也是薄膜光學的理論基礎.薄膜干涉的一個重要應用是用于設計減反膜和高反膜.本文基于傳輸矩陣法,定量計算了多層介質膜的反射率.以BK7玻璃為例,無鍍膜時在可見光范圍內,其反射率約為4%.利用薄膜的相消干涉可以減少表面的反射率.鍍一層減反膜時,對設計波長550 nm其反射率下降為1.3%,一旦偏離設計波長減反效果變差;鍍兩層減反膜時,在470 nm～670 nm范圍內,減反效果明顯改善,反射率均低于1.3%.利用薄膜的相長干涉可以增加表面的反射率.以熔石英為例,鍍一層薄膜時,對設計波長1500 nm其反射率可由未鍍膜時的3.3%提高到30%;鍍七組薄膜時在1360 nm～1660 nm范圍內其反射率均可達99%以上.通過這些定量計算,讓學生更加深刻地理解所學理論知識在實際中的應用,培養(yǎng)工程意識,提高學習興趣. 

【文章來源】：大學物理. 2020,39(08)

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

由N個相鄰的均勻介質層構成的多層介質

菲涅耳公式可以計算兩種介質分界面入射光的反射率和透射率[4],解釋光的反射與折射的起偏及半波損失問題等.在垂直入射時,自然光由空氣入射到某一介質時,介質的折射率越大,其反射率就越大. 圖2(a)表示BK7玻璃表面在波長為550 nm的入射光下,s波、p波以及自然光在不同入射角下的反射率. BK7玻璃的折射率取自文獻[5]. 在可見光光譜內,它的折射率約為1.52. 在垂直入射時,其反射率大概為4%.當入射角小于10度時,s波和p波反射率近似相等;一旦入射角增大,s波和p波表現(xiàn)出不一樣的行為;p波在入射角約為57°時發(fā)生布儒斯特現(xiàn)象,這時它的反射率為0,全部透射;隨著入射角的進一步增大,s波和p波的反射率迅速增加;掠入射時幾乎全部反射. 對于入射自然光的情況,自然光可以看成具有一切可能振動方向的光波的總和,對所有可能的方位角取值所對應的反射率取平均,可以得到自然光反射率. 由于色散現(xiàn)象,當入射光波長改變時,玻璃的折射率亦發(fā)生改變.玻璃材料的折射率隨波長的增加,折射率會逐漸減小.入射光垂直入射時,BK7玻璃隨著入射波長的改變其反射率如圖2(b)所示,隨著入射光波長的增大,其反射率略微減小.在整個可見光光譜內,BK7玻璃表面的反射率變化不大,都可以近似為4%.玻璃分成2大類:冕牌玻璃和火石玻璃. 冕牌玻璃的特點是低折射率、低色散,火石玻璃的特點是高折射率、高色散.火石玻璃的折射率略高,反射率也略高,一般在5%左右.因此在粗略估計光學系統(tǒng)的光能損失時,冕牌玻璃反射率可以按照4%計算,火石玻璃反射率按照5%計算.對于硅片,在可見光區(qū)域,在波長550 nm附近,折射率大概為4.1[6],而且存在吸收現(xiàn)象,它的反射率要遠大于玻璃.硅表面的反射情況如圖3所示,在垂直入射時,在550 nm的入射光下,它的反射率大概為37%,入射角在約為76°發(fā)生布儒斯特現(xiàn)象.垂直入射時,隨著入射光波長的增加,其反射率下降比玻璃明顯,反射率從48%變化到32%.

玻璃分成2大類:冕牌玻璃和火石玻璃. 冕牌玻璃的特點是低折射率、低色散,火石玻璃的特點是高折射率、高色散.火石玻璃的折射率略高,反射率也略高,一般在5%左右.因此在粗略估計光學系統(tǒng)的光能損失時,冕牌玻璃反射率可以按照4%計算,火石玻璃反射率按照5%計算.對于硅片,在可見光區(qū)域,在波長550 nm附近,折射率大概為4.1[6],而且存在吸收現(xiàn)象,它的反射率要遠大于玻璃.硅表面的反射情況如圖3所示,在垂直入射時,在550 nm的入射光下,它的反射率大概為37%,入射角在約為76°發(fā)生布儒斯特現(xiàn)象.垂直入射時,隨著入射光波長的增加,其反射率下降比玻璃明顯,反射率從48%變化到32%.由此可見,在垂直入射時材料表面都存在菲涅爾反射,當反射面增多時,其反射光能的損失也增多. 以BK7玻璃為例,如果透鏡的個數(shù)為3個透鏡,一共6個和空氣的接觸面,反射能損失就達到22%;而更復雜的系統(tǒng),透鏡的個數(shù)更多,反射損失就相當可觀了.為了減少入射光能在透鏡玻璃表面上反射時所引起的損失,常常通過鍍膜的方式,利用薄膜干涉減少反射損失,這就是減反膜.

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于Macleod軟件的分振幅薄膜干涉仿真教學[J]. 王文梁,戎曉紅,陳華英.  大學物理. 2018(11)
[2]淺談薄膜干涉現(xiàn)象中的幾個問題[J]. 劉萍,蘇亞鳳,方愛平.  物理與工程. 2017(01)



本文編號：3230539