[科普中國]-抗反射膜玻璃

簡介

1817年德國的夫瑯和費(fèi)(Franunhofer)發(fā)明了化學(xué)鍍膜并制成第1批抗反射膜，從玻璃表面上鍍制抗反射膜以來，經(jīng)過了鍍膜技術(shù)不斷的創(chuàng)新和發(fā)展。鈉鈣硅酸鹽玻璃表面鍍制抗反射膜并應(yīng)用于平面顯示器、等離子電視,臨街店面的櫥窗玻璃、博物館的畫柜玻璃、汽車前風(fēng)擋玻璃以及還使用了具備太陽能選擇性吸收的抗反射膜應(yīng)用到太陽能光伏玻璃表面等領(lǐng)域。

抗反射原理的定性分析光學(xué)儀器中，光學(xué)元件表面的反射，不僅影響光學(xué)元件的通光能量；而且這些反射光還會(huì)在儀器中形成雜散光，影響光學(xué)儀器的成像質(zhì)量。為了解決這些問題，通常在光學(xué)元件的表面鍍上一定厚度的單層或多層膜，目的是為了減小元件表面的反射光，這樣的膜叫抗反射膜、光學(xué)增透膜（或減反膜）。這里我們首先從能量守恒的角度對(duì)光學(xué)抗反射的原理給予分析。一般情況下，當(dāng)光入射在給定的材料的光學(xué)元件的表面時(shí)，所產(chǎn)生的反射光與透射光能量確定，在不考慮吸收、散射等其他因素時(shí)，反射光與透射光的總能量等于入射光的能量。即滿足能量守恒定律。當(dāng)光學(xué)元件表面鍍膜后，在不考慮膜的吸收及散射等其他因素時(shí)，反射光和透射光與入射光仍滿足能量守恒定律。而所鍍膜的作用是使反射光與透射光的能量重新分配。對(duì)抗反射膜而言，分配的結(jié)果使反射光的能量減小，透射光的能量增大。由此可見，抗反射膜的作用使得光學(xué)元件表面反射光與透射光的能量重新分配，分配的結(jié)果是透射光能量增大，反射光能量減小。光就有這樣的特性：通過改變反射區(qū)的光強(qiáng)可以改變透射區(qū)的光強(qiáng)。1

抗反射膜的類型抗反射膜，也就是增透膜。

單層增透膜單層增透膜的結(jié)構(gòu)比較簡單,主要在玻璃的空氣面加鍍單一的膜層。理想的單層增透膜的條件是：膜層的光學(xué)厚度為λ0/4，其折射率為入射媒質(zhì)的折射率與基片折射率二者乘積的平方根。在可見光的基片材料，例如未鍍膜的鈉鈣硅酸鹽玻璃折射率為1.52。在不鍍膜的情況下，每一面的反射率都超過6%。根據(jù)理論計(jì)算，單層增透膜要完全增透，要求該膜的折射率為1.23。廣泛使用的低折射率的鍍膜材料是氟化鎂(n=1.38)，它的波長550nm處的折射率為1.38，對(duì)玻鈉鈣硅酸鹽玻璃是不能夠完全消失反射的。當(dāng)膜層厚λ0/4時(shí)，以空氣折射率na=1，玻璃折射率ng=1.52，膜折射率nf=1.38，可以看出，此時(shí)的剩余反射率R=1.3%。

與多層膜相比,單層增透膜的優(yōu)點(diǎn)是可以用同樣的膜層材料鍍?cè)诓煌凵渎实牟Ａ稀ｋm然單層薄膜增透效果不很理想,但由于制備工藝簡單,故得到廣泛的使用。鍍單層膜的透鏡占90%以上2。

雙層增透膜由于單層增透膜的剩余反射一般很高，不能滿足復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)的要求。此時(shí)，就要采用雙層增透膜或者多層增透膜。最簡單的雙層增透膜是“λ/4-λ/4”膜系，在基片上先鍍上一層折射率n2高于基片的λo/4膜層,然后在鍍上λo/4厚的低折射率n1膜層。當(dāng)薄膜折射率n2滿足下式時(shí)，

式中，n1為第2層膜層折射率；ng為基片折射率（玻璃折射率）；na為媒介折射率（空氣折射率）。

該膜中心波長反射率為零。如在鈉鈣硅酸鹽玻璃(折射率n=1.52)上先沉積一層折射率為1.70、厚度為λo/4的一氧化硅膜層，再鍍上一層氟化鎂膜,正好可滿足理想減反射的條件，使波長λ0的反射率接近于零。在折射率ns=1.51的玻璃上，用n1=1.38和n2=1.70的雙層膜是比較理想的。實(shí)際應(yīng)用的雙層增透膜為CeO2-MgF2和Bi2O3-MgF2。玻璃上先涂一層高折射率的CeO2(n=2.2，厚0.0631λ0)，然后再涂上一層低折射率的MgF2(n=1.38，厚0.326(0)，對(duì)λ0=550nm的光線，反射率接近于零。n=1.52的玻璃上可以先鍍上一層n=2.45、厚0.49λ的Bi2O3，再鍍一層n=1.38、厚0.17λ的MgF2。MgF2可以用真空沉積法鍍?cè)诓ＡП砻嫔?Bi2O3可以用陰極濺射法鍍?cè)贛gF2上。“λ/4-λ/4”膜系的雙層增透膜一般可應(yīng)用于視覺光學(xué)儀器、激光或其他用單色光作為光源的光學(xué)系統(tǒng)中。如激光系統(tǒng)中玻璃表面的雙層增透膜為Al2O3-MgF22。

多層增透膜在某些應(yīng)用領(lǐng)域中,雙層膜仍不能滿足較寬光譜范圍內(nèi)的低反射要求,就需要采用3層或更多層增透膜。常用的3層增透膜是“λ/4-λ/2-λ/4”膜系。如鈉鈣硅玻璃表面的“λ/4-λ/2-λ/4”膜系由CeF3(n=1.63)、ZrO2(n=2.1)和MgF2(n=1.38)3層膜構(gòu)成。4層的“λ/4-λ/2-λ/4-λ/4”增透膜系由MgF2(n=1.38)、ZnS(n=2.4)、CeF3(n=1.63)和MgF2組成,鍍?cè)趎=1.52的玻璃上。較為典型的增透膜膜系:glass-SiO2/TiO2-TiO2-SiO2,這種膜系可見光的光譜反射曲線一般都成W形，所以比較特殊。Reichert設(shè)計(jì)了高、低折射率交替的4層增透膜。

已設(shè)計(jì)了多種4層和4層以上的增透膜系。(抗反射膜系),如:SnO2/SiO2/TiO2/SiO2,在450～650nm波長范圍內(nèi),反射率