一文读懂光学镀膜：从干涉原理到多层设计
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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。
光学镀膜是沉积在光学元件（例如透镜和反射镜）上的薄层材料，用于改变其反射和透射特性。这些镀膜对于控制光与光学系统的相互作用至关重要，可以增强或抑制特定波长或偏振态。
薄膜干涉是光学镀膜背后的基本原理。当光线照射到材料薄膜时，一部分光线会从薄膜的上表面反射，而其余光线则会透射进入薄膜并从薄膜的下表面（薄膜与基底之间的界面）反射。两束反射波会相互重叠和干涉，根据它们的相位差产生相长干涉或相消干涉。重要的是，这种干涉与偏振相关：由于光的反射和透射系数不同，s偏振（垂直）和p偏振（平行）分量的干涉行为会有所不同。薄膜干涉也与波长相关，这就是为什么薄膜在白光下常常呈现出彩虹色的原因。
上图展示了斜入射下的薄膜干涉。入射光线（角度 ）分成两条路径：从顶面反射并折射到薄膜中（角度 ），然后从底面反射并以与**条反射光线平行的方式从薄膜中射出。薄膜的折射率为 ，厚度为 ，而周围介质的折射率为 。反射过程中的光程差和相移决定了干涉结果，干涉结果随偏振态和波长而变化。
两束反射波之间的相位差 定义为：
其中：
为光在真空中的波长。
为薄膜的折射率。
为薄膜的厚度。
为薄膜内部的折射角，根据斯涅尔定律，它与入射角 的关系为：
由于反射系数和相移与偏振相关，因此在s偏振光和p偏振光中，相长干涉或相消干涉的具体条件可能有所不同。这意味着薄膜干涉可以选择性地增强或抑制特定波长下的特定偏振。
通过适当设计薄膜厚度和折射率，可以增强或抑制特定波长的反射或透射。
薄膜干涉技术可以**控制镀膜的光学特性。这种控制在以下应用中至关重要：
四分之一波长 和半波长 涂层是特殊设计，其中涂层的光学厚度是目标波长四分之一或二分之一的倍数。这些设计创造了特定的干涉条件来增强或抑制反射。
其中 是折射率， 是物理厚度。
在四分之一波长涂层中，光学厚度为：
这种设计会对目标波长的反射光产生相消干涉，从而减少反射并增强透射。它常用于减反射涂层。
四分之一波长层的相位差为：
假设正入射角为，反射中会发生相消干涉。
半波涂层的光学厚度为：
这种结构会使反射光发生相长干涉，从而增强目标波长的反射。高反射涂层通常使用半波层。
半波层的相位差为：
反射中��发生相长干涉。
通过堆叠多个高低折射率交替的四分之一波和半波膜，可以创建复杂的干涉图样，从而实现所需的光谱特性。该技术可以实现以下目标：
多层镀膜由多层折射率和厚度不同的薄膜组成。通过精心设计这些膜层的顺序和特性，光学镀膜可以实现高度特定的反射和透射特性。
多层镀膜的整体效果取决于所有膜层的累积干涉效应。这需要使用菲涅尔方程计算每个界面处反射波和透射波的振幅和相位，并使用矩阵方法（例如特征矩阵法）将它们组合起来。
对于每一层 i，特征矩阵 Mi 定义为：
为相厚度。
取决于偏振：
对于 TE（s 偏振）：
对于 TM（p 偏振）：
整个系统矩阵 是各个矩阵的乘积：
通过 可以计算出反射和透射系数。
多层镀膜可以实现：
光学镀膜的设计用途多种多样，每种镀膜都利用薄膜干涉和多层结构来实现特定的光学功能。
减少光学表面的反射，增加光线通过透镜和其他组件的透射率。
其中 为基底折射率， 为入射介质（通常为空气）的折射率。
*大限度地提高反射镜和激光应用中特定波长的反射率。
按指定比例将入射光分成反射光和透射光。
根据光线的偏振状态选择性地透射或反射光线。
透射特定波长范围的光，同时阻挡其他波长的光。
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