技術前沿：光學鍍膜

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產光學儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產品的開發(fā)和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

光學鍍膜主體光學元件

折射率掌控光學

材料折射率n等于真空光速除以材料中的光速。折射率和波長有關，我們經常根據d3譜線(588 nm)規(guī)定折射率，使用nd表示，下表列出了幾種常見介質的nd折射率；對于不透588 nm的紅外材料，比如表格中的硅和鍺，根據常用波長定義折射率。

因為速度變化，光在不同折射率的材料界面上會發(fā)生彎折。假設從低折射進入高折射材料，光線將朝法線彎折，就像儀仗隊從人行道進入泥地時的情形，部分隊員從硬地進入泥地因阻力增加而減速，導致方向變化；也像胖子和飛魚牽手跑進大海。不管如何形象類比，折射*終都要用斯涅爾定律表征。

因為折射才有透鏡，透鏡會聚或發(fā)散的程度使用屈光度表示。球面透鏡提供旋轉對稱的屈光，而柱面透鏡只能一維屈光。

透鏡的打磨和拋光真正出現在13世紀后期，發(fā)展至今成為我們所謂的傳統(tǒng)制造技術，適合生產均勻球面的大型工具。熟練操作員使用傳統(tǒng)技術仍能制作比當今很多先進設備還好的平面和球面。另一方面，現代CNC設備的優(yōu)勢之一是生產非球面和自由曲面。一個非球面能做的事需要多個球面元件才能做到，適合在狹窄空間使用或高效收集發(fā)散光。

由于折射率和波長相關，因此不同波長具有不同折射角，利用這個性質可以將白光分出不同波長，這就叫做色散。色散有利有弊。以等邊棱鏡為例，利用高色散材料和幾何形狀可以分開不同的波長。有時色散是有害的，比如透鏡聚焦時就要處理色散問題。為此可采用多元件透鏡，比如冕牌玻璃和火石玻璃配合，通過互補的高低折射率和高低色散構造消色差膠合透鏡。除了色差，復合透鏡還能大大降低球差和彗差，而且比非球面透鏡受對準的影響更小。

如果從高折射率入射到低折射率，光線將偏離法線彎折，這樣就會出現一個臨界角。入射角大于臨界角時，光不再折射而是全部反射，故稱全內反射(TIR)。TIR是各種棱鏡應用的基礎，幾種常見類型依次為等邊色散棱鏡、斜面TIR直角棱鏡、直角面TIR直角棱鏡、角錐棱鏡、屋脊棱鏡和佩林布洛卡棱鏡。

菲涅爾反射

菲涅爾反射定律描述s和p兩種正交偏振光在界面上的反射率，其中s表示垂直偏振，p表示水平偏振。

根據這些公式，我們可以畫出菲涅爾反射率隨入射角變化的曲線，下面分別是N-BK7和鍺的菲涅爾反射曲線。紅線表示s偏振光反射率，藍線表示p偏振光反射率，綠線表示平均反射率。

對于低折射率材料N-BK7，正入射時的單面反射率略高于4%，當入射角變大時，s和p光的反射率的差異也逐漸變大，到45度時尤其明顯。對于高折射率材料鍺，正入射時的反射率將近40%，而且s和p光的反射率相差更大。所以紅外材料經常需要鍍增透膜。

從圖中還可以看到，在一定入射角下，兩種材料的p光反射率(藍線)都可降為零，這個角就叫布儒斯特角；有些激光器使用布儒斯特窗片提高輸出偏振消光比。

雖然通過反射能夠控制偏振，但是標準偏振片經常利用二向色性確立偏振，比如薄膜、納米粒子和線柵等類型。另外，晶體雙折射也可用于操縱偏振。

方解石可制作各種高消光比偏振棱鏡。以格蘭激光或格蘭泰勒棱鏡為例：由于折射率不同，o光發(fā)生全內反射被抑制，而e光直接透射。為了提高消光比，可用三個棱鏡構造雙格蘭泰勒配置實現兩次全內反射。格蘭湯普森配置具有類似的功能，但是使用膠粘構造沒有氣隙。其它晶體偏振器還有光束位移器、沃拉斯頓和Rochon偏振器。

格蘭泰勒偏振器工作動態(tài)圖

晶體偏振分束器	o光角度	e光角度
光束位移器(單塊晶體)	平行	平行
Rochon偏振器	平行	偏轉
沃拉斯頓偏振器	偏轉	偏轉

另外，波片(相位延遲器)也屬于偏振光學元件，常見于四分之一波片和半波片。前者用于轉換線偏振和圓偏振，后者用于改變線偏振方向。波片材料包括石英、氟化鎂或藍寶石等晶體以及聚合物。

在討論折射率時我們看到，折射率越低菲涅耳反射越小。如果不鍍增透膜，低折射率材料可能更適用。對于高折射率材料，透鏡能以更短距離聚焦，色散棱鏡更好分光，而多元件透鏡通過高低折射材料組合校正像差。材料的偏振效應也是需要考慮的問題。

下圖給出了各種材料的透射波長范圍。多數光學系統(tǒng)需要盡可能高的透過率，但也有需要衰減的情況，這時可用彩色玻璃或中性密度濾光片。選擇材料時還要考慮物理性質，比如耐用性，還有環(huán)境影響和熱學性質。

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