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光學鍍膜光譜指標——反射率R

一、什么是反射/透過光譜

光譜是光與物質相互作用的結果。當光照射到一個界面會發生反射、透射或吸收,不同波長的光會產生不同程度的反射或透射以及吸收損耗。于是,不同波長的光通過同一界面的作用,在接收端就會接收到不同的光的強弱信號。將這些不同的波長下接收到的光的信息繪制成譜線,即我們通常所說的光譜。研究反射光線隨波長的變化曲線稱為反射光譜;研究透射光線隨波長的變化曲線稱為透射(透過)光譜。(Crylink規格表中一般使用反射光譜作為表征,故下述舉例一般都為反射光譜。)

某增透膜的反射光譜
(a)
某增反膜的反射光譜
(b)

圖1 反射光譜圖兩種形式 (a)某增透膜的反射光譜;(b)某增反膜的反射光譜

二、為什么需要反射/透過光譜

首先,光譜圖比起參數表更加直觀且能從圖中獲取很多信息。

  • 我們能從光譜圖上直接讀出一定范圍內每一個波長的反射率/透過率;
  • 我們能看出一個膜層的反射率/透過率的峰值和峰值波長,這對于我們選擇窄帶激光窗口片等起關鍵作用;
  • 對于寬帶應用,我們可以看到膜層作用的波長范圍以及是否穩定平坦;
  • 通過多光譜在同一坐標系下的繪制,我們可以直接從圖中看出膜層的優劣等。

除此之外,還有一些特殊的光譜圖例如偏振光反射光譜或將通過反射光譜和透過光譜獲得的信息進行一定的處理,還能進而獲得膜層下的群色散(GD)、群色散延遲(GDD)和吸收損耗等信息。我們將在之后的專題中詳細說明。

三、反射/透過光譜圖怎么看

反射/透過光譜代表反射率/透過率隨波長的變化規律。所以一般情況下,反射/透過光譜圖都是以“波長”作為橫坐標,以“反射率/透過率”作為其縱坐標。需要注意一點,在不同坐標系下,將譜線形狀直接對比是沒有意義的。
光譜曲線是我們能看到的最直觀的光譜信息表達形式。以下舉了三個例子來說明如何從光譜圖上直接讀到信息。

1、簡單的寬帶平坦光譜曲線

此類光譜曲線十分簡單明了,但是最為典型。我們可以看出譜線的線型呈現倒U狀,頂部極其平坦。如圖2 的紅字標注我們可以看到該曲線的頂點的坐標在(536,99.997)附近。說明該曲線的峰值,即反射率的最大值在99.997%左右,峰值波長在536nm附近。但是對于一個寬帶光譜來說,比起單點峰值,我們更應該關注一定波長范圍內的反射率值。假定框選500-560nm波長范圍,如藍字標注所示,我們可以清楚地看到,該段光譜曲線全部位于99.99%以上。由數據可以看出該層膜十分適用于500-560nm內綠光的高反且要求穩定的應用場合。

簡單的寬帶平坦光譜曲線
圖2 簡單的寬帶平坦光譜曲線

2、多條含小起伏的光譜曲線

有些光譜曲線并不如圖2那樣直接,如圖3所示。圖3包含兩條曲線,從圖3的中心我們可以看出灰線為0°入射,藍線為5°入射(AOI = angle of incidence)。通過圖像可以發現兩條曲線近乎重疊,由此可以推斷在小角度入射角變化下,光譜與入射角近似不相關。所以此類膜系可適用于小角度斜入射的光學應用。
再從單條曲線,如灰線,與圖2曲線相比顯得不是那么平坦。但從圖中我們依舊可以看出,495-570nm范圍內反射率小于等于1.3%;500-570nm范圍內反射率小于等于0.7%;525-565nm范圍內反射率低至0.4%以下。從哪個范圍讀數據需要根據實際應用,若客戶需求應用于532nm的大于99%透過率的鍍膜,該光譜圖所對應的產品就能很好地滿足需求。故光譜圖能做到輔助個性化的選擇。

多條含小起伏的光譜曲線
圖3 多條含小起伏的光譜曲線

3、大起伏有明顯峰值的光譜曲線

有部分光譜曲線并不適用于寬帶的應用場景,它們普遍有較窄的穩定范圍,較大的起伏和明顯的峰值,如圖4所示。該光譜曲線有兩個明顯的特征點,分別位于808nm和1064nm附近。此兩點的反射率近乎接近于0,即有極高的透過率。所以該光譜所代表的膜層可很好地應用于808nm和1064nm的窄帶高透過應用如分光鏡。

大起伏有明顯峰值的光譜曲線
圖4 大起伏有明顯峰值的光譜曲線

四、增透膜和增反膜的光譜圖的區別是什么

光線照射到一個界面產生反射、透射和吸收,根據能量守恒定律,入射光=反射光+透射光+吸收損耗。反射率R和透射率T分別為反射光和透射光相較于入射光的比值,吸收率A為吸收損耗相較于入射光的比值,故可以得出R=1-T-A。若已知增透膜的的吸收損耗為0或接近于0,增透膜的透過光譜同樣可以用反射光譜來表示(需要注意的是,透射光譜并不能完全使用反射光譜做替代,若做相關實驗,仍需要考慮吸收的影響,后續會有專題對吸收損耗做詳細說明)。Crylink的規格表中增透膜(AR膜)和增反膜(HR膜)基本統一使用反射光譜作為呈現指標。增透膜的反射光譜一般呈現正U的形狀,增反膜的反射光譜一般呈現倒U的形狀,如前圖1所示。增反膜的反射光譜曲線數值越大反射率越大,質量越好;增透膜的反射光譜曲線數值越小透過率越大(假設吸收極小),質量越好。

五、相關關鍵術語是什么意思

1、反射率(reflection):

反射率是一個參數,用于描述傳輸介質中的阻抗不連續性反射了多少波。我們將從界面反射功率與入射功率的分數稱為反射率(或功率反射系數)R。
反射率取決于光的波長,入射光和反射光的方向,光的偏振,材料的類型(金屬,塑料等),材料的化學成分和結構,以及材料及其表面的狀態(溫度,表面粗糙度,氧化和污染程度)等。

2、透過率(transmittance):

我們將折射到第二介質中的透過功率與入射功率的分數稱為透過率(或透射率、功率傳輸系數)T。
透過率的取決因素和反射率類似,此處不再做額外贅述。

3、峰值(peak):

變化波形上的最高點/最低點(對于反射光譜,增反膜看最高點和增透膜看最低點)。

4、峰值波長(peak wavelength):

在反射光譜中,峰值波長是達到反射率最大值的單一波長。通常峰值波長會被當做特定設計波長(DWL)。

5、帶寬(bandwidth):

帶寬是一個波長范圍,用于表示頻譜中入射能量透過或反射在光學元件界面的特定部分。帶寬又稱為半高全寬(一般用于濾波元件中)。

6、半高全寬(FWHM):

半高全寬描述光學元件傳輸的頻譜帶寬。該帶寬的上限和下限是在達到反射率/透過率的50%時的波長下定義的。10nm或更低的半高全寬被認為是窄帶,通常用于激光凈化和化學檢測;25-50nm的半高全寬經常用于機器視覺應用;超過50nm的半高全寬被認為是寬帶,通常用于熒光顯微鏡應用。

7、波長范圍(wavelength range):

波長范圍用來描述一個波長到另一個波長中間的值。光學元件的選取通常依賴于客戶所需的波長范圍的應用。

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參考文獻

  • [1] 袁波,楊青. 光譜技術及應用[M]. 浙江:浙江大學出版社,2019
  • [2] Reflection coefficient.
  • [3] Optical Filters.
  • [4] 反射鏡.
  • [5] Anti-Reflection (AR) Coatings.

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