薄膜干涉实际上就是平行平板的多光束干涉,光波照射到薄膜上时,从薄膜前后表面或上下表面分别反射出两列光波相遇后叠加产生干涉。而干涉的强度由光源到干涉点的光程差来决定[1][2]。
如图2。1所示,这里有一个上表面是M1,下表面是M2,的薄膜,我们设薄膜上方媒介的折射率为n1,薄膜的折射率为n2,薄膜下方媒介的折射率为n3,膜厚为d。入射光1以入射角 从A点射向薄膜,因为薄膜有一定的厚度,所以产生了反射光2和反射光3。这两列光的光程差就是经过薄膜射出的反射光3在薄膜内经过的路程加上反射光3离开反射点时产生的半波损失引起的附加光程差,即 =2d 。由光程差的计算公式我们可以得出当 时(其中k为干涉条纹级数),即光程差是半波长的偶数倍,相位差 ( ),此时干涉加强,形成明纹;而当 时,即光程差是半波长的奇数倍,相位差 ( ),此时干涉减弱,形成暗纹。
图2。1 薄膜干涉基本原理
薄膜的厚度也会对干涉产生影响。若不考虑入射光1在薄膜内的多次反射,只考虑反射光2和反射光3时,因为薄膜的厚度相当小,所以他们的光程差可以看成是薄膜厚度的两倍,而当薄膜折射率与薄膜厚度的乘积是入射光1波长的四分之一时,即薄膜的光学厚度为 时,若 或者 时,反射光2和反射光3的光程差就是 ,即他们的相位差为 。如图2。2,我们可以得知此时发生的是相消干涉,会使得反射光减弱,这种薄膜就是增透膜;若 或者 时,都会有因半波损失引起的 的附加光程差,此时两反射光的光程差为 ,显然此时两反射光干涉相长,反射光加强,这种薄膜就是增反膜[1]。
图2。2 两光束的相消干涉
以上的关于薄膜厚度的讨论我们便可以知道,不同折射率,不同厚度的薄膜的组合,并利用光在薄膜上的反射、折射、偏振等特点可以形成多种我们需要的单层或多层的光学干涉薄膜系统。
3 光学干涉薄膜的制备文献综述
1801年以来,在托马斯▪杨在英国皇家协会发表著名的贝克莱演讲阐述了广德干涉原理之后,人们就开始研究并使用光学干涉薄膜[3]。随着时间的发展,到现今已经有了各式各样的制备薄膜的方法,制备技术也在日益提高,也因此更多更精更实用的光学干涉薄膜被制造了出来,也大大拓展了光学薄膜干涉制备过程中的局限性,比如可用材料和性能等方面,进而提升了其更为广泛的发展与应用空间。下面就大概介绍几种常用的光学薄膜制备方法[4~6]。
3。1 物理气相沉积法
物理气象沉积法简而言之,就是在真空环境里加热薄膜的材料,使其气化,气化形成的蒸汽落在温度较低的基片上从而获得薄膜。选择在真空环境里操作避免了制备薄膜的材料在沉积的过程中与空气中的活泼气体反应,而且材料蒸汽分子在真空环境里面基本上不会与气体分子发生碰撞,而是直接落在低温基片上。可是在制备的操作过程中需要控制的工作参数其实是很多的,比如它就涉及到了真空技术,材料科学,自动控制技术,计算机技术等,不过在现在这些技术的实现也已经不是什么难事,只是科研的过程必须得严谨。
3。2 反应离子镀膜法
反应离子镀膜法是利用热阴极弧源诱发膜料离子放电,从而形成等离子体,而使蒸发的离子膜料部分被电离,而后在处在悬浮电位的工件架形成的电场的作用下到达基片,再然后使离子态并具有一定动能的膜料离子与反应气体结合最后沉积成薄膜。因为这样的薄膜和玻璃基片附着得相当牢固,所以它得到了光学薄膜领域科学工作人员的高度重视。可是想要使用这项技术的成本非常地高,而且它的抗激光损伤能力也是有待科研工作者的进一步研究审视。