技术前沿：光学镀膜

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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。

光学镀膜主体光学元件

折射率掌控光学

材料折射率n等于真空光速除以材料中的光速。折射率和波长有关，我们经常根据d3谱线(588 nm)规定折射率，使用nd表示，下表列出了几种常见介质的nd折射率；对于不透588 nm的红外材料，比如表格中的硅和锗，根据常用波长定义折射率。

因为速度变化，光在不同折射率的材料界面上会发生弯折。假设从低折射进入高折射材料，光线将朝法线弯折，就像仪仗队从人行道进入泥地时的情形，部分队员从硬地进入泥地因阻力增加而减速，导致方向变化；也像胖子和飞鱼牵手跑进大海。不管如何形象类比，折射*终都要用斯涅尔定律表征。

因为折射才有透镜，透镜会聚或发散的程度使用屈光度表示。球面透镜提供旋转对称的屈光，而柱面透镜只能一维屈光。

透镜的打磨和抛光真正出现在13世纪后期，发展至今成为我们所谓的传统制造技术，适合生产均匀球面的大型工具。熟练操作员使用传统技术仍能制作比当今很多先进设备还好的平面和球面。另一方面，现代CNC设备的优势之一是生产非球面和自由曲面。一个非球面能做的事需要多个球面元件才能做到，适合在狭窄空间使用或高效收集发散光。

由于折射率和波长相关，因此不同波长具有不同折射角，利用这个性质可以将白光分出不同波长，这就叫做色散。色散有利有弊。以等边棱镜为例，利用高色散材料和几何形状可以分开不同的波长。有时色散是有害的，比如透镜聚焦时就要处理色散问题。为此可采用多元件透镜，比如冕牌玻璃和火石玻璃配合，通过互补的高低折射率和高低色散构造消色差胶合透镜。除了色差，复合透镜还能大大降低球差和彗差，而且比非球面透镜受对准的影响更小。

如果从高折射率入射到低折射率，光线将偏离法线弯折，这样就会出现一个临界角。入射角大于临界角时，光不再折射而是全部反射，故称全内反射(TIR)。TIR是各种棱镜应用的基础，几种常见类型依次为等边色散棱镜、斜面TIR直角棱镜、直角面TIR直角棱镜、角锥棱镜、屋脊棱镜和佩林布洛卡棱镜。

菲涅尔反射

菲涅尔反射定律描述s和p两种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。

根据这些公式，我们可以画出菲涅尔反射率随入射角变化的曲线，下面分别是N-BK7和锗的菲涅尔反射曲线。红线表示s偏振光反射率，蓝线表示p偏振光反射率，绿线表示平均反射率。

对于低折射率材料N-BK7，正入射时的单面反射率略高于4%，当入射角变大时，s和p光的反射率的差异也逐渐变大，到45度时尤其明显。对于高折射率材料锗，正入射时的反射率将近40%，而且s和p光的反射率相差更大。所以红外材料经常需要镀增透膜。

从图中还可以看到，在一定入射角下，两种材料的p光反射率(蓝线)都可降为零，这个角就叫布儒斯特角；有些激光器使用布儒斯特窗片提高输出偏振消光比。

虽然通过反射能够控制偏振，但是标准偏振片经常利用二向色性确立偏振，比如薄膜、纳米粒子和线栅等类型。另外，晶体双折射也可用于操纵偏振。

方解石可制作各种高消光比偏振棱镜。以格兰激光或格兰泰勒棱镜为例：由于折射率不同，o光发生全内反射被抑制，而e光直接透射。为了提高消光比，可用三个棱镜构造双格兰泰勒配置实现两次全内反射。格兰汤普森配置具有类似的功能，但是使用胶粘构造没有气隙。其它晶体偏振器还有光束位移器、沃拉斯顿和Rochon偏振器。

格兰泰勒偏振器工作动态图

晶体偏振分束器	o光角度	e光角度
光束位移器(单块晶体)	平行	平行
Rochon偏振器	平行	偏转
沃拉斯顿偏振器	偏转	偏转

另外，波片(相位延迟器)也属于偏振光学元件，常见于四分之一波片和半波片。前者用于转换线偏振和圆偏振，后者用于改变线偏振方向。波片材料包括石英、氟化镁或蓝宝石等晶体以及聚合物。

在讨论折射率时我们看到，折射率越低菲涅耳反射越小。如果不镀增透膜，低折射率材料可能更适用。对于高折射率材料，透镜能以更短距离聚焦，色散棱镜更好分光，而多元件透镜通过高低折射材料组合校正像差。材料的偏振效应也是需要考虑的问题。

下图给出了各种材料的透射波长范围。多数光学系统需要尽可能高的透过率，但也有需要衰减的情况，这时可用彩色玻璃或中性密度滤光片。选择材料时还要考虑物理性质，比如耐用性，还有环境影响和热学性质。

关于我们

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。