光学简明原理：用于减小表面反射的光学薄膜涂层
大家了解抗反射涂层吗？今天的光学简明原理我们跟大家来一起学习一下相关的知识吧。
定义：用于减小表面反射的光学薄膜涂层。
抗反射涂层是涂覆在光学表面上的薄的电介质涂层，为了减小表面对某一波长区域光的反射率。大多数情况下，采用的工作原理是不同光学界面处的反射波发生消相干干涉而相互抵消。
单层抗反射涂层
最简单的情况是在正入射的情况下，设计的抗反射薄膜涂层采用材料的折射率接近于两个相邻介质折射率的几何平均值，光学厚度为四分之一波长。这时，在两界面处的反射波大小相等，发生干涉相消后互相抵消。
这种方法存在两个限制因素：
不是总能找到具有合适折射率的材料，尤其是当体介质的折射率较低时。
单层涂层只能工作在很有限的带宽情形。
多层涂层
如果不能找到合适的单层涂层材料，或者需要在很大的波长范围内具有抗反射性质（不同波长范围的光需要同时具有，或入射角不同的情况），这时需要采用更加复杂一些的设计，通常需要采用数值计算方法。多层介质涂层设计时需要在低残余反射率和大带宽之间做出权衡。V涂层只在很窄带宽（10nm量级）内具有很好的特性，而宽带涂层则可以在很大的波长范围内具有适中的性能。
图1：在BK7玻璃衬底上经过数值优化的对1064nm和532nm光的抗反射涂层的反射率曲线。采用了两层涂层，分别为TiO2和SiO2。
除了以上性质，还需要考虑到生长过程的允差：很多复杂的涂层设计只有采用非常精准的加工过程才能实现很好的性能。因此生长过程允差是实际设计时一个重要的因素。
设计方法
简单类型的层数少的抗反射涂层通常采用分析方法进行设计。在更加复杂的设计中，需要采用数值优化的算法，该算法类似于电介质反射镜中采用的方法。设计结果通常不易理解，因为得到的结果来自于不同界面反射光非常复杂的干涉效应得到的抗反射性质。
渐变折射率涂层
渐变折射率涂层的材料组分是逐渐变化的，因此这种涂层就存在很多可能的性质。最简单的情况是，两种光学材料的折射率在几个波长范围内平缓改变，可以在很大波长范围和入射角度范围内抑制反射。但是，实际上很难实现，因为光学表面与空气接触，而固体材料的折射率与空气差别很大。
一种解决方法是，采用纳米光学方法制作亚波长的金字塔形结构或类似的结构（蛾眼结构），这种结构的折射率是缓慢变化为1，是通过缓慢减少固体材料的量来实现的。然而，不采用纳米光学也可以采用其它解决方法，尤其是可将渐变折射率层涂覆在多层涂层上。这在很大角度范围内，不采用很小折射率的材料也能得到很大带宽内的抗反射性质。
强吸收涂层
一种特殊的抗反射涂层是包含了很薄的强吸收材料的涂层。其厚度可能只有几十纳米，即比通常的抗反射涂层的厚度小很多，因为这种介质传播常数的虚部很大，可以产生很大的相位变化。
入射光被这种结构强烈吸收，而不是透射。这种抗反射结构由于其亚波长结构也称为光子超材料，然而了解这种特性只需简单的干涉现象就能描述。
应用
抗反射涂层通常用在光学元件上用来减小光学损耗和反射光束引起的一些有害效应。给定波长和入射角情况下的残余反射占的比例在0.2%量级，或者经过优化后可以更小（在有限带宽内）。
在眼光眼睛中的应用时，能够实现的抑制的反射更小，因为涂层需要工作在很大的波长范围和很宽的入射角度范围内。抗反射涂层通常用在激光器晶体和非线性晶体上。这时，来自晶体的非均匀热学膨胀会引出附加的问题。
大多数情况下，抗反射涂层应用在几平方毫米面积的光学界面上。但是，也可以在光纤端面涂覆这种涂层，有时甚至在保护套和装配连接器上。
这时存在很多技术困难，例如，聚合物保护套漏气到真空容器中，一些光纤端口被当做一个整体处理，但是也发展了一些特殊的溅射方法来消除这些问题。得到的涂层性能可与普通的体表面的涂层相比拟，至少可与少量层数的简单涂层设计相比拟。
损伤阈值
除了反射性质，抗反射涂层的光学损伤阈值也需要考虑，例如，当用与调Q激光器中时。抗反射涂层根据采用的材料不同，可以具有比衬底高或低的损伤阈值。
即使给定涂层材料，若采用的制备技术不同，涂层的损伤阈值也不同。离子束溅射方法可以得到较高的损伤阈值。
小编：四川金中德科学技术研究院
