光学薄膜的(光学干涉光电效应以及光学薄膜的一些应用知识；)

1.光学干涉、光电效应以及光学薄膜的一些应用知识；

光电效应概述 光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。

这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的。

1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）证实是由于在放电间隙内出现荷电体的缘故。1899年，J·J·汤姆孙通过实验证实该荷电体与阴极射线一样是电子流。

1899—1902年间，勒纳德（P·Lenard）对光电效应进行了系统研究，并命名为光电效应。1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。

1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论。 光电效应编辑本段简介 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。

前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。

光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的频率而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。

还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。

正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位（即光子或光量子）所组成。 光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ，光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响. 光电效应说明了光具有粒子性。

相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的色散。 只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。

当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。 在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。

但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。 所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大。

光电效应编辑本段理论发展历史 光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。 1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的。

当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。 大约1900年， 马克思·布兰科（Max Planck）对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。

他给这一理论归咎成一个等式，也就是 E=hf , E就是光所具有的“包裹式”能量， h是一个常数，统称布兰科（普朗克）常数（Planck's constant）， 而f就是光源的频率。 也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。

但就是布兰科（普朗克）自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。 1902年，勒纳（Lenard）也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。

但无法根据当时的理论加以解释 ； 1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，Ek=hf-W,W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。

而Ek就是电子自由后具有的动能。 光电效应编辑本段实验研究 1887年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应。

赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波；另一套作为接收器。他意外发现，如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生。

赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究。 1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。

1899年，J•J•汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外光）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金属表面逃逸出来的一种现象。

光电效应1899—1902年，勒纳德（P•Lenard。

2.光学薄膜的结构

主要的光学薄膜器件包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等。它们在国民经济和国防建设中得到了广泛的应用，获得了科学技术工作者的日益重视。例如采用减反射膜后可使复杂的光学镜头的光通量损失成十倍地减小；采用高反射比的反射镜可使激光器的输出功率成倍提高；利用光学薄膜可提高硅光电池的效率和稳定性。

最简单的光学薄膜模型是表面光滑、各向同性的均匀介质薄层。在这种情况下，可以用光的干涉理论来研究光学薄膜的光学性质。当一束单色平面波入射到光学薄膜上时，在它的两个表面上发生多次反射和折射，反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律给出，反射光和折射光的振幅大小则由菲涅耳公式确定（见光在分界面上的折射和反射）。

3.光学薄膜的常用种类

Veitch Tech的液晶显示光学薄膜是一种通过微结构产生光线多次折射及聚焦原理形成的光学膜，其独特的技术和工艺而减少光 线吸收，保证了光线穿透而亮度更高。

除可以提高亮度收益之外， 还可以通过光的折射及散射而起到光扩散，雾化功能效果。增光膜 增光膜（BEF）是在透明性非常好的PET表面，使用丙烯酸树脂，精密成型一层分散一致的棱镜结构及背面光扩散层组合的光学薄膜，运用在液晶显示的上层增光，使光线经由增光之微结构进行光的回收与聚光，产生增亮的效果，高亮度设计，带扩散功能， 由於扩散层的基理，从而消除光耦合（Wet out） 现象，光显示更加均匀，柔和。

扩散膜 扩散片（DL系列）是在透明性非常好的PET表面，使用丙烯酸树脂，精密涂布一层随机分散的微米结构的扩散粒子，在PET的相对面再精密涂布一层随机分散的微米结构的抗静电粒子，运用在液晶显示器中，使光线经由扩散层产生多次折射及绕射，从而起到均光作用，让光显示更加均匀柔和。反射膜 反射片为在流延法制造时，在PET树脂中掺杂HR高分子光学剂及增塑剂，以达到遮光和高反射效果之膜片，由於在膜片的中间层具有一定的吸收光线，而降低了反射效果。

故此，在表面增加一层HR介质膜层，达到更佳的反射效果并具有抗紫外线黄变功能。光学薄膜的简单模型可以用来研究其反射、透射、位相变化和偏振等一般性质。

如果要研究光学薄膜的损耗、损伤以及稳定性等特殊性质，简单模型便无能为力了，这时必须考虑薄膜的结晶构造、体内结构和表面状态，薄膜的各向异性和不均匀性，薄膜的化学成分、表面污染和界面扩散等等。考虑到这些因素后，那就不仅要考虑它的光学性质，还要研究它的物理性质、化学性质、力学性质和表面性质，以及各种性质之间的渗透和影响。

因此光学薄膜的研究就跃出光学范畴而成为物理、化学、固体和表面物理的边缘学科。虽然薄膜的光学现象早在17世纪就为人们所注意，但是把光学薄膜作为一个课题进行专门研究却开始于20世纪30年代以后，这主要因为真空技术的发展给各种光学薄膜的制备提供了先决条件。

时至今日，光学薄膜已得到很大发展，光学薄膜的生产已逐步走向系列化、程序化和专业化，但是，在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决，光学薄膜现有的水平在不少工作中还不能满足要求，需要提高。在理论上，不但薄膜的生长机理需要搞清，而且薄膜的光学理论，特别是应用于极短波段的光学理论也有待进一步完善和改进。

在工艺上，人们还缺乏有效的手段实现对薄膜淀积参量的精确控制，这样，薄膜的生长就具有一定程度的随机性，薄膜的光学常数、薄膜的厚度以及薄膜的性能也就具有一定程度的不稳定性和盲目性，这一切都限制了光学薄膜质量的提高。就光学薄膜本身来说，除了光学性能需要提高，吸收、散射等光损耗需要减少之外，它的机械强度、化学稳定性和物理性质都需要进一步改进。

在激光系统中，光学薄膜的抗激光强度较低，这是光学薄膜研究中最重要的问题之一。下面介绍几种常用的光学薄膜元件。

又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。最简单的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低的薄膜。

当薄膜的折射率低于基体材料的折射率时，两个界面的反射系数r1和r2具有 相同的位相变化。如果膜层的光学厚度是某一波长的四分之一，相邻两束光的光程差恰好为π，即振动方向相反，叠加的结果使光学表面对该波长的反射光减少。

适当选择膜层的折射率，使得r1和r2相等，这时光学表面的反射光可以完全消除。一般情况下，采用单层增透膜很难达到理想的增透效果，为了在单波长实现零反射，或在较宽的光谱区达到好的增透效果，往往采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。

图1的a、b、c分别绘出Kg玻璃表面的单层、双层和三层增透膜的剩余反射曲线。 它的功能是增加光学表面的反射率。

反射膜一般可分为两大类，一类是金属反射膜，一类是全电介质反射膜。此外，还有把两者结合起来的金属电介质反射膜。

一般金属都具有较大的消光系数，当光束由空气入射到金属表面时，进入金属内部的光振幅迅速衰减，使得进入金属内部的光能相应减少，而反射光能增加。消光系数越大，光振幅衰减越迅速，进入金属内部的光能越少，反射率越高。

人们总是选择消光系数较大，光学性质较稳定的那些金属作为金属膜材料。在紫外区常用的金属薄膜材料是铝，在可见光区常用铝和银，在红外区常用金、银和铜，此外，铬和铂也常用作一些特种薄膜的膜料。

由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能，所以必须用电介质膜加以保护。常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等。

金属反射膜的优点是制备工艺简单，工作的波长范围宽；缺点是光损耗大，反射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高，可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层，组成金属电介质反射膜。

需要指出的是，金属电介质反射膜增加了某一波长（或。

4.光学薄膜的应用

◆ 光学薄膜的应用无处不在，从眼镜镀膜到手机，电脑，电视的液晶显示再到LED照明等等，它充斥著我们生活的方方面面，并使我们的生活更加丰富多彩。

◆ 光学薄膜的定义是：涉及光在传播路径过程中，附著在光学器件表面的厚度薄而均匀的介质膜层，通过分层介质膜层时的反射、透（折）射和偏振等特性，以达到我们想要的在某一或是多个波段范围内的光的全部透过或光的全部反射或是光的偏振分离等各特殊形态的光。

◆ 光学薄膜可分为“几何光学和物理光学”，几何光学是通过光学器件表面形成的几何状的介质膜层，以使改变光路经来实现光束的调整或再分配作用；物理光学是将自然界中特有的光学材料元素通过纳米处理至所需的光学器件表面形成的介质膜层，透过介质膜层的光学材料元素的特性增强於改变光偏振，透射，反射等功能。

◆ 通常光学薄膜的制备条件要求高而精，制备光学薄膜分干式制备法和湿式制备法，干式制备法（ 含真空镀膜：蒸发镀，磁控溅镀，离子镀等）一般用於物理光学薄膜的制备，湿式制备法（含涂布法， 流延法，热塑法等）一般用於几何光学薄膜的制备。

◆ 迄今为止（2013年）常用的光学薄膜有：高反射膜；减反射膜；滤光膜；滤色膜；增透膜；聚光膜；扩散膜；偏光膜等等。

5.光学膜是什么材料

光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。

本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。中文名 光学薄膜英文名 Optical Film引言 从20世纪30年代开始，光学薄膜逐渐被广泛应用于日常生活、工业、天文学、军事、宇航、光通信等领域，在国民经济和国防建设中起到了重大作用，因而得到了科学技术工作者的日益重视。

而今新兴技术的发展对薄膜技术不断提出新的要求，又进一步促使了光学薄膜技术的蓬勃发展。所以近年来，对光学薄膜的研究及其应用一直是非常活跃的课题。

本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。光学薄膜干涉的原理 一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。

设薄膜下方空间的折射率为，薄膜的折射率为，薄膜上方空间的折射率为，膜的厚度为d，如图1所示。

6.光学薄膜的结构

主要的光学薄膜器件包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等。它们在国民经济和国防建设中得到了广泛的应用，获得了科学技术工作者的日益重视。例如采用减反射膜后可使复杂的光学镜头的光通量损失成十倍地减小；采用高反射比的反射镜可使激光器的输出功率成倍提高；利用光学薄膜可提高硅光电池的效率和稳定性。

最简单的光学薄膜模型是表面光滑、各向同性的均匀介质薄层。在这种情况下，可以用光的干涉理论来研究光学薄膜的光学性质。当一束单色平面波入射到光学薄膜上时，在它的两个表面上发生多次反射和折射，反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律给出，反射光和折射光的振幅大小则由菲涅耳公式确定（见光在分界面上的折射和反射）。

7.什么是光学薄

用f35mm二级轻气炮加载把平面钨合金（W89Mo9Ni1Fe1）飞片（f 35mm´ 3mm）分别加速到1.78,2.00,2.76km/s，撞击封装有氩气（初始压力为0.12MPa、初始温度为283K）的LY12铝靶，由此产生平面冲击波并加热氩气样品。由磁测速系统（MAVIS）测量飞片速度，通过光纤传输、六通道瞬态光学高温计（各通道中心波长为405,509,600,650,700,800nm）和示波器系统记录冲击氩气的高温辐射历史，即辐射强度与时间（I- t）曲线。

实验记录到在不同飞片速度下，一次冲击氩气的I- t曲线形状不同，但变化有规律。当飞片速度为1.78km/s时，所有通道信号的I- t曲线是直线；当飞片速度为2.00km/s时，只有800nm通道的I- t曲线是指数曲线，其它通道仍为直线；当飞片速度为2.76km/s时，所有通道的I- t曲线是指数曲线。

根据飞片、靶板的材料参数和测量得到的飞片速度，利用波阻抗匹配关系以及构制靶板中等熵卸载线并利用Mie-Grüneisen物态方程，联立求解出靶板/气体界面处的压力与粒子速度。在一维定常冲击波和局域热动平衡假设下，用Saha方程描述氩气的高温电离平衡关系，由此求解出不同实验的冲击条件下氩气的Hugoniot数据和一级电离度。又在局域热动平衡假设基础上，求解了一维稳态的Boltzmann光子场输运方程。

分析计算和实验表明：当飞片速度为1.78km/s时，冲击压缩氩气的吸收系数很小且为常数，其辐射具有光学薄介质的辐射性质，这时气体的光辐射强度远低于同样温度下的黑体辐射强度；当飞片速度为2.00km/s时，虽然吸收系数也很小但随波长变化，其辐射已不具有光学薄介质的辐射性质；当飞片速度为2.76km/s时，冲击氩气的吸收系数明显增大，表现出更大光学厚度（但介于光学薄与光学厚）介质的辐射特性。因此，随冲击波强度增大，受冲击波加热的氩气光学厚度逐渐增大，并由光学薄介质变为光学厚介质。光学薄时对应较小的电离度（或电子浓度），光学厚时对应较大的电离度（或电子浓度）。

还观察到靶板/气体后界面的反射冲击波二次加热氩气时，其热辐射过程是非平衡过程，此时Saha方程不再适用，而应当在求解电子Boltzmann方程和一维非平衡辐射场，才可能对实验现象作出较为合理的解释。