技術前沿：光學鍍膜

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

光學鍍膜主體光學元件

折射率掌控光學

材料折射率n等于真空光速除以材料中的光速。折射率和波長有關，我們經常根據d3譜線(588 nm)規定折射率，使用nd表示，下表列出了幾種常見介質的nd折射率；對于不透588 nm的紅外材料，比如表格中的硅和鍺，根據常用波長定義折射率。

因為速度變化，光在不同折射率的材料界面上會發生彎折。假設從低折射進入高折射材料，光線將朝法線彎折，就像儀仗隊從人行道進入泥地時的情形，部分隊員從硬地進入泥地因阻力增加而減速，導致方向變化；也像胖子和飛魚牽手跑進大海。不管如何形象類比，折射*終都要用斯涅爾定律表征。

因為折射才有透鏡，透鏡會聚或發散的程度使用屈光度表示。球面透鏡提供旋轉對稱的屈光，而柱面透鏡只能一維屈光。

透鏡的打磨和拋光真正出現在13世紀后期，發展至今成為我們所謂的傳統制造技術，適合生產均勻球面的大型工具。熟練操作員使用傳統技術仍能制作比當今很多先進設備還好的平面和球面。另一方面，現代CNC設備的優勢之一是生產非球面和自由曲面。一個非球面能做的事需要多個球面元件才能做到，適合在狹窄空間使用或高效收集發散光。

由于折射率和波長相關，因此不同波長具有不同折射角，利用這個性質可以將白光分出不同波長，這就叫做色散。色散有利有弊。以等邊棱鏡為例，利用高色散材料和幾何形狀可以分開不同的波長。有時色散是有害的，比如透鏡聚焦時就要處理色散問題。為此可采用多元件透鏡，比如冕牌玻璃和火石玻璃配合，通過互補的高低折射率和高低色散構造消色差膠合透鏡。除了色差，復合透鏡還能大大降低球差和彗差，而且比非球面透鏡受對準的影響更小。

如果從高折射率入射到低折射率，光線將偏離法線彎折，這樣就會出現一個臨界角。入射角大于臨界角時，光不再折射而是全部反射，故稱全內反射(TIR)。TIR是各種棱鏡應用的基礎，幾種常見類型依次為等邊色散棱鏡、斜面TIR直角棱鏡、直角面TIR直角棱鏡、角錐棱鏡、屋脊棱鏡和佩林布洛卡棱鏡。

菲涅爾反射

菲涅爾反射定律描述s和p兩種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。

根據這些公式，我們可以畫出菲涅爾反射率隨入射角變化的曲線，下面分別是N-BK7和鍺的菲涅爾反射曲線。紅線表示s偏振光反射率，藍線表示p偏振光反射率，綠線表示平均反射率。

對于低折射率材料N-BK7，正入射時的單面反射率略高于4%，當入射角變大時，s和p光的反射率的差異也逐漸變大，到45度時尤其明顯。對于高折射率材料鍺，正入射時的反射率將近40%，而且s和p光的反射率相差更大。所以紅外材料經常需要鍍增透膜。

從圖中還可以看到，在一定入射角下，兩種材料的p光反射率(藍線)都可降為零，這個角就叫布儒斯特角；有些激光器使用布儒斯特窗片提高輸出偏振消光比。

雖然通過反射能夠控制偏振，但是標準偏振片經常利用二向色性確立偏振，比如薄膜、納米粒子和線柵等類型。另外，晶體雙折射也可用于操縱偏振。

方解石可制作各種高消光比偏振棱鏡。以格蘭激光或格蘭泰勒棱鏡為例：由于折射率不同，o光發生全內反射被抑制，而e光直接透射。為了提高消光比，可用三個棱鏡構造雙格蘭泰勒配置實現兩次全內反射。格蘭湯普森配置具有類似的功能，但是使用膠粘構造沒有氣隙。其它晶體偏振器還有光束位移器、沃拉斯頓和Rochon偏振器。

格蘭泰勒偏振器工作動態圖

晶體偏振分束器	o光角度	e光角度
光束位移器(單塊晶體)	平行	平行
Rochon偏振器	平行	偏轉
沃拉斯頓偏振器	偏轉	偏轉

另外，波片(相位延遲器)也屬于偏振光學元件，常見于四分之一波片和半波片。前者用于轉換線偏振和圓偏振，后者用于改變線偏振方向。波片材料包括石英、氟化鎂或藍寶石等晶體以及聚合物。

在討論折射率時我們看到，折射率越低菲涅耳反射越小。如果不鍍增透膜，低折射率材料可能更適用。對于高折射率材料，透鏡能以更短距離聚焦，色散棱鏡更好分光，而多元件透鏡通過高低折射材料組合校正像差。材料的偏振效應也是需要考慮的問題。

下圖給出了各種材料的透射波長范圍。多數光學系統需要盡可能高的透過率，但也有需要衰減的情況，這時可用彩色玻璃或中性密度濾光片。選擇材料時還要考慮物理性質，比如耐用性，還有環境影響和熱學性質。

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