光学薄膜是指在抛光的光学元件表面上镀制的一层或多层薄膜，用来改变光波的传输特性。按照应用需求不同，光学薄膜的常见功能包括反射（HR）、减反（AR）、分光（BS）、衰减（AT）、滤光（FI）、偏振控制（PBS）、相位改变（PC）七大类，此外还有疏水、导电（ITO）等非光学特性的功能。本文逐一介绍这些功能的原理、典型指标与常用材料，帮助大家对这一领域有更全面的了解。
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一、光学薄膜是什么？
早期，由玻璃材料做成的光学元件，在使用过程中会遇到空气中的水汽、酸、碱等物质的侵蚀，使得表面性能下降，影响了光学产品的寿命。因此，为了解决这一问题，产生了光学镀膜技术——通过在镜片表面上镀一层薄膜，将抛光表面与空气隔离，从而起到保护光学面的作用。
在后续的使用过程中人们发现，薄膜不仅可以保护光学面，还可以改变光束的光学特性，例如让表面的透过率或者反射率产生改变。因此，人们对镀膜技术有了更多的研究。当代的光学镀膜，是指在抛光的光学零件表面上镀上一层或多层薄膜的工艺过程，目的是改变光波的传输特性，包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变等，或者通过光学薄膜实现其他特定目的。
二、光学薄膜的常见功能
光学薄膜的常见功能有哪些？在光学图纸中定义镀膜要求的时候，通常需要明确三件事：一是适用的光谱范围，比如是紫外波段的镀膜需求，还是可见光或红外波段的需求；二是膜层入射角度的大小，以满足该光学元件在光学系统中的具体使用需求；三是镀膜后的数值指标，比如反射率需要低于0.5%，还是反射率要高于96%。根据应用场景不同，光学薄膜的常见功能可以归纳为七大类（另有一类非光学特性功能），速览如下：
| 功能 | 缩写 | 作用简述 | 典型指标与应用 |
|---|---|---|---|
| 反射 | HR（High Reflection） | 提高光学表面的反射率，可作反射镜使用 | 金属膜最高约97%，介质膜可达99.99%；用于反射镜、谐振腔镜等 |
| 减反 | AR（Anti-Reflection） | 降低表面反射率，提高光束透过率 | 可见光波段多层膜反射率可低于0.5%；用于镜片、窗口片、显示器件等 |
| 分光 | BS（Beam Splitting） | 把入射光束按比例分成透射光和反射光两束 | 常用1:1、1:2等比例；用于干涉仪、激光系统等 |
| 衰减 | AT（Attenuating） | 以吸收方式减弱透过的光束强度 | 恒定衰减片、渐变衰减片；用于太阳镜、光学仪器等 |
| 滤光 | FI（Filtering） | 只让特定谱段的光通过，滤除其他谱段 | 带通、短波通、长波通滤光片；用于光谱仪、摄影等 |
| 偏振控制 | PBS（Polarizing Beam Splitter） | 控制光束偏振态，分离P光和S光 | 偏振片、偏振分光棱镜；用于3D电影眼镜、LCD显示、激光系统等 |
| 相位改变 | PC（Phase Change） | 调控不同偏振态光的相位 | 相位匹配、相位延迟；用于超快光学、干涉测量等 |
| 非光学功能 | — | 疏水、导电等表面功能 | 疏水膜、ITO导电膜；用于防水镜片、触摸屏、太阳能电池等 |
A、反射（HR Coating）
具备这一功能的薄膜称为反射膜，也常被称为高反射膜（HR膜），用于增加光学表面的反射率，光学表面镀了反射膜后，就可以作为反射镜来使用了。
不同的反射率指标下，对应的镀膜膜系也不同。常见的反射膜大致有两类膜系：一类是金属膜，如铝膜、银膜、金膜等，金属膜的厚度通常比较薄，对表面面形有很好的保持，反射率最高可以达到97%的水平；另一类是介质膜（电介质膜），利用不同电介质材料的相互叠加形成多层膜，例如用氟化镁（MgF2）和五氧化二钽（Ta2O5）配合形成的介质反射膜，可以达到99.99%的反射率水平。不过介质膜的厚度通常偏厚，因此不容易保持高精度的面形。作为一个例子，下图给出了在可见光波段，BK7材料表面镀金膜、银膜、铝膜和介质膜的反射率曲线：
上图中，光束为0°入射。红色线代表金膜，绿色线代表银膜，蓝色线代表铝膜，黑色线代表介质膜；其中介质膜由10层MgF2和11层Ta2O5构成，MgF2的总厚度为66nm，Ta2O5的总厚度为99nm，该介质膜的反射率是各膜系中最高的。
B、减反（AR Coating）
具备这一功能的薄膜称为增透膜或者减反膜，作用是在一定光谱范围内降低光学表面的反射率，从而增加光束在元件上的透过率。减反膜通常由一层或多层不同的电介质材料叠加而成，这里同样可以用氟化镁和五氧化二钽。下图中，给出了在可见光波段，BK7材料在不镀膜、镀单层介质膜和多层介质膜时的表面反射率曲线：
上图中，光束为0°入射。红色线代表不镀膜的BK7抛光表面，反射率约为4.2%；绿线为在基底上镀了单层MgF2膜的反射率曲线，膜层厚度约99nm，可以看到反射率有了明显的降低；蓝线为在基底上镀了3层MgF2和3层Ta2O5的多层介质膜，此时的表面反射率已经在0.5%以下了。
镀膜材料不仅限于MgF2和Ta2O5。实际中可以选用的镀膜材料很多，主要是氟化物、氧化物以及其他类化合物：常用的氟化物还包括氟化镧（LaF3）、氟化钇（YF3）、氟化镱（YbF3）等，常用的氧化物还包括二氧化硅（SiO2）、二氧化钛（TiO2）、二氧化锆（ZrO2）、二氧化铪（HfO2）等，此外还有硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）等化合物。
C、分光（Beam Splitting）
通过镀膜，可以将入射到镀膜面上的光束分成两束：一束光透射穿过，另一束光被反射，并且两束光的光强比例可以在膜系设计时定义。常见的有1:1的分光膜，即透射光强和反射光强各占一半；另外，实际应用中也有1:2比例或其他各种比例的分光膜。
D、衰减（Attenuating）
通过对平片产品镀膜，可以使透过它的光束强度变弱，而损失的光并没有被反射回去，而是被膜层吸收掉了，从而实现光束衰减的功能。人们平时佩戴的太阳镜，就可以实现对紫外线的吸收和光强的衰减，起到保护眼睛的作用。在光学仪器中，有恒定衰减率的衰减片，即产品的各个位置可以对入射光束实现同等程度的衰减；也有渐变衰减率的衰减片——当渐变衰减片绕中心旋转一周时，光强的透过率可以由强到弱连续变化。
E、滤光（Filtering）
用于滤光功能的元件通常称为滤光片，它可以使特定谱段的光透过，将不感兴趣谱段的光束滤除掉。滤光片在光学仪器中应用非常广泛，按照光谱特性分类，可以分为带通滤光片、短波通滤光片、长波通滤光片等多种类型。在摄影行业，滤光片常被用来作为颜色的筛选器，从而获得有特定艺术效果的照片。
F、偏振控制（Polarizing Control）
我们知道，线偏振光分为P光和S光，两者振动方向相互垂直，传播也相互独立。通过镀膜，可以对入射光束的偏振态进行控制，常见的应用如偏振片，它可以将自然光变成偏振光，从而广泛应用在3D电影眼镜、LCD显示的场合。光学仪器中常用的偏振分光棱镜（PBS），就是通过在胶合直角棱镜的斜面上镀制偏振膜，将入射光束分成互成90°的P光（透射）和S光（反射），起到起偏的作用。PBS的原理图如下所示：
G、相位改变（Phase Change）
前面提到过，光学薄膜通常是一层或多层介质的叠加。当光束在不同介质的界面之间被反射或折射时，不同偏振态的光的相位会发生变化。因此，根据这一特性，可以利用光学薄膜实现对入射光中P光和S光的相位调控，常见的有相位匹配、相位延迟等应用。
H、非光学特性的功能
还有一类光学薄膜，它们并不具备光学功能，但是在实际中同样需要。例如，当光学表面需要防水时，就需要镀疏水膜，该膜层可以使水滴在镜片上不易附着，就像荷叶上的水滴一样被高效地排走。还有一些场合，需要光学表面具备导电的功能，这时就需要镀ITO（Indium Tin Oxide，氧化铟锡）膜，这种膜在可见光波段具备良好的透过率，同时具备优异的导电性，从而为平板显示器、触摸屏、太阳能电池等电子产品提供透明的导电功能。
三、常见误区
关于光学薄膜，有几个容易混淆的认识，选购和使用时值得注意：
误区1：反射率越高越好。
实际上，镀膜指标要与用途匹配：反射镜追求高反射率，镜片和窗口则要尽量降低反射率（增透）；而且反射率越高，往往意味着带宽更窄、对入射角更敏感、成本更高，并非所有场景都适合。
误区2：忽略入射角度与光谱范围。
膜层的反射率、透过率指标通常是针对特定入射角（如0°正入射或45°斜入射）和特定光谱范围设计的，实际使用中偏离设计条件时，指标会明显偏移。
误区3：金属膜已经过时，任何场合都应选介质膜。
实际上，金属膜带宽宽、对角度不敏感、成本低，在宽波段反射、低成本场景中仍然是主流选择；介质膜虽然反射率更高（可达99.99%）、吸收更低，但带宽较窄、对角度敏感、成本较高。两者各有适用场景。
误区4：镀膜元件可以随意擦拭清洁。
与裸玻璃相比，膜层更娇贵：高功率激光、潮湿或酸碱环境会加速膜层老化损伤；清洁时应避免干擦、硬擦，按规范使用专用工具和溶剂。
四、常见问题（FAQ）
光学薄膜的常见功能有哪些？
主要有七大类：反射（HR，高反膜）、减反（AR，增透膜/减反膜）、分光（BS，分光膜/分束膜）、衰减（AT，衰减片）、滤光（FI，滤光片）、偏振控制（PBS，偏振片与偏振分光棱镜）和相位改变（PC）。此外，还有疏水膜、ITO透明导电膜等非光学特性的功能。
HR膜和AR膜有什么区别？
两者作用方向相反。HR（High Reflection）是高反射膜，用于把光学表面的反射率尽可能提高：金属膜可达97%左右，介质膜可达99.99%，典型应用是反射镜和激光谐振腔镜；AR（Anti-Reflection）是减反膜（也称增透膜），用于把表面反射率尽可能降低：可见光波段多层减反膜可低于0.5%，从而提高透过率，典型应用是镜片、窗口片和显示器件。
金属膜和介质膜各有什么特点，怎么选？
金属膜（铝、银、金等）反射带宽、对入射角不敏感、工艺成熟、成本低，反射率一般最高约97%，但存在吸收损耗，适合宽波段反射和成本敏感的场景；介质膜由多层高低折射率材料叠加而成，反射率可以做到99.99%，吸收极低，但膜层较厚、带宽较窄、对角度敏感、成本较高，适合激光系统等对反射率和损耗要求高的场景。
PBS是什么，有什么用途？
PBS是偏振分光棱镜（Polarizing Beam Splitter）：在胶合直角棱镜的斜面上镀制偏振分光膜，把入射光分为振动方向互相垂直、互成90°出射的P光（透射）和S光（反射）。PBS广泛用于激光系统、光隔离器、光学测量和显示设备中，用于起偏、检偏和偏振分光。
光学镀膜常用材料有哪些？
常用的镀膜材料包括：低折射率材料有氟化镁（MgF2）、氟化镧（LaF3）、氟化钇（YF3）、氟化镱（YbF3）、二氧化硅（SiO2）等；高折射率材料有五氧化二钽（Ta2O5）、二氧化钛（TiO2）、二氧化锆（ZrO2）、二氧化铪（HfO2）等。此外还有硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）等化合物，以及铝、银、金等金属膜料。具体组合需根据光谱范围、指标要求和损伤阈值来选配。
五、结语
在本文中，我们对光学薄膜的常见功能做了详细的介绍。按照膜系的不同，光学薄膜通常具备高反、增透、分光、衰减、滤光、偏振控制、改变光束相位等功能；除此之外，还有疏水膜、ITO膜等非光学特性的功能，这些功能在实际中也会经常用到。如果你对其中某一类功能想进一步了解，欢迎继续浏览激光百科全书栏目中的光学镀膜系列文章，或直接联系我们交流。
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