抗反射 (AR) 鍍膜

這是 《雷射光學元件資源指南》的 第 11.3 節 。

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愛特蒙特光學為所有 TECHSPEC® 穿透光學元件提供多種抗反射（AR）鍍膜選項，透過提高穿透率、增強對比度並消除重影，可顯著提升光學效能。大多數AR鍍膜還具有出色的耐久性，能同時抵禦物理損傷和環境侵蝕。基於這些優勢，絕大多數穿透光學元件均會配置某種形式的抗反射鍍膜。在為特定應用選擇AR鍍膜時，必須先充分瞭解系統的完整光譜範圍。雖然AR鍍膜能大幅提升光學系統性能，但在設計波長範圍之外的波段使用鍍膜反而可能降低系統性能。

‌為何選擇抗反射鍍膜？

由於菲涅耳反射效應，當光線從未鍍膜的玻璃基材穿過時，每個介面會反射約4%的入射光。這將導致系統總穿透率僅剩92%，在許多應用中會造成嚴重影響（ 圖 1）。過量反射光不僅會降低通光效率，在雷射應用中還可能引發雷射誘導損傷。抗反射 (AR) 鍍膜應用於光學表面，可提高系統的光輸送量，並減少因後向反射穿過系統產生鬼影造成的危害。後向反射還會使雜散光進入雷射腔，導致雷射系統失穩。對於含有多組穿透光學元件的系統，AR鍍膜尤為重要。多數弱光系統都會採用 抗反射鍍膜光學元件 ，以實現光線的高效利用。

圖1：菲涅耳反射發生在所有介質介面。每當反射光線到達新的介面時，其部分能量會再次經歷菲涅耳反射¹

抗反射（AR）鍍膜經過精密設計，使薄膜上下邊界反射光束產生180°的相對相位差。當兩束反射光發生相消干涉時，會在離開表面前即相互抵消（圖 2）。光學鍍膜厚度必須為$\tfrac{\lambda}{4}$的奇數倍，其中$ \small{\lambda} $ 為設計波長或最佳化峰值性能的波長，以實現反射光束之間 $\tfrac{\lambda}{2}$ 的所需光程差。滿足此條件時，將導致光束相消干涉。<35>折射率</35>實現反射光束完全相消干涉所需的薄膜折射率$ \small{\left( n_f \right)} $可透過入射介質折射率 $ \small{\left( n_0 \right)} $ 和基材折射率 $ \small{\left( n_s \right)} $計算得出。

(1)$$ i =\frac｛n_0｝｛2｝$$

圖2：每一層鍍膜的折射率和厚度均經過精確控制，以實現各反射光束之間的相消干涉

抗反射V型鍍膜是一種特殊的AR鍍膜，設計用於在指定設計波長（DWL）為中心的極窄波段內提高穿透率。這種鍍膜被稱為「V型鍍膜」，因為其穿透率隨波長變化的曲線呈「V」形，在DWL處達到最低點。使用單頻、窄線寬雷射或窄半高寬（FWHM）光源時，V型鍍膜是實現最大穿透率的理想選擇。¹ V型鍍膜在DWL處的反射率通常低於0.25%。但該鍍膜的反射曲線在局部呈現近似抛物線形狀，在DWL以外的波長處反射率會顯著升高（<52>圖3</52>）。

圖3：266nm雷射V型鍍膜範例（專為實現266nm波長最大穿透率而設計）

表 1 展示了EO公司標準雷射V型鍍膜的反射率及有保證的雷射誘導損傷閾值（LIDT）性能參數。

標準雷射V型鍍膜
DWL (nm)	鍍膜規格	損傷閾值，脈衝$\left(\tfrac｛\text{J}{\text{cm}^2}\right)$
266	R <0.25%@ DWL	3 @ 266nm, 20ns, 20Hz
343	R <0.25%@ DWL	7.5 @ 343nm, 20ns, 20Hz
355	R <0.25%@ DWL	7.5 @ 355nm, 20ns, 20Hz
515	R <0.25%@ DWL	10 @ 515nm, 20ns, 20Hz
532	R <0.25%@ DWL	10 @ 532nm, 20ns, 20Hz
980	R <0.25%@ DWL	10 @ 980nm, 20ns, 20Hz
1030	R <0.25%@ DWL	15 @ 1030nm, 20ns, 20Hz
1064	R <0.25%@ DWL	15 @ 1064nm, 20ns, 20Hz

表1：反射率規格及雷射損傷閾值（LIDT）保證——適用於EO標準雷射V型鍍膜，可客製波長

由於當光源波長偏離設計波長（DWL）時反射率會急劇上升，V型鍍膜光學元件必須嚴格在鍍膜設計波長或近似波長的條件下使用。V型鍍膜的特性在於其穿透曲線呈半週期性：在DWL的諧波波長處（例如$ \tfrac{\lambda_0}{2} $ 或 $ \tfrac{\lambda_0}{4} $）會出現反射率局部極小值，但這些位置的反射率最佳化程度不如設計波長。V型鍍膜通常僅由兩層鍍膜構成。簡易V型鍍膜可能僅包含a $ \tfrac{\lambda}{4} $,度的單層膜，但若需調整頻寬或缺乏合適折射率的鍍膜材料時則需增加層數。多層鍍膜可補償不同入射角的影響，但結構更複雜且易導致頻寬增大。若V型鍍膜層厚誤差會導致反射率上升及設計波長偏移。Edmund Optics的V型鍍膜實際反射率通常遠低於0.25%，但所有標準V型鍍膜在設計波長處的反射率規格均為<0.25%。該容差設計可吸收鍍膜工藝導致的設計波長微小偏移。

寬頻抗反射膜（BBAR）專為更寬波段的穿透最佳化設計。適用於廣譜光源及多諧波生成雷射。BBAR鍍膜的反射率通常略高於V型鍍膜，但其寬廣的穿透波段具有更強通用性。除了應用於透鏡和窗鏡等穿透光學元件外，抗反射膜（AR）還被用於雷射晶體與非線性晶體，以最大限度地減少空氣與晶體接觸面產生的菲涅耳反射。¹

寬頻抗反射膜（BBAR）鍍膜規格選項

Edmund Optics提供所有帶可選單層介電抗反射（AR）鍍膜的TECHSPEC®透鏡，以減少表面反射。此外，客製單層、多層、V和2V鍍膜可用於現貨及大批量客製訂單。相關資訊請查看客製光學透鏡塗層。

Figure 4: 波長選擇圖

$\tfrac｛\lambda｝｛4｝$ MGF₂：最簡單的AR鍍膜是$\tfrac｛\lambda｝｛4｝$ MGF_2，以550nm為中心（在550nm下折射指數為1.38）。MGF₂ 鍍膜是寬頻應用的理想之選，但其效果取決於所涉及的玻璃類型。

VIS 0° and VIS 45°: VIS 0°（0°入射角）和VIS 45°（45°入射角）提供425–675 nm的最佳穿透率，平均反射率分別降低到0.4%和0.75%。對於可見應用，VIS 0°AR鍍膜優於MGF₂。

VIS-NIR可見光/近紅外寬頻抗反射膜經過特殊最佳化處理，可在近紅外波段實現最大穿透率（>99%）。

Telecom-NIR：電信/近紅外鍍膜是專為1200-1600nm通信波段設計的寬頻抗反射膜。

UV-AR和UV-Vis：紫外鍍膜應用於紫外熔融石英透鏡和紫外熔融石英窗鏡，以增強在紫外波段的性能表現。

NIR I和NIR II：近紅外I與近紅外II寬頻抗反射膜在常見光纖、雷射二極體模組和LED照明使用的近紅外波段具有卓越性能。

SWIR: 短波紅外寬頻AR鍍膜適用於900 - 1700nm的應用。

圖5、圖6和表2顯示了EO的標準Bbar鍍膜規格。

圖 5：EO標準可見光波段抗反射膜

圖6EO標準近紅外（NIR）波段抗反射膜涵蓋400-1600nm範圍，但可客製設計超過2µm的特殊鍍膜

圖7：EO標準紅外（IR）波段抗反射膜

表2：EO標準Bbar鍍膜的反射率規格

以下TECHSPEC®Optics提供抗反射鍍膜

透鏡

稜鏡

窗鏡

參考文獻

1. Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html

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更多資源

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• 金屬鏡面鍍膜應用說明
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• 硬質鍍膜的優點應用說明
• [網路研討會] 雷射應用高反射鏡技術
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