增透膜:有了它,效果大不同(上)

摘要

清晨,当清脆的闹铃声终结了美梦,你睁开眼睛,房间内的家具、电器,窗外的草木、行人,一切都那么清晰,新的一天的工作生活即将开始。不过展现在眼前的绝大部分物体自身并不会发光,你之所以能够清楚地看到它们,是因为照射到它们表面的日光或者灯光发生了反射,并为我们的眼睛所感知。所以,在看到“缤纷色彩显出的美丽”时,我们或许应该感谢反射。

 

题图

清晨,当清脆的闹铃声终结了美梦,你睁开眼睛,房间内的家具、电器,窗外的草木、行人,一切都那么清晰,新的一天的工作生活即将开始。

不过展现在眼前的绝大部分物体自身并不会发光,你之所以能够清楚地看到它们,是因为照射到它们表面的日光或者灯光发生了反射,并为我们的眼睛所感知。所以,在看到“缤纷色彩显出的美丽”时,我们或许应该感谢反射。

然而在另外一些时候,你对反射不仅没有丝毫感激之情,还恨不得它彻底消失。这种情况下,你需要一位好帮手——增透膜。顾名思义,增透膜只需要薄薄的一层膜就可以显著削弱光的反射、增强透射。那么它究竟是如何发挥作用的?在回答这个问题之前,我们首先应该弄清楚,反射为什么有的时候会如此令人讨厌?

为什么要消除反射?

当光照射到一个物体的表面上时,一部分被反射,剩下的要么穿透这个物体,要么被它吸收转化成其他形式的能量。在一些场合,光的透射或者吸收才是我们真正需要的,例如窗玻璃、眼镜片和光学透镜需要让光线尽可能多地穿透它以进入人眼或者光学仪器,太阳能电池则希望吸收更多的日光并将它转化为电能。此时,我们当然希望反射越微弱越好。

反射之所以会发生,是因为光从一种物质进入折射率不同的另一种物质。简单来说,两种材料的折射率相差得越大,光在它们界面上的反射就越明显。如果构成一个界面的两种材料的折射率分别是n1和n2,当光垂直照射,也就是通常所说的正入射时,根据菲涅尔方程,被反射的光与总的入射光的比值R = (n1-n2)2/(n1+n2)2。例如玻璃的折射率大约为1.5,那么根据这个公式可算出,当光垂直照射到空气和玻璃表面上时,大约只有4%会被反射。由于玻璃对可见光几乎没有吸收,因此剩下的96%都会穿透玻璃。

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这样看来,反射似乎是微不足道的,为什么还要采取措施来减弱它?

首先,许多材料的折射率要比玻璃大得多,在它们的表面,反射自然会变得更加明显。前面提到的太阳能电池就是一个很好的例子。目前应用比较广泛的太阳能电池主要使用晶体硅来将太阳能转化为电能,而可见光和红外线在硅中的折射率高达3.4甚至更高,不难算出,在垂直入射的情况下,大约有30%的入射光会被直接反射掉而没有机会被转化为电能,这是相当大的损失。

其次,即便光在一个界面上发生的反射的程度可能很微弱,但许多这样的界面叠加在一起,由于反射而损失的光仍然是相当可观的。例如假设一个光学仪器包含三块透镜,也就是有六个空气与玻璃的界面,层层反射的结果就会导致垂直入射的光线只有不到80%能够顺利穿过透镜组,这是相当大的损失,而实际上许多光学仪器包含的透镜更多,这种情况下,我们就不能对反射造成的损失坐视不管。

此外,还有一些情况下,对我们有用的透射光来自一个光源,而造成干扰的反射光来自另一个强度更高的光源,那么尽管反射光占入射光的比例很小,总的干扰效果仍然会很明显。一个典型的例子是强光下的电脑屏幕有时会像镜子一样晃眼,使用者根本无法看清屏幕上的内容,这就是因为即便只有一小部分强光被反射,仍然足以强烈干扰显示器的背光。

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提高表面的粗糙程度可以让反射光变得不那么刺眼,但也会降低透射光的强度,影响成像质量

对于最后这种情况,一个解决的办法就是把原本光滑的表面变得粗糙,让反射变得弥散,即用漫反射代替镜面反射。事实上大多数物体表面反射的光并不会让我们觉得刺眼,正是因为它们的表面并不像镜面那样平滑。然而粗糙的结构会让入射光变得发散,造成图像质量下降,因此它的作用颇受局限。

可以看出,在许多光学或者电子产品中,反射造成的干扰是相当严重的。那么如何将反射削弱呢?这要从一个多世纪前英国科学家瑞利的一项发现谈起。

多一道界面,少一点反射

约翰·斯特拉特,也就是后人尊称的瑞利男爵三世,是一位著名的物理学家,曾因发现氩元素而分享1904年的诺贝尔物理学奖,重要的光学现象瑞利散射也是以他命名。在19世纪80年代的一天,瑞利在观察镜片时意外地发现,一些存放时间较长的镜片居然比新加工出来的镜片能够透射更多的光线。仔细观察后他发现,镜片在存放过程中,在空气的作用下,表面的玻璃的化学组成会逐渐发生变化。也就是说,玻璃表面多了一层材料后,整体对光的反射就会减弱。

这个现象似乎是违背直觉的,光在传播过程中遇到的界面越多,应该有越多的光被反射掉才对啊!但实际上,瑞利观察到的这层材料有一个很重要的特点:它的折射率介于空气和玻璃之间。这又意味着什么呢?

前面我们提到,玻璃的折射率在1.5左右,因此垂直入射到空气和玻璃界面上的光约有4%被反射。如果我们在玻璃表面覆盖一层折射率为1.25的材料A,会发生怎样的变化呢?不难算出,当光垂直入射时,在空气和A的界面,被反射的光线占到总的入射光的1.2%左右,剩下的98.8%的光线则顺利进入A。而在A和玻璃的界面上,垂直入射的光大约有0.8%被反射。因此,最终能够穿过A进入玻璃的光线大约是98.8%×99.2%,总的被反射的光在2%左右。也就是说,与空气和玻璃直接接触的情况相比,添上一层材料能够让界面上的反射减弱一半。

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普通镜片(左)和覆盖了增透膜的镜片(右),可见增透膜能够明显地减弱反射的程度 (来源:http://www.allaboutvision.com/lenses/anti-reflective.htm)

这个计算结果告诉我们一个非常有趣的事实:如果A材料的折射率介于B材料和C材料之间,把A添加到B和C之间,就能让更多的光从B进入C。也就是说虽然界面更多,反射的效果反而更加微弱。通过反射公式可知,对于包含多个界面的体系,这种效果会更加显著。例如前面提及的包含三块透镜的光学仪器,如果每个透镜的上下表面都覆盖上这样一层材料,那么最终能够穿过透镜的光线可以从不到入射光的80%提高到近90%,是不小的改观。通过简单的计算(读者不妨尝试一下),可以发现薄膜的折射率不仅要介于原有两种材料之间,而且最好是二者乘积的平方根,这样增透的效果最佳。对于空气和玻璃的界面,这意味着用于增透膜的材料的折射率应该是1.225,但现实中找到折射率如此低的材料并不容易。目前经常用于玻璃表面的增透膜的材料是氟化镁,它的折射率在1.37左右,在垂直入射的情况下,可以将反射光从约4%降低到约2.6%。这个数字距离最佳增透结果有差距,但可以接受,再加上成本低廉、易于加工等优点,使得氟化镁广泛用于光学仪器的增透。

当然,谁也不希望额外添加的这层材料在减弱反射的同时让原先的物体变得更加笨重,因此将它做成薄膜无疑是最好的选择。但由于技术的限制,直到20世纪30年代,研究人员才找到简便易行的在玻璃表面添加增透膜的方法,从此让光学仪器的面貌焕然一新。不过人们还希望进一步降低光在界面上的反射。这个要求能实现么?(待续)

(原载《科学世界》2016年第5期)

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