“增透膜”增透的原理解析

“增透膜”增透的原理解析

姜枝国

关键词：“增透膜”增透原理

现行高中物理教材讲述光的干涉在技术上的应用时，用了很短一段话介绍了增透膜的作用：“当薄膜的厚度适当时，在薄膜的两个面上反射的光，路程差恰好等于半个波长，因而互相抵消。这就大大减少了光的反射损失，增强了透射光的强度。”就是这段话，学生有很多疑问：两个面上反射的光相互抵消，怎么会使透射光的强度增强了？笔者带着问题查阅了有关资料并进行了反复思考，认为应从以下几个方面来理解和解释。

其一是当光从一种介质进入另一种介质时，如果两种介质的折射率相差减小，反射光的能量减小，透射光的能量增加。原因是当光从折射率为¬n1的介质1进入折射率为n2的介质2时，根据光的反射和折射理论，反射光的振幅E与入射光的振幅E0之比：，而光的强度与光的振幅的平方成正比，所以介质1与介质2界面的反射率R（即反射光强度I与入射光强度I0之比）为：。根据这一推论可知：

(1)如果镜头表面不涂薄膜，光直接由折射率为n1=1.0空气垂直入射到折射率为n2=1.5的玻璃的介面时，反射率，即将有4%的入射光能被反射，96%的入射光能进入玻璃，这说明光学器件表面的反射光会导致光能损失。进入玻璃的光再从玻璃垂直进入空气的分介面时，透射光与入射光相比，又要产生相同比例的能量损失。即一个简单玻璃透镜，光通过它的两个透光表面，透射光的强度I只占原入射光强度I0的。人们普遍使用较高级照相机的物镜、潜水艇上用的潜望镜等一般都由多个透镜组成，其目的是利用凸透镜和凹透镜的不同性质消除相差。例如：当某照相机物镜的镜头由6个透镜组成时，如果光垂直入射透过每一个表面的光强度仍只有入射到该表面上光强度的96%，则通过该物镜12个透光表面的透射光强度I与原入射光强度I0之比：，即入射光能损失39%。如果光经过有40个透光表面的潜水艇用的潜望镜后，透过的光强度I与原入射光的强度I0之比：，损失光能达80%。光能损失越大，所成像的质量越差，而且反射光还可能被其它表面再反射到像的附近，形成有害的杂光，将进一步减弱成像质量。

(2)如果在玻璃镜头表面涂上一层其折射率介于玻璃和空气之间的透明介质：如折射率为n=1.38的氟化镁薄膜，根据上述推论可算得当光从空气进入氟化镁薄膜时，反射光的强度I与入射光的强度I0之比为：，即其第一个反射面损失光能2.5%。如果光再由氟化镁薄膜进入玻璃时，其反射损失的能量为：%。因此，当有增透膜时透射光的能量是原入射光能量的。增加氟化镁薄膜后，透射光能提高了97.3％－92％＝5.3％，所以反射光能减少了。则涂有增透膜的6个透镜组成的镜头，透射光的能量占原入射光的能量是，与相同情况下光直接由空气进入玻璃镜头时相比较，提高了透射光能量84.8%-61%=23.8%，减少了光的反射损失。

其二是利用了薄膜干涉的原理，增加了透射光的能量。因为当光从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失，即反射光与入射光相位恰好相反。(1)若光直接由空气垂直射到玻璃镜头的表面时，反射光将直接与入射光相遇发生干涉相消，反射光抵消一部分入射光，使透射光的能量减少。(2)若在玻璃镜头表面涂上一层薄膜，使它的厚度等于光在薄膜中波长的四分之一。当光再由空气射向镜头时，由于薄膜两个面的反射光均有半波损失，膜后表面的反射光比膜前表面反射光的光程差恰好相差半个波长，此时产生干涉相消的不是反射光与入射光，而是薄膜前后两个表面的反射光相消，即相当于增加了透射光的能量。

其三是薄膜材料的选择和多数镜头呈现淡紫色的原因。在薄膜材料选择时，由上述推论和结论可知：假设光由空气(折射率为n1=1.0)垂直入射到薄膜(折射率为n)前表面的入射光的振幅为E0，从膜前表面反射光的振幅为E1，如果近似地认为从膜后表面入射光的振幅仍为E0，反射光的振幅E2，则有：，。若要使两个反射光完全相消而没有反射光，必须使两个反射光的振幅相等，即：，由此得出。对折射率n=1.5的玻璃镜头，则要求薄膜的折射率，可完全使两个反射光相消而没有反射光。但实际上很难找到折射率如此低而性能又好的材料，目前一般采用的材料多是折射率n=1.38的氟化镁，用它制成的薄膜厚度等于光在薄膜中波长的四分之一，光仍有1.3%的剩余反射，但仍大大减少了光的反射，增强了光的透射。另外，根据光的传播理论，不同频率的光在同一介质中传播速度和波长是不同的，但选择材料厚度只能是某一波长的四分之一，即只能使某一频率的反射光相消，其它频率的反射光不能完全相消。因此，对涂有增透膜的光学器件在白光照射下会呈现一定颜色。例如照相机底片对波长为5500埃的黄绿色光最敏感，它要消除波长为5500埃的这种色光的反射光而增加它的透射光，其薄膜的厚度只能是这种色光在薄膜中波长的四分之一。当反射光在原来白光中少了黄绿色光后，镜头就会呈现出淡紫色。

综上所述，我们可以得出这样的结论：在光学镜头表面涂一层厚度和材料适当的薄膜，能够增加透射光的能量，减少反射光的能量损失——“增透膜”增透。

主要参考书目：

1.«光学»母国光战元令编，人民教育出版社。

2.普通物理学程守洙江之永编。

3.«中学物理教学参考»2000.4.等。