一、什么是反射/透過(guò)光譜
光譜是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果。當(dāng)光照射到一個(gè)界面會(huì)發(fā)生反射、透射或吸收，不同波長(zhǎng)的光會(huì)產(chǎn)生不同程度的反射或透射以及吸收損耗。于是，不同波長(zhǎng)的光通過(guò)同一界面的作用，在接收端就會(huì)接收到不同的光的強(qiáng)弱信號(hào)。將這些不同的波長(zhǎng)下接收到的光的信息繪制成譜線，即我們通常所說(shuō)的光譜。研究反射光線隨波長(zhǎng)的變化曲線稱為反射光譜；研究透射光線隨波長(zhǎng)的變化曲線稱為透射（透過(guò)）光譜。（Crylink規(guī)格表中一般使用反射光譜作為表征，故下述舉例一般都為反射光譜。）
圖1 反射光譜圖兩種形式 （a）某增透膜的反射光譜；（b）某增反膜的反射光譜
二、為什么需要反射/透過(guò)光譜
首先，光譜圖比起參數(shù)表更加直觀且能從圖中獲取很多信息。
- 我們能從光譜圖上直接讀出一定范圍內(nèi)每一個(gè)波長(zhǎng)的反射率/透過(guò)率；
- 我們能看出一個(gè)膜層的反射率/透過(guò)率的峰值和峰值波長(zhǎng)，這對(duì)于我們選擇窄帶激光窗口片等起關(guān)鍵作用；
- 對(duì)于寬帶應(yīng)用，我們可以看到膜層作用的波長(zhǎng)范圍以及是否穩(wěn)定平坦；
- 通過(guò)多光譜在同一坐標(biāo)系下的繪制，我們可以直接從圖中看出膜層的優(yōu)劣等。
除此之外，還有一些特殊的光譜圖例如偏振光反射光譜或?qū)⑼ㄟ^(guò)反射光譜和透過(guò)光譜獲得的信息進(jìn)行一定的處理，還能進(jìn)而獲得膜層下的群色散（GD）、群色散延遲（GDD）和吸收損耗等信息。我們將在之后的專題中詳細(xì)說(shuō)明。
三、反射/透過(guò)光譜圖怎么看
反射/透過(guò)光譜代表反射率/透過(guò)率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律。所以一般情況下，反射/透過(guò)光譜圖都是以“波長(zhǎng)”作為橫坐標(biāo)，以“反射率/透過(guò)率”作為其縱坐標(biāo)。需要注意一點(diǎn)，在不同坐標(biāo)系下，將譜線形狀直接對(duì)比是沒(méi)有意義的。
光譜曲線是我們能看到的最直觀的光譜信息表達(dá)形式。以下舉了三個(gè)例子來(lái)說(shuō)明如何從光譜圖上直接讀到信息。
1、簡(jiǎn)單的寬帶平坦光譜曲線
此類光譜曲線十分簡(jiǎn)單明了，但是最為典型。我們可以看出譜線的線型呈現(xiàn)倒U狀，頂部極其平坦。如圖2 的紅字標(biāo)注我們可以看到該曲線的頂點(diǎn)的坐標(biāo)在（536，99.997）附近。說(shuō)明該曲線的峰值，即反射率的最大值在99.997%左右，峰值波長(zhǎng)在536nm附近。但是對(duì)于一個(gè)寬帶光譜來(lái)說(shuō)，比起單點(diǎn)峰值，我們更應(yīng)該關(guān)注一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率值。假定框選500-560nm波長(zhǎng)范圍，如藍(lán)字標(biāo)注所示，我們可以清楚地看到，該段光譜曲線全部位于99.99%以上。由數(shù)據(jù)可以看出該層膜十分適用于500-560nm內(nèi)綠光的高反且要求穩(wěn)定的應(yīng)用場(chǎng)合。
2、多條含小起伏的光譜曲線
有些光譜曲線并不如圖2那樣直接，如圖3所示。圖3包含兩條曲線，從圖3的中心我們可以看出灰線為0°入射，藍(lán)線為5°入射（AOI = angle of incidence）。通過(guò)圖像可以發(fā)現(xiàn)兩條曲線近乎重疊，由此可以推斷在小角度入射角變化下，光譜與入射角近似不相關(guān)。所以此類膜系可適用于小角度斜入射的光學(xué)應(yīng)用。
再?gòu)膯螚l曲線，如灰線，與圖2曲線相比顯得不是那么平坦。但從圖中我們依舊可以看出，495-570nm范圍內(nèi)反射率小于等于1.3%；500-570nm范圍內(nèi)反射率小于等于0.7%；525-565nm范圍內(nèi)反射率低至0.4%以下。從哪個(gè)范圍讀數(shù)據(jù)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，若客戶需求應(yīng)用于532nm的大于99%透過(guò)率的鍍膜，該光譜圖所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品就能很好地滿足需求。故光譜圖能做到輔助個(gè)性化的選擇。
3、大起伏有明顯峰值的光譜曲線
有部分光譜曲線并不適用于寬帶的應(yīng)用場(chǎng)景，它們普遍有較窄的穩(wěn)定范圍，較大的起伏和明顯的峰值，如圖4所示。該光譜曲線有兩個(gè)明顯的特征點(diǎn)，分別位于808nm和1064nm附近。此兩點(diǎn)的反射率近乎接近于0，即有極高的透過(guò)率。所以該光譜所代表的膜層可很好地應(yīng)用于808nm和1064nm的窄帶高透過(guò)應(yīng)用如分光鏡。
四、增透膜和增反膜的光譜圖的區(qū)別是什么
光線照射到一個(gè)界面產(chǎn)生反射、透射和吸收，根據(jù)能量守恒定律，入射光=反射光+透射光+吸收損耗。反射率R和透射率T分別為反射光和透射光相較于入射光的比值，吸收率A為吸收損耗相較于入射光的比值，故可以得出R=1-T-A。若已知增透膜的的吸收損耗為0或接近于0，增透膜的透過(guò)光譜同樣可以用反射光譜來(lái)表示（需要注意的是，透射光譜并不能完全使用反射光譜做替代，若做相關(guān)實(shí)驗(yàn)，仍需要考慮吸收的影響，后續(xù)會(huì)有專題對(duì)吸收損耗做詳細(xì)說(shuō)明）。Crylink的規(guī)格表中增透膜（AR膜）和增反膜（HR膜）基本統(tǒng)一使用反射光譜作為呈現(xiàn)指標(biāo)。增透膜的反射光譜一般呈現(xiàn)正U的形狀，增反膜的反射光譜一般呈現(xiàn)倒U的形狀，如前圖1所示。增反膜的反射光譜曲線數(shù)值越大反射率越大，質(zhì)量越好；增透膜的反射光譜曲線數(shù)值越小透過(guò)率越大（假設(shè)吸收極小），質(zhì)量越好。
五、相關(guān)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)是什么意思
1、反射率（reflection）：
反射率是一個(gè)參數(shù)，用于描述傳輸介質(zhì)中的阻抗不連續(xù)性反射了多少波。我們將從界面反射功率與入射功率的分?jǐn)?shù)稱為反射率（或功率反射系數(shù)）R。
反射率取決于光的波長(zhǎng)，入射光和反射光的方向，光的偏振，材料的類型（金屬，塑料等），材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，以及材料及其表面的狀態(tài)（溫度，表面粗糙度，氧化和污染程度）等。
2、透過(guò)率（transmittance）：
我們將折射到第二介質(zhì)中的透過(guò)功率與入射功率的分?jǐn)?shù)稱為透過(guò)率（或透射率、功率傳輸系數(shù)）T。
透過(guò)率的取決因素和反射率類似，此處不再做額外贅述。
3、峰值（peak）：
變化波形上的最高點(diǎn)/最低點(diǎn)（對(duì)于反射光譜，增反膜看最高點(diǎn)和增透膜看最低點(diǎn)）。
4、峰值波長(zhǎng)（peak wavelength）：
在反射光譜中，峰值波長(zhǎng)是達(dá)到反射率最大值的單一波長(zhǎng)。通常峰值波長(zhǎng)會(huì)被當(dāng)做特定設(shè)計(jì)波長(zhǎng)(DWL)。
5、帶寬（bandwidth）：
帶寬是一個(gè)波長(zhǎng)范圍，用于表示頻譜中入射能量透過(guò)或反射在光學(xué)元件界面的特定部分。帶寬又稱為半高全寬（一般用于濾波元件中）。
6、半高全寬（FWHM）：
半高全寬描述光學(xué)元件傳輸?shù)念l譜帶寬。該帶寬的上限和下限是在達(dá)到反射率/透過(guò)率的50%時(shí)的波長(zhǎng)下定義的。10nm或更低的半高全寬被認(rèn)為是窄帶，通常用于激光凈化和化學(xué)檢測(cè)；25-50nm的半高全寬經(jīng)常用于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用；超過(guò)50nm的半高全寬被認(rèn)為是寬帶，通常用于熒光顯微鏡應(yīng)用。
7、波長(zhǎng)范圍（wavelength range）：
波長(zhǎng)范圍用來(lái)描述一個(gè)波長(zhǎng)到另一個(gè)波長(zhǎng)中間的值。光學(xué)元件的選取通常依賴于客戶所需的波長(zhǎng)范圍的應(yīng)用。
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- [1] 袁波，楊青. 光譜技術(shù)及應(yīng)用[M]. 浙江：浙江大學(xué)出版社，2019
- [2] Reflection coefficient.
- [3] Optical Filters.
- [4] 反射鏡.
- [5] Anti-Reflection (AR) Coatings.
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