1.2.2 高反膜的设计

反射膜在光学薄膜中有着重要的地位。近年来，随着LED和激光器行业的快速发展，市场对于高反射薄膜的要求越来越高。普遍要求高反膜具有更高的反射率、更小的吸收率以及更低的散射损耗。相比于吸收率比较大的金属膜，介质高反膜无疑具有更好的光学特性。

对于光学仪器中的反射镜来说，单纯金属膜的特性已能满足常用要求，在某些应用中，若要求的反射率高于金属膜所能达到的数值，则可以在金属膜上加镀额外的介质层，以提高它们的反射率，我们可以称为金属增强型高反膜。为了得到更高抗激光损伤阈值的薄膜，介质增强型金属膜很难达到要求，这是因为金属膜的吸收率比较大，很容易被高能激光损坏，这就需要镀制全介质高反膜，由于这种介质高反膜具有最大的反射率和最小的吸收率，因而在光学薄膜的制备中得到了广泛应用。全介质高反膜的设计方法如下：

在折射率为 n _g 的基片上镀以光学厚度为 λ ₀ /4的高折射率（ n ₁ ）的膜层后，由于空气/膜层和膜层/基片界面的反射光同位相，使反射率大大增加。对于中心波长 λ ₀ 单层膜和基片组合的导纳为 ，垂直入射的反射率为

用高、低折射率交替的每层 λ ₀ /4厚的介质多层膜能够得到更高的反射率。这是因为从膜系所有界面上反射的光束，当它们回到前表面时具有相同位相，从而产生相长干涉。对这样一组介质膜系，在理论上可望得到接近于100%的反射率。

如果用 n _H 和 n _L 表示高、低折射率膜层的折射率，并使介质膜系两边的最外层为高折射率层，其每层的厚度均为 λ ₀ /4，则对于中心波长 λ ₀ 有

式中， n _g 是基片的折射率；2 S +1是多层膜的层数。因而，当光在空气中垂直入射时，中心波长 λ ₀ 的反射率，也即极大值的反射率为

n _H / n _L 的值越大或层数越多，则反射率越高，如果

则

这说明，当膜系的反射率很高时，额外加镀两层将使膜系的透射率缩小（ n _L /n _H ） ² 倍。理论上只要增加膜系的层数，反射率可无限地接近100%。实际上由于膜层中的吸收、散射损耗，当膜系达到一定的层数时，继续加镀两层并不能提高其反射率，相反由于吸收、散射损耗的增加，而使反射率下降。因此，膜系中的吸收和散射损耗限制了介质膜系的最大层数，在设计膜系时要综合考虑吸收和散射带来的影响。

对于高反膜的设计，一般应用多层规整膜系就能满足实际要求。图1-9为设计的膜系G/（HL） ¹⁴ H/AIR的理论反射率曲线，平均理论反射率可以达99.99%以上。

但实际镀制的薄膜，尤其是常规热蒸发下制备的光学薄膜会存在一定的吸收，消光系数不可忽略，因此在薄膜设计中为了得到更优膜系，需要引入薄膜消光系数。引入消光系数后设计的膜系G/（HL） ¹⁴ H/AIR的理论反射率及吸收率曲线如图1-10所示，可见实际反射率有所下降。