一、什么是反射/透過光譜
光譜是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果。當光照射到一個界面會發(fā)生反射、透射或吸收，不同波長的光會產(chǎn)生不同程度的反射或透射以及吸收損耗。于是，不同波長的光通過同一界面的作用，在接收端就會接收到不同的光的強弱信號。將這些不同的波長下接收到的光的信息繪制成譜線，即我們通常所說的光譜。研究反射光線隨波長的變化曲線稱為反射光譜；研究透射光線隨波長的變化曲線稱為透射（透過）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)每一個波長的反射率/透過率；
- 我們能看出一個膜層的反射率/透過率的峰值和峰值波長，這對于我們選擇窄帶激光窗口片等起關鍵作用；
- 對于寬帶應用，我們可以看到膜層作用的波長范圍以及是否穩(wěn)定平坦；
- 通過多光譜在同一坐標系下的繪制，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^反射光譜和透過光譜獲得的信息進行一定的處理，還能進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說明。
三、反射/透過光譜圖怎么看
反射/透過光譜代表反射率/透過率隨波長的變化規(guī)律。所以一般情況下，反射/透過光譜圖都是以“波長”作為橫坐標，以“反射率/透過率”作為其縱坐標。需要注意一點，在不同坐標系下，將譜線形狀直接對比是沒有意義的。
光譜曲線是我們能看到的最直觀的光譜信息表達形式。以下舉了三個例子來說明如何從光譜圖上直接讀到信息。
1、簡單的寬帶平坦光譜曲線
此類光譜曲線十分簡單明了，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 的紅字標注我們可以看到該曲線的頂點的坐標在（536，99.997）附近。說明該曲線的峰值，即反射率的最大值在99.997%左右，峰值波長在536nm附近。但是對于一個寬帶光譜來說，比起單點峰值，我們更應該關注一定波長范圍內(nèi)的反射率值。假定框選500-560nm波長范圍，如藍字標注所示，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)定的應用場合。
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，藍線為5°入射（AOI = angle of incidence）。通過圖像可以發(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。所以此類膜系可適用于小角度斜入射的光學應用。
再從單條曲線，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。從哪個范圍讀數(shù)據(jù)需要根據(jù)實際應用，若客戶需求應用于532nm的大于99%透過率的鍍膜，該光譜圖所對應的產(chǎn)品就能很好地滿足需求。故光譜圖能做到輔助個性化的選擇。
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用場景，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。該光譜曲線有兩個明顯的特征點，分別位于808nm和1064nm附近。此兩點的反射率近乎接近于0，即有極高的透過率。所以該光譜所代表的膜層可很好地應用于808nm和1064nm的窄帶高透過應用如分光鏡。
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，增透膜的透過光譜同樣可以用反射光譜來表示（需要注意的是，透射光譜并不能完全使用反射光譜做替代，若做相關實驗，仍需要考慮吸收的影響，后續(xù)會有專題對吸收損耗做詳細說明）。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。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)值越小透過率越大（假設吸收極小），質(zhì)量越好。
五、相關關鍵術(shù)語是什么意思
1、反射率（reflection）：
反射率是一個參數(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數(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，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、透過率（transmittance）：
我們將折射到第二介質(zhì)中的透過功率與入射功率的分數(shù)稱為透過率（或透射率、功率傳輸系數(shù)）T。
透過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/最低點（對于反射光譜，增反膜看最高點和增透膜看最低點）。
4、峰值波長（peak wavelength）：
在反射光譜中，峰值波長是達到反射率最大值的單一波長。通常峰值波長會被當做特定設計波長(DWL)。
5、帶寬（bandwidth）：
帶寬是一個波長范圍，用于表示頻譜中入射能量透過或反射在光學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）：
半高全寬描述光學元件傳輸?shù)念l譜帶寬。該帶寬的上限和下限是在達到反射率/透過率的50%時的波長下定義的。10nm或更低的半高全寬被認為是窄帶，通常用于激光凈化和化學檢測；25-50nm的半高全寬經(jīng)常用于機器視覺應用；超過50nm的半高全寬被認為是寬帶，通常用于熒光顯微鏡應用。
7、波長范圍（wavelength range）：
波長范圍用來描述一個波長到另一個波長中間的值。光學元件的選取通常依賴于客戶所需的波長范圍的應用。
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- [1] 袁波，楊青. 光譜技術(shù)及應用[M]. 浙江：浙江大學出版社，2019
- [2] Reflection coefficient.
- [3] Optical Filters.
- [4] 反射鏡.
- [5] Anti-Reflection (AR) Coatings.
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