增透膜到底是怎么回事

薛王山

    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，要么被他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需要的，例如光学透镜需要光线尽可能地多穿透它以进入人眼或光学仪器。此时我们希望反射越微弱越好。

     折射率指光在真空中的传播速度除以光在这种物质中的传播速度得到的比值。光反射之所以会发生，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越大，光在它们界面上的反射越明显。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，即正射入，根据菲涅尔方程，被反射的光与总的射入的光的比值R=(n1-n2)/(n1+n2)。例如玻璃折射率大约为1.5，空气折射率约为1，根据公式，光正射入玻璃，大约只有4%会被反射掉。由于玻璃对可见光几乎没有吸收，因此剩下的96%都会穿过玻璃。

     如此，反射几乎微不足道，为什么要费力去减弱反射？

     首先，许多材料的折射率要比玻璃大得多，在它们的表面，反射自然会十分明显。比如广泛应用于太阳能电池板的晶体硅，其折射率可达3.4甚至更高。在正射入时，根据方程，大约有30%的光被反射掉，这是很大的损失。

     其次，即使光在一个界面上发生的反射微弱，但许多界面叠加在一起，因反射而损失的光依然是可观的。一个三块透镜六个界面的光学仪器，只有不到80%的光线可以穿过透镜组，这是很大的损失。而实际上许多仪器的透镜会更多。
   

薛王山

多一道界面，少一点反射
  约翰·斯特拉特是著名物理学家。19世纪80年代的一天，他意外发现，存放时间较长的镜片居然比新做出来的镜片能够透过更多的光线。仔细观察后他发现，镜片在存放过程中，在空气作用下，表面的化学组成发生了变化。也就是说，玻璃表面多了一层材料后，对光的反射会减弱！
  这个现象似乎是违背直觉的，光在传播中遇到的界面越多，应该有越多的光被反射掉才对啊！但实际上，约翰发现，这层材料有个很重要的特点：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，正射入的光线又4%被反射。如果我们在玻璃的表面覆盖一层折射率为1.25的材料A，会发生什么呢？不难算出，光正射入时，在空气与A的界面，有1.2%的光被反射，剩下的98.8%的光线顺利进入A。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，与空气与玻璃直接接触相比，填上一层材料能够让界面上的反射减弱一半！
  这个计算结果告诉我们一个有趣的事实：如果A材料的折射率介于B材料与C材料之间，吧A置于B和C之间，就能让更多的光从B进入C。也就是说，界面越多，反射反而更加微弱。通过简单的计算，可以发现增透材料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，这样增透效果最佳。对于空气与玻璃，这意味着增透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。目前常用于玻璃表面的增透膜是氟化镁，它的折射率在1.37左右，在正射入时，可以将反射光从4%降低到2.6%左右。这个数字距离最佳增透结果还有差距，但可以接受，加之成本低廉、易于加工等优点，是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或影响其他光学性能，因此将他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，研究人员才找到简单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。
                                                

   
                                   普通镜片（左）和覆盖了增透膜的镜片（右），可见增透膜可以明显减弱反射的程度

薛王山

复眼的秘密
  人们还希望在增透膜基础上进一步降低光在界面上的反射。这个要求能实现吗？
  研究人员发现，光在蛾子眼睛表面的反射极其微弱，对于这些在夜晚活动的昆虫，这既可以帮助他们在昏暗的月光下看清环境，也可以避免由于眼睛反光而被天敌发现。那么蛾子究竟是凭借着什么方法减弱光在眼睛表面的反射呢？
                                          

  和其他昆虫一样，蛾子的眼睛也是复眼，即有许许多多直径只有几十微米的单眼组成。如果我们用扫描电子显微镜观察，就会发现这些单眼并不是平滑的，而是布满了许多高几十纳米，直径和间距都不到100纳米的矮柱，而且这些柱子上顶部较窄，底部则略宽，而正是这些微观结构让光在蛾子复眼表面的反射降到微乎其微的程度。
  在前面我们提到，如果在玻璃表面覆盖一层折射率为1.25的材料A构成的薄膜，能让更多的光进入玻璃。如果我们在A的薄膜表面再覆盖一层材料B的薄膜，让B的折射率介于A和空气之间，例如等于1.1，那么不难看出，总的反射将会变得更弱。
  接下来我们在薄膜A和玻璃之间也插入一层新的薄膜C，让它的折射率介于A和玻璃之间，则反射将进一步减弱。只要不断重复这一过程，在原先界面的两种材料之间插入折射率居中的薄膜，那么虽然发生反射的界面越来越多，而总的反射程度却能愈加削弱。如果覆盖在玻璃表面的薄膜层数足够多，那么薄膜界面间的反射也就越加不明显，而是相当于一层折射率逐渐过渡的材质。光也在“不知不觉”间就离开空气进入玻璃了。这种连续变化的折射率正是削弱反射的有力武器。
  蛾子复眼表面的微观结构正是利用了这个原理。虽然我们在显微镜下能够清晰看到许多纳米尺度的小圆顶，但由于它们的尺寸比光的波长还要小，因此对于光线来说，可等同于一种折射率介于生物体和空气之间的物质，具体数值相当于其中两只物质折射率按所占比例的加权平均。这样，我们可以把这种微观结构看成一层层薄膜叠加在一起：这些矮柱上小下大，从上至下空气所占比例越来越小，相当于每层薄膜的折射率从空气到眼睛逐渐变化，因此反射的程度自然十分微弱。有趣的是，这种微观结构对水具有很强的排斥作用，能尽量避免水汽凝结在蛾子眼睛表面影响视线。

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超级增透膜
     实际上，人们很早就知道折射率呈梯度或者连续变化的材料是降到反射的最佳途径，但由于低折射率的固体材料比较少见，因此一直苦于找不到合适途径来实现。而蛾子复眼的独特结构让科学家茅塞顿开，原来借助于纳米结构，问题就可以迎刃而解了。随着纳米技术的发展，关于新型增透膜的研究如雨后春笋一样涌现。例如要让常规的固体材料折射率低达1.07近乎天方夜谭，但如果将许多纳米尺度的二氧化硅小柱子排列在一起，只要保证足够多的空气充斥其间，就可以很容易做到这一点。



                                         

      上图为采用纳米结构的新型增透膜的示意图和电镜照片，n为材料的折射率，t为材料厚度，下图为增透效果，可以看出，采用薄膜干涉的原理的增透膜仅对特定波长起最佳效果，而纳米结构能够进一步提高增透效果。

     除了更好地挖掘纳米技术的潜力，关于增透膜还有其他许多方面也需要我们继续探索。例如，一更加简单廉价的方式将增透膜覆盖到各种材料表面，提高增透膜的耐久性，甚至让增透膜身兼数职，既能削弱反射，还能防止污垢和微生物附着等。这一技术经过了上百年的发展，依然以独特的魅力吸引着众多研究人员为它奉献汗水和智慧。下一次拿起望远镜、相机或使用电脑屏幕时，不要忘记增透膜的功劳。