互动科普

清晨，当清脆的闹铃声终结了美梦，你睁开眼睛，房间内的家具、电器，窗外的草木、行人，一切都那么清晰，新的一天即将开始。

不过展现在眼前的绝大部分物体自身并不会发光，你之所以能够清楚地看到它们，是因为照射到它们表面的日光或者灯光发生了反射，并为我们的眼睛所感知。所以，在看到“缤纷色彩显出的美丽”时，我们或许应该感谢反射。

然而在另外一些时候，你对反射不仅没有丝毫感激之情，还恨不得它彻底消失。这种情况下，你需要一位好帮手——增透膜。顾名思义，增透膜只需要薄薄的一层膜就可以显著削弱光的反射、增强透射。那么它究竟是如何发挥作用的？在回答这个问题之前，我们首先应该弄清楚，反射为什么有的时候会如此令人讨厌？

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，要么被它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真正需要的，例如窗玻璃、眼镜片和光学透镜需要让光线尽可能多地穿透它以进入人眼或者光学仪器，太阳能电池则希望吸收更多的日光并将它转化为电能。此时，我们当然希望反射越微弱越好。

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得越大，光在它们界面上的反射就越明显。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，也就是通常所说的正入射时，根据菲涅耳方程，被反射的光与总的入射光的比值R= (n1-n2)2/(n1+n2)2。例如玻璃的折射率大约为1.5，那么根据这个公式可算出，当光垂直照射到空气和玻璃表面上时，大约只有4%会被反射。由于玻璃对可见光几乎没有吸收，因此剩下的96%都会穿透玻璃。

这样看来，反射似乎是微不足道的，为什么还要采取措施来减弱它？

首先，许多材料的折射率要比玻璃大得多，在它们的表面，反射自然会变得更加明显。前面提到的太阳能电池就是一个很好的例子。目前应用比较广泛的太阳能电池主要使用晶体硅来将太阳能转化为电能，而可见光和红外线在硅中的折射率可达3.4甚至更高，不难算出，在垂直入射的情况下，大约有30%的入射光会被直接反射掉而没有机会被转化为电能，这是相当大的损失。

图1. 一些常见材料对波长为550纳米的光（黄色）的折射率

某种物质的折射率为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。根据这个定义，我们不难看出真空的折射率是1。光在空气中的传播速度与它在真空中的速度非常接近，所以空气的折射率也可以近似看作1。而对于各种固体或者液体的材料，一般来说，光在它们中传播时速度总会变慢，因此这些材料的折射率总是大于1。一般讨论折射率时指的是可见光（有时也包括紫外线和红外线）的折射率，但折射率的概念对于可见光之外的电磁辐射也适用，另外不同波长的可见光在同一介质中的折射率也不同，称为色散，但其差别通常不大。

其次，即便光在一个界面上发生的反射的程度可能很微弱，但许多这样的界面叠加在一起，由于反射而损失的光仍然是相当可观的。例如，假设一种光学仪器包含三块透镜，也就是有六个空气与玻璃的界面，层层反射的结果就会导致垂直入射的光线只有不到80%能够顺利穿过透镜组，这是相当大的损失，而实际上许多光学仪器包含的透镜更多，这种情况下，我们就不能对反射造成的损失坐视不管。

此外，在一些情况下，对我们有用的透射光来自一个光源，而造成干扰的反射光来自另一个强度更高的光源，那么尽管反射光占入射光的比例很小，总的干扰效果仍然会很明显。一个典型的例子是强光下的电脑屏幕有时会像镜子一样晃眼，使用者根本无法看清屏幕上的内容，这就是因为即便只有一小部分强光被反射，仍然足以强烈干扰显示器的背光。

对于最后这种情况，一个解决办法就是把原本光滑的表面变得粗糙，让反射变得弥散，即用漫反射代替镜面反射。事实上大多数物体表面反射的光并不会让我们觉得刺眼，正是因为它们的表面并不像镜面那样平滑。然而粗糙的结构会让透射光变得发散，造成图像质量下降，因此它的作用颇受局限。

图2. 提高表面的粗糙程度可以让反射光变得不那么刺眼，但也会降低透射光的强度，影响成像质量。

可以看出，在许多光学或者电子产品中，反射造成的干扰是相当严重的。那么如何将反射削弱呢？这要从一个多世纪前英国科学家瑞利的一项发现谈起。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）