一.导论

反射镜是最常用的光学元件之一。在小型实验室装置、工业应用以及大型光学系统中都会使用到反射镜。反射镜利用反射原理来改变光的方向、聚焦和收集光。反射镜由直接沉积在基底（比如玻璃）上的金属膜或者介质膜组成，普通反射镜是在玻璃后表面镀膜。光学反射镜的反射表面可能受到环境条件的影响。因此，选择反射镜时必须考虑耐久性和抗损伤性，以及反射镜对特定波长的反射程度。本文介绍反射的基本原理，并讨论反射镜的重要光学属性。

二.反射

通常，当光到达两种介质之间的界面时（参见图1），一部分光被反射回原始（入射）介质，一部分光被透射并折射到第二介质中。事实上在任一介质中都可能存在光的吸收，本文假设是非吸收介质。反射光的方向由两个定律决定：1. 入射光线、反射光线和界面的法线位于同一平面内；2. 在入射平面中，入射角 θi 等于反射角 θrfl。反射可以在光滑的表面发生，例如在反射镜表面（称为镜面反射），也可以发生在粗糙不平坦表面（称为漫反射或散射）。尽管这两者都遵循相同的反射定律，但是镜面反射令光线作为整体以相同的角度反射，而漫反射则在方向随机的表面上以不同的角度出现。因此，镜面反射能够实现光线的重新定向。

图1 平面界面上反射定律图示。

入射光在界面处被反射或者透射的比例由菲涅耳方程描述，并且取决于入射角以及入射介质的折射率（n1）和折射介质的折射率（n2）。入射光在界面被反射的比例称为反射比或者反射率（R），而在第二介质中折射的比例称为透射比或者透射率（T）。假设两种介质都是非吸收性介质，R 和 T 的总和一定是 1。据此，如果已知一种介质后就能推出另外一种介质的信息。此外，入射光的不同线性偏振分量具有不同的 R 和 T 值。对于垂直入射的光，即 θi =0，菲涅耳方程大大简化。垂直入射时，公式中 R 不再依赖于角度和偏振（T 与 R 互补），只与折射率相关：

折射率为复数，具有实部（与折射相关）和虚部（与跃迁吸收横截面相关）。此外，折射率还与波长（或者色散）相关。因此，R 与界面两侧的材料特性密切相关，下面的反射镜特性部分将详细阐述。

由平面表面构成的反射镜，如图 1 所示，是光学系统中引导光通过合适路径的重要元件。可以将反射镜加以组合，形成称为回射镜或者三角棱镜等光学元件。这些元件由三个彼此垂直的镜面组成。无论入射角如何，这种几何结构都能够实现 180° 的光的反射，几乎不需要对准。除了固定的反射镜之外，还可以通过旋转平面反射镜系统来实现快速重新定向，例如扫描仪中的系统，或者显示器中用于切换的具有微型反射镜的小型系统。曲面镜（也称为凹面反射镜）可以用来实现光的收集、聚焦和成像，如图 2 所示。凹面反射镜比透镜更具优势，因为它们在无需再聚焦的情况下在很宽波长范围内都可使用。原因在于：反射是发生在光学元件的表面，而不是像透镜那样光束穿过光学元件，因此不存在折射率引起的色散。简单的球面反射镜可用于收集焦点（位于镜子的曲率半径的一半处）处光源的辐射，并将其反射为平行于光轴的准直光束。但是球面镜存在球面像差，因此可以使用抛物曲面作为替代，用于准直来自焦点的光或者聚焦来自准直光束的光（见图 2）。椭圆表面可以将光从一个焦点聚焦到另一个焦点（参见图 2）

图 2 可实现光收集和聚焦的不同表面形状的曲面反射镜。抛物面反射镜将来自焦点的光反射成一束准直光（左）。离轴抛物面反射镜重新聚焦偏离光轴的准直光束（中）。椭圆面反射镜将光从一个焦点反射到第二个通常是在外部的焦点（右）。

三.反射镜的特性

为应用选择合适的反射镜需要考虑许多因素，包括反射率、激光损伤、镀膜的稳定性、基底的热膨胀、波前畸变、光的散射和成本。反射镜的特性取决于光学镀膜、基底和表面质量。镀膜决定了镜子的反射率和稳定性，是反射镜最关键的部件。反射镜膜通常由金属材料或者介电材料制成。反射镜较为常见的应用情况是光从空气（n1 = 1）入射到材料膜层上时，由上面公式给出的反射率仅取决于材料的折射率（n2）。由于其导电性，金属材料的折射率为复数，在很宽的波长范围内虚部很大。这产生了对波长不敏感的高反射率，使得金属反射镜具有光泽外观。金属膜层通常由银、金或者铝制成，得到的反射镜可以在很宽的光谱范围内使用（见图 3）。金属膜层相对较软，因而容易损坏，清洁时必须特别小心。电介质膜层的反射镜更耐用，更易于清洁，且损伤阈值更高。然而，由于其色散作用且折射率主要是实部，电介质反射镜的反射光谱窄，通常用于 VIS 和 NIR 光谱区域。与金属膜层相比，电介质膜层的设计具有更大的灵活性。与金属反射镜相比，电介质反射镜能够在某些光谱范围内提供更高的反射率，并可提供定制的光谱响应（见图 3）。

图 3 具有宽带反射率的银反射镜的反射光谱（左）和有两个窄反射带的电介质膜激光线反射镜（右）

膜层沉积的基底大多是电介质材料 ，这些基底控制反射镜的热膨胀和透射特性。某些材料（PYREX硼硅酸盐玻璃或者熔融石英）的热膨胀系数低于其他材料（N-BK7 光学玻璃），但也必须考虑材料的成本和抛光的容易程度。如果不需要光从基底透过，则通常会研磨基底背面以防止意外透射。对于透射镜而言，具有均匀折射率的基底材料十分重要，例如，熔融石英。

在沉积光学膜层之前，必须对基底表面进行研磨并且抛光成合适的形状（平面或者曲面）。特定的应用需要特定的反射镜参数，反射镜的表面质量和平整度决定了其保真度。表面平整度通常以波长为单位，例如，在镜子的整个可用面积上，平整度为 λ /10。当保持波前至关重要时，应该选择平整度为 λ /10—λ /20 的反射镜，而要求较低的应用可以选择平整度为 λ /2—λ /5 的反射镜，相关的成本也随之降低。表面质量通常取决于表面上随机局部缺陷的严重程度。这些通常根据“划痕和麻点”规格来量化，例如，20-10，取值较低表示表面质量更高，因而散射更低。对于高精度表面，例如激光腔内的表面，可能需要10-5 的划痕- 麻点规格，产生的散射光非常少。根据不规则性、表面粗糙度和外观缺陷的表面抛光公差，使用最先进的计量设备来验证。这些相同的参数和程序可用来评估其他光学元件（如透镜或者窗片）的质量和平整度。

来源：MKS 光电解决方案