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反射镜:光学的神奇之镜

2024-07-11 13:56| 发布者: | 查看: |

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

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