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常見光學(xué)反射鏡及其應(yīng)用場景（1）
2022-05-11
反射鏡是一種基于反射定律工作的光學(xué)元件，主要用于光束轉(zhuǎn)折，干涉測量、成像或照明等。反射鏡的特性取決于光學(xué)鍍膜、基底和表面質(zhì)量。制作的標(biāo)準(zhǔn)工藝是在高度拋光的基底材料上鍍膜，基底材料和鍍膜使用的材料和工藝的不同，生產(chǎn)出來的光學(xué)反射鏡性能也會有所不同。基底常見材料有N-BK7光學(xué)玻璃、熔融石英、浮法玻璃等。光學(xué)鍍膜決定了鏡子的反射率和穩(wěn)定性，是反射鏡最關(guān)鍵的部件，反射鏡膜通常由金屬材料或者介電材料制成。
反射鏡按形狀可分為平面反射鏡、球面反射鏡和非球面反射鏡三種；按反射程度，可分成全反反射鏡和半透半反反射鏡(又名分束鏡)。我們將對主要的兩類反射鏡，金屬膜反射鏡和介質(zhì)膜反射鏡進行簡述，今天主要討論金屬膜反射鏡。
金屬反射鏡光學(xué)原理
介電常數(shù)是決定電磁波傳播性質(zhì)的重要參數(shù)，介電常數(shù)的實部對應(yīng)于光傳播時電場振幅的比例，而虛部則對應(yīng)于光的能量損耗。金屬的介電常數(shù)可以用Drude色散模型來描述，也稱為自由電子氣模型。根據(jù)Drude色散模型，金屬的相對介電常數(shù)\( \varepsilon \)為：
\( \varepsilon(\omega)=1-\frac{\omega_{P}^{2}}{\omega^{2}+i \beta \omega} \)
\( \beta \) 為電子速度的衰減常數(shù)，\( \omega \) 為入射光頻率，\( \omega_P \) 稱為自由電子所形成的等離子體的振蕩固有角頻率，可表示為
\( \omega_{P}^{2}=\frac{n e^{2}}{\varepsilon_{0} m_{0}} \)
\( e \) 是電子的電荷，\( n \) 是電子的密度，\( \varepsilon_0 \) 是真空中的介電常數(shù)，\( m_0 \) 是電子的質(zhì)量。\( \varepsilon(\omega) \) 的實部 \( \varepsilon^{\prime} \) 和虛部 \( \varepsilon^{\prime \prime} \) 分別為：
\( \varepsilon^{\prime}=1-\frac{\omega_{P}^{2}}{\omega^{2}+\beta^{2}}, \quad \varepsilon^{\prime \prime}=\frac{\beta}{\omega} \frac{\omega_{P}^{2}}{\omega^{2}+\beta^{2}} \)
而金屬的復(fù)折射率\( n(\omega) \)可表示為：
\( n(\omega)=n+i k=\sqrt{\varepsilon(\omega)} \)
式中實數(shù)部分\( n \)為金屬的折射率，它決定于光波在吸收性介質(zhì)中的傳播速度；虛數(shù)部分的\( k \)決定光波在金屬中傳播時的衰減（光能的吸收），叫做消光系數(shù)，其中
\( \varepsilon^{\prime}=n^2-k^2,\quad \varepsilon^{\prime \prime}=2nk \)
一般金屬膜都具有較大的消光系數(shù)。當(dāng)光束由空氣入射到金屬表面時，進入金屬內(nèi)的光振幅迅速衰減，使得進入金屬內(nèi)部的光能相應(yīng)減少，而反射光能增加。同時消光系數(shù)越大，進入金屬內(nèi)部的光能吸收越大，導(dǎo)致反射率降低，這也是金屬反射鏡存在吸收的原因。一般選擇消光系數(shù)較大，光學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的金屬作為金屬膜材料。
金屬膜反射鏡分類
金屬膜反射鏡，即在基片上鍍一層金屬膜層，用來實現(xiàn)對光的反射。金屬膜具有非常寬的反射光譜帶，但是常伴有一定的光吸收。市場中較多的光學(xué)金屬膜反射鏡主要為鋁膜反射鏡、金膜反射鏡和銀膜反射鏡。
1.鋁膜反射鏡
一般是在高精度拋光的平面基片上蒸鍍鋁膜，這類反射鏡的使用不受光線入射角的限制。根據(jù)實際使用場景的不同，生產(chǎn)中會對鋁膜反射鏡做出細微的調(diào)整，如：只蒸鍍鋁膜的、為了防止損傷在鋁膜上鍍有保護膜的、為了提高在紫外波段反射率鍍有保護膜的以及在平行平面基板上鍍有保護膜的四種反射鏡。從紫外到紅外波段都有比較高的反射率（>90%)，光學(xué)膜層相對其他金屬材料較為牢固。
晶萃光學(xué)JCOPTIX提供帶保護層的鋁膜，在450 - 700 nm波長范圍內(nèi)反射率大于93%，產(chǎn)品實物如圖2所示。此外，晶萃光學(xué)JCOPTIX提供250 - 600 nm工作波長范圍內(nèi)反射率大于90%的紫外增強平面/凹面鋁膜反射鏡。
2.金膜反射鏡
金膜反射鏡一般應(yīng)用于近紅外、紅外寬譜區(qū)，在制備金膜反射鏡時選用導(dǎo)熱系數(shù)高、金膜附著力強和耐熱性好的硅基基底或者浮法玻璃。實際使用的過程中金膜對紅外、近紅外的光線反射率很高，沒有反射的光線會被金膜全部吸收，不會透過基板，金膜反射鏡的強度和穩(wěn)定性比銀膜反射鏡好。
晶萃光學(xué)JCOPTIX提供帶保護層覆蓋的金膜，在650 nm - 20.0 μm工作波長范圍內(nèi)，平均反射率大于96%，有不同尺寸圓形和方形反射鏡可供選擇。
3.銀膜反射鏡
銀膜在可見光到紅外波段都有不錯的反射率。銀膜反射鏡與鋁膜反射鏡相比，在可見光到紅外波段的反射率要更高一些；與介質(zhì)膜反射鏡相比，不會受光線入射角的影響。銀膜與光學(xué)玻璃基片的附著力差，制備時會在銀膜上再鍍一層保護膜，延緩銀膜氧化，增加其使用壽命。
晶萃光學(xué)JCOPTIX提供帶二氧化硅保護層的銀膜反射鏡，在450 nm - 20.0 μm工作波長范圍內(nèi)平均反射率大于96%，有圓形、方形和D形反射鏡可供選擇。晶萃光學(xué)JCOPTIX還提供斜面鍍銀膜的直角棱鏡反射鏡，在450 - 2000 nm的波長范圍內(nèi)平均反射率大于 97.5％，在2 - 20 μm的波長范圍內(nèi)平均反射率大于96%；在工作波長范圍內(nèi)具有很低的內(nèi)在群延遲色散 (GDD)，非常適用于重定向飛秒激光。
金屬膜反射鏡經(jīng)濟實惠，可以在寬波段范圍內(nèi)使用，并且可以在所有入射角度下使用，但是金屬膜有吸收、反射率稍微降低，容易受損，清潔時必須特別小心。金屬膜反射鏡主要用于簡單的光學(xué)系統(tǒng)、使用低輸出激光的光學(xué)系統(tǒng)、白光照明系統(tǒng)或成像系統(tǒng)、紅外光學(xué)系統(tǒng)(金膜反射鏡)。對于實際使用場景，金屬膜反射鏡根據(jù)外形可以分為平面反射鏡、球面反射鏡，非球面反射鏡。平面反射鏡，即反射面為平面，反射面可以是前表面也可以是后表面；球面反射鏡，即反射光源的那一面是球面，分成凸面和凹面兩種，平行入射光線經(jīng)球面反射可以會聚到一點；非球面反射鏡，即鏡面非平面又非球面的反射鏡，其中拋物面鏡、雙曲面鏡和橢球面鏡使用得最多。