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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(cè)量、成像或照明等，是光學(xué)研究中一種重要的元件。昨天我們介紹了金屬膜反射鏡，今天我們繼續(xù)介紹介質(zhì)膜反射鏡的原理及分類(lèi)。

介質(zhì)膜反射鏡光學(xué)原理

介質(zhì)反射膜是建立在多光束干涉基礎(chǔ)上的。與增透膜相反，在光學(xué)表面上鍍折射率高于基體材料的薄膜，就可以增加光學(xué)表面的反射率。最簡(jiǎn)單的多層反射是由高、低折射率的兩種材料交替蒸鍍而成的,每層膜的光學(xué)厚度為某一波長(zhǎng)的四分之一。當(dāng)一束單色平面波入射到光學(xué)薄膜上時(shí)，在它的兩個(gè)表面上發(fā)生多次反射和折射，反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律給出。

對(duì)高低折射率介質(zhì)間隔的λ/4膜系，在某一入射角下達(dá)到最大反射率的條件是一個(gè)周期的光學(xué)厚度是該入射角反射帶的中心波長(zhǎng)的一半，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

\( \lambda_c / 2=t_{H} n_{H} \cos \theta_{H}+t_{L} n_{L} \cos \theta_{L} \)

式中\( \lambda_c \)是入射角為反射帶的中心波長(zhǎng)，\( t_H \)和\( t_L \)分別是兩種介質(zhì)層的物理厚度，\( n_H \)和\( n_L \)是兩種介質(zhì)的折射率，\( \theta_H \)和\( \theta_L \)是介質(zhì)中的折射角。\( t_L=\lambda_0/4n_L \)，\( t_H=\lambda_0/4n_H \)，其中\( \lambda_0 \)是膜系制備的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)。根據(jù)上述理論可以設(shè)計(jì)所需波長(zhǎng)處高反膜。根據(jù)折射定律公式：

\( n_{0} \sin \theta_{i}=n_{L} \sin \theta_{L}=n_{H} \sin \theta_{H} \)

利用上式可得出:

\( \lambda_{c}=\frac{\lambda_{0}}{2}\left(\sqrt{1-\frac{\sin ^{2} \theta_{i}}{n_{L}^{2}}}+\sqrt{1-\frac{\sin ^{2} \theta_{i}}{n_{H}^{2}}}\right) \)

該式反映出反射帶的中心波長(zhǎng)隨著入射角的增加向短波漂移。反射帶隨入射角的變化而變化，隨著入射角增大，兩種偏振方向的光的反射帶向短波飄移，并逐漸分離，s光反射帶增大，p光反射帶減小，這就是介質(zhì)膜反射鏡對(duì)入射角敏感的原因。實(shí)際上，具有周期結(jié)構(gòu)的介質(zhì)高反膜系是一維光子晶體的一個(gè)特例。

介質(zhì)膜反射鏡分類(lèi)

某波段反射率要求高（如反射率大于99%以上），或膜層需要保證非常低的光吸收率，這些場(chǎng)合必須使用介質(zhì)膜層來(lái)實(shí)現(xiàn)高反射鏡，介質(zhì)膜幾乎沒(méi)有吸收，可以承受連續(xù)的激光照射。

介質(zhì)膜反射鏡較為常見(jiàn)的類(lèi)別有寬帶多層介質(zhì)膜反射鏡和激光用多層介質(zhì)膜反射鏡。寬帶多層介質(zhì)膜反射鏡，不僅反射率高，而且可以在寬波段使用，膜層對(duì)光沒(méi)有吸收，膜材較硬不易受損，主要用于精密光學(xué)系統(tǒng)(微弱光或低損失的光學(xué)系統(tǒng))、1 W以內(nèi)的激光光學(xué)系統(tǒng)、使用多波長(zhǎng)激光的光學(xué)系統(tǒng)等。激光用多層介質(zhì)膜反射鏡，反射率同樣也非常高，損失很少，激光損傷閾值很高，不易受損，但是波長(zhǎng)范圍較窄，一般在入射角為45°時(shí)使用，主要用于使用激光的光學(xué)系統(tǒng)、強(qiáng)激光光學(xué)系統(tǒng)。此外，為特殊應(yīng)用，介質(zhì)膜反射鏡可制造為超快反射鏡和諧波分光鏡。

介質(zhì)膜反射鏡更耐用，更易于清潔，且損傷閾值更高，通常用于可見(jiàn)光和中紅外光譜區(qū)域。與金屬反射鏡相比，介質(zhì)反射鏡能夠在某些光譜范圍內(nèi)提供更高的反射率，并可提供定制的光譜響應(yīng)等。然而，介質(zhì)膜反射鏡對(duì)入射角比較敏感，未說(shuō)明的情況下，默認(rèn)的介質(zhì)膜反射鏡的入射角均為 45°。如果角度偏差較大，則反射率可能會(huì)有很大的差異。如標(biāo)稱為45°入射角的介質(zhì)膜反射鏡，一般角度范圍為45±3°，超過(guò)這個(gè)角度，反射率將會(huì)有較大變化。另外，還有一部分介質(zhì)膜，入射角范圍為：0~45°，入射角度不同時(shí)，反射率曲線會(huì)發(fā)生平移，使用時(shí)需要注意。

晶萃光學(xué)JCOPTIX提供以紫外熔融石英為基底，在400-1650 nm工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)平均反射率大于99%的介質(zhì)膜反射鏡（45°入射角），有不同直徑的圓形、橢圓形、正方形和D形反射鏡供選用。晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的寬帶介質(zhì)膜直角棱鏡反射鏡能夠在400-1100 nm可見(jiàn)至近紅外波段實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)或精密校準(zhǔn)，反射率均大于99%。對(duì)于特殊應(yīng)用場(chǎng)景，晶萃光學(xué)JCOPTIX為0°到45°角入射的1064 nm的基頻光、532 nm的二倍頻、355 nm的三倍頻和 266 nm 的四倍頻激光線提供Nd:YAG 反射鏡，對(duì)s和p偏振光均具有高反射率；還有專為使用各種激光器的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低群延遲色散 (GDD) 超快反射鏡，以及為分離45°入射的Nd:YAG激光的諧波而設(shè)計(jì)的諧波分束器。

其他反射鏡

除金屬膜反射鏡和介質(zhì)膜反射鏡以外，采用全反射和折射原理的棱鏡反射鏡也較為常見(jiàn)，棱鏡可分為簡(jiǎn)單棱鏡、屋脊棱鏡、道威棱鏡、復(fù)合棱鏡等。棱鏡反射鏡本身有較大的接觸面積，且有45°、90°等典型角度，易于調(diào)整，對(duì)于機(jī)械應(yīng)力具有更好的穩(wěn)定性。棱鏡用于改變光束出射方向，縮小儀器體積、轉(zhuǎn)像、倒像、便于觀察。

晶萃光學(xué)提供多種棱鏡以及棱鏡反射鏡。如在斜面鍍反射膜的直角棱鏡反射鏡OPRR系列，屋脊面鍍反射膜的中空屋脊反射棱鏡OPHR系列，未鍍膜直角棱鏡OPR系列、未鍍膜道威棱鏡以及五角棱鏡等。上述多種規(guī)格棱鏡均可在特定光路中用作反射鏡使用。

為了獲得更高的反射率，以及針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，還可以在金屬反射膜表面加鍍介質(zhì)膜層，成為金屬介質(zhì)反射鏡。為獲得完全線偏振光，可采用布儒斯特角反射鏡。布拉格反射鏡同樣也是一種選擇，其可由不同材料疊層組成，理論上隨著周期數(shù)的增多，反射率可達(dá)到99.999999%以上。然而，由于制備過(guò)程有一定的膜厚誤差和材料界面不平整等原因，最終會(huì)引入一些散射損耗。此外，亞波長(zhǎng)光柵通過(guò)導(dǎo)模共振機(jī)制，理論上可以得到完美100%的反射。但是，還是實(shí)際制備的原因，會(huì)引入散射損耗，對(duì)共振結(jié)構(gòu)而言，損耗對(duì)反射率的影響更大，因此較難達(dá)到99.999%的水平。