常见光学反射镜及其应用场景(1)
2022-05-11
反射镜是一种基于反射定律工作的光学元件,主要用于光束转折,干涉测量、成像或照明等。反射镜的特性取决于光学镀膜、基底和表面质量。制作的标准工艺是在高度抛光的基底材料上镀膜,基底材料和镀膜使用的材料和工艺的不同,生产出来的光学反射镜性能也会有所不同。基底常见材料有N-BK7光学玻璃、熔融石英、浮法玻璃等。光学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。
反射镜按形状可分为平面反射镜、球面反射镜和非球面反射镜三种;按反射程度,可分成全反反射镜和半透半反反射镜(又名分束镜)。瓦力棋牌瓦力将对主要的两类反射镜,金属膜反射镜和介质膜反射镜进行简述,今天主要讨论金属膜反射镜。
金属反射镜光学原理
介电常数是决定电磁波传播性质的重要参数,介电常数的实部对应于光传播时电场振幅的比例,而虚部则对应于光的能量损耗。金属的介电常数可以用Drude色散模型来描述,也称为自由电子气模型。根据Drude色散模型,金属的相对介电常数\( \varepsilon \)为:
\( \varepsilon(\omega)=1-\frac{\omega_{P}^{2}}{\omega^{2}+i \beta \omega} \)
\( \beta \) 为电子速度的衰减常数,\( \omega \) 为入射光频率,\( \omega_P \) 称为自由电子所形成的等离子体的振荡固有角频率,可表示为
\( \omega_{P}^{2}=\frac{n e^{2}}{\varepsilon_{0} m_{0}} \)
\( e \) 是电子的电荷,\( n \) 是电子的密度,\( \varepsilon_0 \) 是真空中的介电常数,\( m_0 \) 是电子的质量。\( \varepsilon(\omega) \) 的实部 \( \varepsilon^{\prime} \) 和虚部 \( \varepsilon^{\prime \prime} \) 分别为:
\( \varepsilon^{\prime}=1-\frac{\omega_{P}^{2}}{\omega^{2}+\beta^{2}}, \quad \varepsilon^{\prime \prime}=\frac{\beta}{\omega} \frac{\omega_{P}^{2}}{\omega^{2}+\beta^{2}} \)
而金属的复折射率\( n(\omega) \)可表示为:
\( n(\omega)=n+i k=\sqrt{\varepsilon(\omega)} \)
式中实数部分\( n \)为金属的折射率,它决定于光波在吸收性介质中的传播速度;虚数部分的\( k \)决定光波在金属中传播时的衰减(光能的吸收),叫做消光系数,其中
\( \varepsilon^{\prime}=n^2-k^2,\quad \varepsilon^{\prime \prime}=2nk \)
一般金属膜都具有较大的消光系数。当光束由空气入射到金属表面时,进入金属内的光振幅迅速衰减,使得进入金属内部的光能相应减少,而反射光能增加。同时消光系数越大,进入金属内部的光能吸收越大,导致反射率降低,这也是金属反射镜存在吸收的原因。一般选择消光系数较大,光学性质较稳定的金属作为金属膜材料。

金属膜反射镜分类
金属膜反射镜,即在基片上镀一层金属膜层,用来实现对光的反射。金属膜具有非常宽的反射光谱带,但是常伴有一定的光吸收。市场中较多的光学金属膜反射镜主要为铝膜反射镜、金膜反射镜和银膜反射镜。
1.铝膜反射镜
一般是在高精度抛光的平面基片上蒸镀铝膜,这类反射镜的使用不受光线入射角的限制。根据实际使用场景的不同,生产中会对铝膜反射镜做出细微的调整,如:只蒸镀铝膜的、为了防止损伤在铝膜上镀有保护膜的、为了提高在紫外波段反射率镀有保护膜的以及在平行平面基板上镀有保护膜的四种反射镜。从紫外到红外波段都有比较高的反射率(>90%),光学膜层相对其他金属材料较为牢固。
瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予带保护层的铝膜,在450 - 700 nm波长范围内反射率大于93%,产品实物如图2所示。此外,瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予250 - 600 nm工作波长范围内反射率大于90%的紫外增强平面/凹面铝膜反射镜。

2.金膜反射镜
金膜反射镜一般应用于近红外、红外宽谱区,在制备金膜反射镜时选用导热系数高、金膜附着力强和耐热性好的硅基基底或者浮法玻璃。实际使用的过程中金膜对红外、近红外的光线反射率很高,没有反射的光线会被金膜全部吸收,不会透过基板,金膜反射镜的强度和稳定性比银膜反射镜好。
瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予带保护层覆盖的金膜,在650 nm - 20.0 μm工作波长范围内,平均反射率大于96%,有不同尺寸圆形和方形反射镜可供选择。

3.银膜反射镜
银膜在可见光到红外波段都有不错的反射率。银膜反射镜与铝膜反射镜相比,在可见光到红外波段的反射率要更高一些;与介质膜反射镜相比,不会受光线入射角的影响。银膜与光学玻璃基片的附着力差,制备时会在银膜上再镀一层保护膜,延缓银膜氧化,增加其使用寿命。

瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予带二氧化硅保护层的银膜反射镜,在450 nm - 20.0 μm工作波长范围内平均反射率大于96%,有圆形、方形和D形反射镜可供选择。瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX还给予斜面镀银膜的直角棱镜反射镜,在450 - 2000 nm的波长范围内平均反射率大于 97.5%,在2 - 20 μm的波长范围内平均反射率大于96%;在工作波长范围内具有很低的内在群延迟色散 (GDD),非常适用于重定向飞秒激光。

金属膜反射镜经济实惠,可以在宽波段范围内使用,并且可以在所有入射角度下使用,但是金属膜有吸收、反射率稍微降低,容易受损,清洁时必须特别小心。金属膜反射镜主要用于简单的光学系统、使用低输出激光的光学系统、白光照明系统或成像系统、红外光学系统(金膜反射镜)。对于实际使用场景,金属膜反射镜根据外形可以分为平面反射镜、球面反射镜,非球面反射镜。平面反射镜,即反射面为平面,反射面可以是前表面也可以是后表面;球面反射镜,即反射光源的那一面是球面,分成凸面和凹面两种,平行入射光线经球面反射可以会聚到一点;非球面反射镜,即镜面非平面又非球面的反射镜,其中抛物面镜、双曲面镜和椭球面镜使用得最多。