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常见光学反射镜及其应用场景(2)

2022-06-08

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,是光学研究中一种重要的元件。昨天瓦力棋牌瓦力介绍了金属膜反射镜,今天瓦力棋牌瓦力继续介绍介质膜反射镜的原理及分类。

介质膜反射镜光学原理

介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反,在光学表面上镀折射率高于基体材料的薄膜,就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射是由高、低折射率的两种材料交替蒸镀而成的,每层膜的光学厚度为某一波长的四分之一。当一束单色平面波入射到光学薄膜上时,在它的两个表面上发生多次反射和折射,反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律给出。

对高低折射率介质间隔的λ/4膜系,在某一入射角下达到最大反射率的条件是一个周期的光学厚度是该入射角反射带的中心波长的一半,数学表达式为:

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

式中\( \lambda_c \)是入射角为反射带的中心波长,\( t_H \)\( t_L \)分别是两种介质层的物理厚度,\( n_H \)\( n_L \)是两种介质的折射率,\( \theta_H \)\( \theta_L \)是介质中的折射角。\( t_L=\lambda_0/4n_L \),\( t_H=\lambda_0/4n_H \),其中\( \lambda_0 \)是膜系制备的设计波长。根据上述理论可以设计所需波长处高反膜。根据折射定律公式:

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

利用上式可得出:

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

该式反映出反射带的中心波长随着入射角的增加向短波漂移。反射带随入射角的变化而变化,随着入射角增大,两种偏振方向的光的反射带向短波飘移,并逐渐分离,s光反射带增大,p光反射带减小,这就是介质膜反射镜对入射角敏感的原因。实际上,具有周期结构的介质高反膜系是一维光子晶体的一个特例。

介质膜反射镜分类

某波段反射率要求高(如反射率大于99%以上),或膜层需要保证非常低的光吸收率,这些场合必须使用介质膜层来实现高反射镜,介质膜几乎没有吸收,可以承受陆续在的激光照射。

介质膜反射镜较为常见的类别有宽带多层介质膜反射镜和激光用多层介质膜反射镜。宽带多层介质膜反射镜,不仅反射率高,而且可以在宽波段使用,膜层对光没有吸收,膜材较硬不易受损,主要用于精密光学系统(微弱光或低损失的光学系统)、1 W以内的激光光学系统、使用多波长激光的光学系统等。激光用多层介质膜反射镜,反射率同样也非常高,损失很少,激光损伤阈值很高,不易受损,但是波长范围较窄,一般在入射角为45°时使用,主要用于使用激光的光学系统、强激光光学系统。此外,为特殊应用,介质膜反射镜可制造为超快反射镜和谐波分光镜。

介质膜反射镜更耐用,更易于清洁,且损伤阈值更高,通常用于可见光和中红外光谱区域。与金属反射镜相比,介质反射镜能够在某些光谱范围内给予更高的反射率,并可给予定制的光谱响应等。然而,介质膜反射镜对入射角比较敏感,未说明的情况下,默认的介质膜反射镜的入射角均为 45°。如果角度偏差较大,则反射率可能会有很大的差异。如标称为45°入射角的介质膜反射镜,一般角度范围为45±3°,超过这个角度,反射率将会有较大变化。另外,还有一部分介质膜,入射角范围为:0~45°,入射角度不同时,反射率曲线会发生平移,使用时需要注意。

图1 介质膜平面反射镜
图1 介质膜平面反射镜

瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予以紫外熔融石英为基底,在400-1650 nm工作波长范围内平均反射率大于99%的介质膜反射镜(45°入射角),有不同直径的圆形、椭圆形、正方形和D形反射镜供选用。瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予的宽带介质膜直角棱镜反射镜能够在400-1100 nm可见至近红外波段实现光束偏转或精密校准,反射率均大于99%。对于特殊应用场景,瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX为0°到45°角入射的1064 nm的基频光、532 nm的二倍频、355 nm的三倍频和 266 nm 的四倍频激光线给予Nd:YAG 反射镜,对s和p偏振光均具有高反射率;还有专为使用各种激光器的应用而设计的低群延迟色散 (GDD) 超快反射镜,以及为分离45°入射的Nd:YAG激光的谐波而设计的谐波分束器

其他反射镜

除金属膜反射镜和介质膜反射镜以外,采用全反射和折射原理的棱镜反射镜也较为常见,棱镜可分为简单棱镜、屋脊棱镜、道威棱镜、复合棱镜等。棱镜反射镜本身有较大的接触面积,且有45°、90°等典型角度,易于调整,对于机械应力具有更好的稳定性。棱镜用于改变光束出射方向,缩小仪器体积、转像、倒像、便于观察。

瓦力棋牌瓦力光学给予多种棱镜以及棱镜反射镜。如在斜面镀反射膜的直角棱镜反射镜OPRR系列,屋脊面镀反射膜的中空屋脊反射棱镜OPHR系列,未镀膜直角棱镜OPR系列、未镀膜道威棱镜以及五角棱镜等。上述多种规格棱镜均可在特定光路中用作反射镜使用。

为了取得更高的反射率,以及针对不同应用场景,还可以在金属反射膜表面加镀介质膜层,成为金属介质反射镜。为取得完全线偏振光,可采用布儒斯特角反射镜。布拉格反射镜同样也是一种选择,其可由不同材料叠层组成,理论上随着周期数的增多,反射率可达到99.999999%以上。然而,由于制备过程有一定的膜厚误差和材料界面不平整等原因,最终会引入一些散射损耗。此外,亚波长光栅顺利获得导模共振机制,理论上可以得到完美100%的反射。但是,还是实际制备的原因,会引入散射损耗,对共振结构而言,损耗对反射率的影响更大,因此较难达到99.999%的水平。