常见光学反射镜及其应用场景(3)
2022-06-10
选择反射镜时,需要考虑多种因素,包括基底材料、表面平整度、表面光洁度、损伤阈值、入射角、偏振态、尺寸大小、工作波长、反射率、成本、工作环境等。瓦力棋牌瓦力介绍了最常见的金属膜反射镜和介质膜反射镜,今天讨论各种因素对如何选用反射镜的影响。
1. 基底材料
反射镜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。紫外熔融石英基片高度耐用,可给予极低的热膨胀系数,并具有高耐磨性;硼硅酸盐玻璃,具有低热膨胀和高抗热震性,是多种光学反射镜应用的理想基底材料;
最常见的硼硅酸盐冠状光学玻璃,可给予极好的光学性能且价格适中。其具有高均匀性以及气泡少、杂质低、可轻松制造的特性,使其成为可见光和近红外应用的优秀透镜材料。在不需要紫外波段的高透过率和更低热膨胀系数的时候,经常使用硼硅酸盐冠状光学玻璃(N-BK7)代替紫外熔融石英。
2. 表面平整度和光洁度
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)。反射镜的表面平整度和光洁度决定了其保真度。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。当保持波前非常重要时,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。表面光洁度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/麻点”规格来量化,例如20/10,取值越低表示表面质量越高,因而散射更低。对于高精度表面,例如激光腔内的表面,可能需要表面光洁度为10/5的产品,减少产生的散射光。
3. 损伤阈值
损伤阈值是衡量一个光学元件承受光辐射能力的参数,表示可以承受的最大光功率密度(陆续在光源)或最大能量密度(脉冲光源)。通常金属膜反射镜使用在低输出功率的光学系统,对损伤阈值要求较高的系统一般使用介质膜反射镜。在判断激光反射镜的激光损伤阈值是否满足要求时,有几点需要注意:
(1)针对陆续在激光器,一般会将计算得到的激光功率密度乘以2,用于表示高斯光束中心区域的功率密度。
(2)光学元件的激光损伤阈值和波长正相关,一般波长越短,损伤阈值越低。例如,在532 nm处的损伤阈值大约是1064 nm处阈值的一半。
(3)在使用脉冲激光器时,由于瞬时功率较高,容易在反射镜表面产生明显的功率热点。为了保证反射镜不被损坏,建议损伤阈值在计算得到的能量或功率密度数据上除以2或3。
(4)当激光脉冲宽度介于微秒(μs)和纳秒(ns)之间时,损伤阈值和脉冲的时域宽度的平方根成比例关系。例如,一个光学元件在1 μs脉冲下的损伤阈值,是其在10 ns脉冲下损伤阈值的10倍。
(5)而当激光脉冲宽度在毫秒(ms)和陆续在激光之间,则要选用陆续在和脉冲激光损伤阈值均能满足指标的反射镜。
4. 入射角
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。通常,金属膜反射镜则可以在所有入射角度下使用。
5. 偏振态
通常,光从空气入射到反射镜表面发生反射时, 反射光偏振态都要发生变化,所以反射镜对入射光的偏振态有着重要的影响。
自然光可以用两个相互独立、等振幅、振动方向相互垂直的线偏振光来表示。因此,当入射光为自然光斜入射时,其s分量和p分量之间的频率不一定相同,而且没有固定的相位差,但它们的振幅大小相等。由菲涅耳公式可知,反射光的s分量只与入射光的s分量有关,同理,反射光的p分量只与入射光的p分量有关。当自然光倾斜入射时,由菲涅耳公式可知,反射光、折射光的s分量和p分量的振幅大小不相等,因此,它们合成为部分偏振光。只有当入射角与折射角相加为90°时,即光以布儒斯特角入射时,反射光是振动方向垂直于入射面的线偏振光。当自然光正入射时,反射光依旧为自然光。
入射光为线偏振光斜入射时,光矢量可分为p分量和s分量,两分量间相位差为0或π。由于入射光p分量和s分量频率相同,位相差为 0,所以反射光p分量和s分量的位相差是0或π,它们叠加后仍然是线偏振光,但其振动方向会改变。当线偏振光正入射或掠入射时,反射光和折射光同样为线偏振光。
当入射光为圆偏振光斜入射时,反射光的p分量和s分量间的相位差为±π/2,一般情况下,反射光p分量和s分量的大小不等,且相位差为±π/2,说明反射光为椭圆偏振光。当圆偏振光以布儒斯特角入射时,反射光为线偏振光。圆偏振光正入射时,反射光为圆偏振光,但反射光的旋转方向都会发生变化。
介质膜反射镜满足上述反射条件,而金属膜与介质膜不同在于,它存在复折射率,其中折射率虚部起主要作用。由于复数表示一定的位相,所以光波在金属表面上反射时,它的电矢量的s分量和p分量的位相都发生变化。当入射到金属的光波为线偏振光时,若入射角为0°/90°,反射后仍然是线偏振光,且入射光的振动方位角与反射光的振动方位角相同。当入射角不等于 0°和 90°时,其反射光的p分量和s分量会出现一个既不为0也不为π的附加相位差,因此反射光将是椭圆偏振光。
反射镜尺寸等要素可根据实际需求选择。瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予各种基底材料制备的高精度反射镜,还给予特殊尺寸、膜系材料的定制服务,如有需求,请联系技术支持。
6. 激光器使用场景
常规陆续在激光器对于反射镜没太大要求,使用普通多层介质反射镜即可。对于光功率低于1 W的陆续在激光器,可以根据实际需求任意选择反射镜,基本不存在特别限制。而对于功率高于1 W的陆续在激光器,则要选择特殊设计高功率反射镜;比如高功率Nd:YAG激光反射镜,反射率高、损伤阈值高,适于高功率的激光加工领域。
纳秒激光器和飞秒激光器通常被归于超快激光器或超短脉冲激光器的分类中。纳秒激光器通常选用宽带介质膜反射镜,例如瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予的宽带介质膜反射镜,该反射镜有着极低热膨胀属性,非常适用于高功率系统。对于飞秒激光器,常常使用超快低延迟激光反射镜,该反射镜采用高质量熔融石英为基底且镀有多层电介质膜加工而成,其具有光谱范围广、高反射率等特点。此外,超快增强型镀银反射镜设计也可用于飞秒激光器的基本波长范围内的应用,这些反射镜镀有介质保护膜。