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常見光學反射鏡及其應用場景（3）
2022-06-10
選擇反射鏡時，需要考慮多種因素，包括基底材料、表面平整度、表面光潔度、損傷閾值、入射角、偏振態(tài)、尺寸大小、工作波長、反射率、成本、工作環(huán)境等。我們介紹了最常見的金屬膜反射鏡和介質(zhì)膜反射鏡，今天討論各種因素對如何選用反射鏡的影響。
1. 基底材料
反射鏡基底大多是電介質(zhì)材料，這些基底控制反射鏡的熱膨脹和透射特性。紫外熔融石英基片高度耐用，可提供極低的熱膨脹系數(shù)，并具有高耐磨性；硼硅酸鹽玻璃，具有低熱膨脹和高抗熱震性，是多種光學反射鏡應用的理想基底材料；
最常見的硼硅酸鹽冠狀光學玻璃，可提供極好的光學性能且價格適中。其具有高均勻性以及氣泡少、雜質(zhì)低、可輕松制造的特性，使其成為可見光和近紅外應用的優(yōu)秀透鏡材料。在不需要紫外波段的高透過率和更低熱膨脹系數(shù)的時候，經(jīng)常使用硼硅酸鹽冠狀光學玻璃（N-BK7）代替紫外熔融石英。
2. 表面平整度和光潔度
在沉積光學膜層之前，必須對基底表面進行研磨并且拋光成合適的形狀（平面或者曲面）。反射鏡的表面平整度和光潔度決定了其保真度。表面平整度通常以波長為單位，例如，在鏡子的整個可用面積上，平整度為λ/10。當保持波前非常重要時，應該選擇平整度為λ/10—λ/20的反射鏡；而要求較低的應用可以選擇平整度為λ/2—λ/5的反射鏡，相關的成本也隨之降低。表面光潔度通常取決于表面上隨機局部缺陷的嚴重程度。這些通常根據(jù)“劃痕/麻點”規(guī)格來量化，例如20/10，取值越低表示表面質(zhì)量越高，因而散射更低。對于高精度表面，例如激光腔內(nèi)的表面，可能需要表面光潔度為10/5的產(chǎn)品，減少產(chǎn)生的散射光。
3. 損傷閾值
損傷閾值是衡量一個光學元件承受光輻射能力的參數(shù)，表示可以承受的最大光功率密度（連續(xù)光源）或最大能量密度（脈沖光源）。通常金屬膜反射鏡使用在低輸出功率的光學系統(tǒng)，對損傷閾值要求較高的系統(tǒng)一般使用介質(zhì)膜反射鏡。在判斷激光反射鏡的激光損傷閾值是否滿足要求時，有幾點需要注意：
（1）針對連續(xù)激光器，一般會將計算得到的激光功率密度乘以2，用于表示高斯光束中心區(qū)域的功率密度。
（2）光學元件的激光損傷閾值和波長正相關，一般波長越短，損傷閾值越低。例如，在532 nm處的損傷閾值大約是1064 nm處閾值的一半。
（3）在使用脈沖激光器時，由于瞬時功率較高，容易在反射鏡表面產(chǎn)生明顯的功率熱點。為了保證反射鏡不被損壞，建議損傷閾值在計算得到的能量或功率密度數(shù)據(jù)上除以2或3。
（4）當激光脈沖寬度介于微秒(μs)和納秒(ns)之間時，損傷閾值和脈沖的時域寬度的平方根成比例關系。例如，一個光學元件在1 μs脈沖下的損傷閾值，是其在10 ns脈沖下?lián)p傷閾值的10倍。
（5）而當激光脈沖寬度在毫秒(ms)和連續(xù)激光之間，則要選用連續(xù)和脈沖激光損傷閾值均能滿足指標的反射鏡。
4. 入射角
介質(zhì)膜反射鏡對入射角比較敏感，未說明的情況下，默認的介質(zhì)膜反射鏡的入射角均為45°。如果角度偏差較大，則反射率可能會有很大的差異。通常，金屬膜反射鏡則可以在所有入射角度下使用。
5. 偏振態(tài)
通常，光從空氣入射到反射鏡表面發(fā)生反射時, 反射光偏振態(tài)都要發(fā)生變化，所以反射鏡對入射光的偏振態(tài)有著重要的影響。
自然光可以用兩個相互獨立、等振幅、振動方向相互垂直的線偏振光來表示。因此，當入射光為自然光斜入射時，其s分量和p分量之間的頻率不一定相同，而且沒有固定的相位差，但它們的振幅大小相等。由菲涅耳公式可知，反射光的s分量只與入射光的s分量有關，同理，反射光的p分量只與入射光的p分量有關。當自然光傾斜入射時，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，它們合成為部分偏振光。只有當入射角與折射角相加為90°時，即光以布儒斯特角入射時，反射光是振動方向垂直于入射面的線偏振光。當自然光正入射時，反射光依舊為自然光。
入射光為線偏振光斜入射時，光矢量可分為p分量和s分量，兩分量間相位差為0或π。由于入射光p分量和s分量頻率相同，位相差為 0，所以反射光p分量和s分量的位相差是0或π，它們疊加后仍然是線偏振光，但其振動方向會改變。當線偏振光正入射或掠入射時，反射光和折射光同樣為線偏振光。
當入射光為圓偏振光斜入射時，反射光的p分量和s分量間的相位差為±π/2，一般情況下，反射光p分量和s分量的大小不等，且相位差為±π/2，說明反射光為橢圓偏振光。當圓偏振光以布儒斯特角入射時，反射光為線偏振光。圓偏振光正入射時，反射光為圓偏振光，但反射光的旋轉方向都會發(fā)生變化。
介質(zhì)膜反射鏡滿足上述反射條件，而金屬膜與介質(zhì)膜不同在于，它存在復折射率，其中折射率虛部起主要作用。由于復數(shù)表示一定的位相，所以光波在金屬表面上反射時，它的電矢量的s分量和p分量的位相都發(fā)生變化。當入射到金屬的光波為線偏振光時，若入射角為0°/90°，反射后仍然是線偏振光，且入射光的振動方位角與反射光的振動方位角相同。當入射角不等于 0°和 90°時，其反射光的p分量和s分量會出現(xiàn)一個既不為0也不為π的附加相位差，因此反射光將是橢圓偏振光。
反射鏡尺寸等要素可根據(jù)實際需求選擇。晶萃光學JCOPTIX提供各種基底材料制備的高精度反射鏡，還提供特殊尺寸、膜系材料的定制服務，如有需求，請聯(lián)系技術支持。
6. 激光器使用場景
常規(guī)連續(xù)激光器對于反射鏡沒太大要求，使用普通多層介質(zhì)反射鏡即可。對于光功率低于1 W的連續(xù)激光器，可以根據(jù)實際需求任意選擇反射鏡，基本不存在特別限制。而對于功率高于1 W的連續(xù)激光器，則要選擇特殊設計高功率反射鏡；比如高功率Nd:YAG激光反射鏡，反射率高、損傷閾值高，適于高功率的激光加工領域。
納秒激光器和飛秒激光器通常被歸于超快激光器或超短脈沖激光器的分類中。納秒激光器通常選用寬帶介質(zhì)膜反射鏡，例如晶萃光學JCOPTIX提供的寬帶介質(zhì)膜反射鏡，該反射鏡有著極低熱膨脹屬性，非常適用于高功率系統(tǒng)。對于飛秒激光器，常常使用超快低延遲激光反射鏡，該反射鏡采用高質(zhì)量熔融石英為基底且鍍有多層電介質(zhì)膜加工而成，其具有光譜范圍廣、高反射率等特點。此外，超快增強型鍍銀反射鏡設計也可用于飛秒激光器的基本波長范圍內(nèi)的應用，這些反射鏡鍍有介質(zhì)保護膜。