一文了解反射鏡的原理和種類組成

反射鏡是一種利用光的反射定律工作的光學(xué)元件，它能夠?qū)⒐饩€從一個方向反射到另一個方向，即光線入射到鏡子上時，入射角與反射角相等（θi = θr）。通過控制入射角和反射角，可以實現(xiàn)將光線引導(dǎo)到所需的位置。

反射鏡的分類和組成主要基于其面型、形狀、反射程度以及鍍膜材料等多個方面，從面型上可以簡單分為平面反射鏡、球面反射鏡、非球面反射鏡，按照形態(tài)可以分為平面反射鏡、直角棱鏡反射鏡、離軸拋物面反射鏡、中空屋脊棱鏡反射鏡。從反射程度來分類又可以分為全反反射鏡、半透半反反射鏡（分束鏡）；平面反射鏡又可以細分為介質(zhì)反射鏡、激光線反射鏡、超快反射鏡、超級反射鏡和金屬膜反射鏡；金屬膜反射鏡又細分為鋁膜反射鏡、金膜反射鏡、銀膜反射鏡；

反射鏡的分類

1. 按面型分類

平面反射鏡：反射面為平面的反射鏡，其反射面可以是前表面也可以是后表面。平面反射鏡主要用于改變光的傳播方向，它遵循光的反射定律，即光線入射到鏡面上時，入射角與反射角相等。平面反射鏡的主要特點是能夠?qū)⒐饩€以相同的角度反射回去，形成鏡像效果。

球面反射鏡：反射面為球面的反射鏡，分為凸面鏡和凹面鏡兩種。凸面鏡使平行光線發(fā)散，凹面鏡則使平行光線會聚到一點。球面反射鏡在光學(xué)成像、聚光等方面有廣泛應(yīng)用。

非球面反射鏡：反射面既不是平面也不是球面的反射鏡，如拋物面鏡、雙曲面鏡和橢球面鏡等。這類反射鏡在特定應(yīng)用場合下具有獨特的優(yōu)勢，如聚焦平行光束、準直點光源等。

形態(tài)分類

直角棱鏡反射鏡：

通常直角邊鍍增透膜，斜邊鍍反射膜。直角棱鏡本身有較大的接觸面積以及有45°，90°這樣典型的角度，所以，和普通的反射鏡相比， 直角棱鏡更容易安裝，對機械應(yīng)力具有更好的穩(wěn)定性和強度。它們是各類裝置和儀器用光學(xué)件的最佳選擇。

離軸拋物面反射鏡：

離軸拋物面反射鏡是表面反射鏡，其反射表面是母拋物面中截取的一部分。利用離軸拋物面反射鏡可以聚焦平行光束或準直點光源，其離軸設(shè)計可以使焦點從光路中分離出來。與透鏡相比，使用離軸拋物面反射鏡不會產(chǎn)生球差、色差，且不會引入相位延遲和吸收損耗，非常適用于飛秒脈沖激光器。

中空屋脊棱鏡反射鏡

中空屋脊棱鏡反射鏡是由兩塊直角棱鏡和一塊長方形基片構(gòu)成，材質(zhì)為Borofloat（由德國SCHOTT公司研制的特種高硼硅玻璃玻璃）。Borofloat材料具有極高的表面平整度和良好的光學(xué)性能，在整個光譜范圍內(nèi)具有優(yōu)越的透光性和極低的熒光強度。同時直角棱鏡斜面上鍍有帶金屬保護層的銀膜，在可見光和近紅外波段都具有高反射率，兩個棱鏡的斜面相對放置，且二面角成90±10 arcsec。中空屋脊棱鏡反射鏡可以反射從外部入射到棱鏡斜邊的光，與平面反射鏡不同之處是反射光線仍然和入射光線平行，避免了光束干涉的影響，比手動調(diào)節(jié)兩個反射鏡實現(xiàn)要精確。

3. 按反射程度分類

全反反射鏡：反射率接近100%的反射鏡，能夠幾乎完全反射入射光線。

半透半反反射鏡（分束鏡）：既反射又透射光線的反射鏡，反射率和透射率可根據(jù)需要調(diào)整。這類反射鏡常用于光學(xué)測量、光路分束等場合。

4.平面反射鏡的分類

介質(zhì)膜反射鏡：

在光學(xué)元件表面鍍多層介質(zhì)膜，使得某一波段干涉疊加，從而增強反射率。介質(zhì)膜反射率較高，可在寬波長譜區(qū)使用，膜沒有對光的吸收，膜較硬不易受損，適用于多波長激光的光學(xué)系統(tǒng)。該類反射鏡膜層較厚，角度敏感，成本較高。

激光線反射鏡

激光線反射鏡的基片材料為紫外熔融石英，其表面的高反射膜為Nd:YAG介質(zhì)膜，采用電子束蒸鍍和離子輔助沉積的工藝鍍制而成。相較于K9材質(zhì)，紫外熔融石英具有更好的均勻性和更低的熱膨脹系數(shù)，使其特別適合應(yīng)用于紫外到近紅外波段，高功率激光和成像領(lǐng)域。常見的激光線反射鏡的工作波長有266 nm、355 nm、532 nm和1064 nm四種，入射角度分為0-45°或45°兩種，反射率高達97%以上。

超快反射鏡

超快反射鏡的基片材料為熔融石英，其表面的高反射膜為低群延遲色散介質(zhì)膜，采用離子束濺射（IBS）的工藝鍍制而成。熔融石英具有更低的熱膨脹系數(shù)和極高的熱震動穩(wěn)定性，使其特別適用于高功率飛秒脈沖激光和成像領(lǐng)域。超快反射鏡常見的工作波長范圍有460 nm-590 nm、700 nm-930 nm、970 nm-1150 nm和1400 nm-1700 nm四種，光束從45°入射，反射率高達99.5%以上。

超級反射鏡

超級反射鏡通過在紫外熔融石英基底上鍍多層折射率高低交替的介質(zhì)反射膜制作而成，通過增加膜層數(shù)量提高反射率，可以使超級反射鏡在設(shè)計波長處的反射率優(yōu)于99.99%，適合用于反射率要求很高的光學(xué)系統(tǒng)。

金屬膜反射鏡

金屬膜反射鏡非常適用于寬譜光源光路偏轉(zhuǎn)，其在寬譜范圍內(nèi)具有較高的反射率。金屬膜在高濕度環(huán)境中很容易被氧化變色或脫落，因此金屬膜反射鏡一般在其表面鍍一層二氧化硅保護膜，用于隔絕金屬膜與空氣直接接觸，避免金屬膜被氧化影響光學(xué)性能。

金屬膜反射鏡分類

1.鋁膜反射鏡

一般是在高精度拋光的平面基片上蒸鍍鋁膜，這類反射鏡的使用不受光線入射角的限制。根據(jù)實際使用場景的不同，生產(chǎn)中會對鋁膜反射鏡做出細微的調(diào)整，如：只蒸鍍鋁膜的、為了防止損傷在鋁膜上鍍有保護膜的、為了提高在紫外波段反射率鍍有保護膜的以及在平行平面基板上鍍有保護膜的四種反射鏡。從紫外到紅外波段都有比較高的反射率（>90%)，光學(xué)膜層相對其他金屬材料較為牢固。

2.金膜反射鏡

金膜反射鏡一般應(yīng)用于近紅外、紅外寬譜區(qū)，在制備金膜反射鏡時選用導(dǎo)熱系數(shù)高、金膜附著力強和耐熱性好的硅基基底或者浮法玻璃。實際使用的過程中金膜對紅外、近紅外的光線反射率很高，沒有反射的光線會被金膜全部吸收，不會透過基板，金膜反射鏡的強度和穩(wěn)定性比銀膜反射鏡好。

銀膜反射鏡

銀膜在可見光到紅外波段都有不錯的反射率。銀膜反射鏡與鋁膜反射鏡相比，在可見光到紅外波段的反射率要更高一些；與介質(zhì)膜反射鏡相比，不會受光線入射角的影響。銀膜與光學(xué)玻璃基片的附著力差，制備時會在銀膜上再鍍一層保護膜，延緩銀膜氧化，增加其使用壽命。

反射鏡的組成

反射鏡主要由基底材料和鍍膜層兩部分組成。

1. 基底材料

常見的基底材料包括玻璃（如K9玻璃、熔融石英等）、紫外熔融石英等。這些材料具有良好的光學(xué)性能和機械強度，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。

基底材料的選擇需要考慮其熱膨脹系數(shù)、透光性、成本以及拋光容易程度等因素。

2. 鍍膜層

鍍膜層是反射鏡的關(guān)鍵部分，決定了反射鏡的反射率、穩(wěn)定性和耐用性等性能。

鍍膜層材料可分為金屬材料和介質(zhì)材料兩種。金屬材料如銀、鋁、金等具有較寬的反射光譜帶和較高的反射率，但容易受損和氧化變色；介質(zhì)材料如多層介質(zhì)膜則具有較高的反射率和較低的吸收率，適用于特定波長的激光和成像領(lǐng)域。

鍍膜層的沉積工藝包括電子束蒸鍍、離子輔助沉積、離子束濺射等。這些工藝能夠確保鍍膜層與基底材料之間的良好結(jié)合和均勻性。

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