Что такое зеркало? Виды зеркал, основные свойства

 

Как устроено зеркало, разновидности, свойства

Возраст самых древних зеркал на земле — около 7500 лет. До изобретения зеркального стекла в дело шли глаза, отражение в воде, гладкий камень и металл. Из всех предметов интерьера зеркало наиболее загадочный и мистический предмет, который во все времена был окружен ореолом мистики и тайны. В наше время существует огромное разнообразие отражающих поверхностей, от привычных до "космических". 

---

Полезные статьи:

Оптические стекла, виды, основные свойства

Что такое линзы?

Все статьи

 

Зеркало - это оптическое устройство, которое может отражать свет. Обычно подразумеваются только те устройства, в которых отражение имеет зеркальный тип, а угол отражения равен углу падения. Отражающие рассеиватели бывают в виде дифракционных решеток, хотя также могут отражать свет. 

Несколько более общий термин отражатель. Хотя все зеркала являются отражателями, но существуют те, которые намного сложнее простого зеркала. По форме, свойствам и техническим характеристикам. Например, призмы, используемые в качестве светоотражателей, использующие более одного полного внутреннего отражения на поверхности призмы. Зеркальные поверхности не обязательно плоские, существуют зеркала с изогнутой (выпуклой или вогнутой) отражающей поверхностью  и многое другое.

Свойства зеркал

Отражание

Угол падения равен углу отражения, но не всегда. Показатель - коэффициент отражения, процент отраженной оптической мощности. Как правило, это зависит от длины волны и угла падения, при ненормальном падении часто также от направления поляризации.

Закон отражения. Падающий и отраженный луч размещены в единой плоскости с перпендикуляром к поверхности, и этой перпендикуляр делит угол между указанными лучами на одинаковые составляющие.

Фаза отражения

Это сдвиг фазы отраженного света, полученный при сравнении света непосредственно до и непосредственно после отражения. Может зависеть от длины волны и направления поляризации. Если изменение отличается между "s" и "p" поляризацией (для ненормального падения), состояние поляризации падающего света в целом будет изменено. За исключением случаев, когда это чисто s или p поляризация. Это используется в зеркалах с замедлением фазы, например, для преобразования линейно поляризованного света в свет с круговой поляризацией.

Ограниченный диапазон длин волн 

Проявляют желаемую отражательную способность только в этом диапазоне, ширина которой называется полосой пропускания отражения. Его точное значение обычно зависит от угла падения, поляризации и допуска к отражательной способности. Аналогично, может существовать ограниченный диапазон углов падения, особенно для диэлектрических зеркал. Форма поверхности (например, сферически выпуклая изогнутая) также имеет значение.

Высокое качество поверхности

Часто имеет важное значение в лазерных технологиях. Плоскостность поверхности лазерных зеркал и других устройств часто указывается в длинах волн. Поскольку дефекты поверхности в значительной степени являются случайным явлением, могут быть даны только наихудшие или статистические характеристики. Для небольших локализованных дефектов обычно задаются спецификации.

Есть два числа, количественно оценивающие серьезность царапин (неглубокие отметины или разрывы) и выемки (ямообразные отверстия), в основном путем сравнения их внешнего вида с дефектами в некоторых стандартных деталях. Показатель качества простых деталей может составлять 80-50, коммерческое качество 60-40,обычно у лазерных зеркал должно быть 20-10 или больше, а у высокоточных деталей может быть 10-5.

Существует также стандарт, который также содержит более строгое определение, основанное на размере дефектов, а не только на их внешнем виде.

Для использования с мощными лазерами может представлять интерес порог оптического повреждения, особенно в сочетании с импульсными лазерами, т.к. имеют высокую пиковую мощность. Часто указывается для наносекундных импульсов.

Виды зеркал - описание, свойства, где применяются

С металлическим покрытием

Обычные зеркала, используемые в домашних условиях. Часто представляют собой "серебряные" зеркала на стекле. Они в основном состоят из стеклянной пластины с серебряным покрытием на обратной стороне. Покрытие достаточно толстое, чтобы подавить любое значительное пропускание с любой стороны. Тем не менее, отражательная способность существенно ниже, поскольку потери на поглощение составляют несколько процентов (для видимого света) в серебряном слое.

Бытовые зеркала обычно имеют покрытие с обратной стороны, так что снаружи получается прочная стеклянная поверхность, которую можно легко чистить, а покрытие с обратной стороны (с дополнительным слоем) хорошо защищено. Для других применений используются зеркала с первой поверхностью, в которых свет падает непосредственно на покрытие и не достигает зеркальной подложки.

Для использования в лазерной технике и общей оптике были разработаны более совершенные типы зеркал с металлическим покрытием. Они часто имеют дополнительные диэлектрические слои поверх металлического покрытия, чтобы улучшить отражательную способность и или защитить металлическое покрытие от окисления (улучшенные и защищенные зеркала). Могут использоваться различные металлы, например, золото, серебро, алюминий, медь, бериллий и сплавы никель хром. Особой популярностью пользуются серебряные и алюминиевые зеркала. Другие в основном используются в качестве инфракрасных зеркал.

Диэлектрические зеркала

Наиболее важным типом зеркал в лазерной технике и общей оптике является диэлектрическое зеркало. Этот вид зеркал содержит несколько тонких диэлектрических слоев. Один использует комбинированный эффект отражений на границах раздела между различными слоями. Часто используемая конструкция это брэгговское зеркало (четвертьволновое зеркало), которое является самой простой конструкцией и обеспечивает наивысшую отражательную способность на определенной длине волны (длина волны Брэгга).

В отличие от некоторых зеркал с металлическим покрытием, диэлектрические зеркала обычно изготавливаются в качестве зеркал с первой поверхностью. Это означает, что отражающая поверхность находится на передней поверхности, поэтому свет не распространяется через какую-либо прозрачную подложку перед отражением. Таким образом, предотвращаются не только возможные потери при распространении в прозрачной среде, но и дополнительные отражения на передней поверхности, которые более актуальны при ненормальном падении.

Как правило, диэлектрические зеркала имеют ограниченную полосу отражения. Однако существуют специально оптимизированные широкополосные диэлектрические зеркала, ширина полосы отражения которых может составлять сотни нанометров. Некоторые из них используются в сверхбыстрых лазерных и усилительных системах. Их иногда называют сверхбыстрыми зеркалами, которые также необходимо оптимизировать с точки зрения хроматической дисперсии.

Лазерные зеркала, используемые для формирования лазерных резонаторов, также обычно являются диэлектрическими зеркалами, имеющими особенно высокое оптическое качество и часто высокий порог оптического повреждения. Некоторые из них используются в качестве лазерной линейной оптики, то есть только с определенными лазерными линиями.

Кроме того, существуют сверх зеркала с коэффициентом отражения близким к 100%. А также дисперсионные зеркала с систематически изменяемой толщиной тонких пленок. Они могут быть использованы, например, для оптических резонаторов с высокой добротностью. В некоторых случаях диэлектрические зеркала также следует полировать с обратной стороны, когда требуется некоторое пропускание света, например, для выходных осветителей лазеров.

Диэлектрические зеркала могут быть выполнены в виде холодных или горячих зеркал, которые оба могут использоваться для удаления нежелательного инфракрасного излучения.  Обычно используются для снижения тепловой нагрузки на оптическую систему.

Дихроичные зеркала

Имеют существенно разные свойства отражения для двух разных длин волн. Обычно это диэлектрические зеркала с подходящей тонкопленочной конструкцией. Например, их можно использовать в качестве разделителей гармоник в установках для нелинейного преобразования частоты.

Дихроичное зеркало (или двухдиапазонное зеркало, двухволновое зеркало, дихроичный отражатель) - это поверхность со значительно отличающимися свойствами отражения или пропускания на двух разных длинах волн. Это фактически означает две области длин волн, часто не очень большой ширины. Спецификации часто ссылаются на часто используемые лазерные линии, поэтому дихроичные зеркала часто относятся к категории лазерной линейной оптики. Существуют также трихроичные зеркала, обладающие определенными оптическими свойствами на трех разных длинах волн.

Некоторые дихроичные отражатели используются для широкополосных применений, например, для отражения только ультрафиолетового света в некоторых приложениях. Но не так много инфракрасного света, что может привести к нежелательному нагреву облучаемых объектов. Подобные широкополосные устройства называются горячими зеркалами или холодными зеркалами, в зависимости от того, отражают они или подавляют тепловое излучение.

Изогнутые зеркала 

Хотя многие зеркала имеют гладкую отражающую поверхность, многие другие доступны с изогнутой (выпуклой или вогнутой) поверхностью, например, для фокусировки лазерных лучей или для обработки изображений.

Большинство изогнутых зеркал имеют сферическую поверхность, характеризующуюся некоторым радиусом кривизны R. Зеркало с вогнутой (изогнутой внутрь) поверхностью действует как фокусирующее зеркало, в то время как выпуклая поверхность приводит к рас фокусировке. Помимо изменения направления луча, такое зеркало действует как линза. Для нормального падения фокусное расстояние (без учета его знака) просто равно R 2, т.е. половине радиуса кривизны. Для ненормального падения с углом против нормального направления фокусное расстояние равно (R 2) cos в тангенциальной плоскости и (R 2) cos в сагиттальной плоскости.

Существуют также параболические зеркала, имеющие поверхность с параболической формой. Для точной фокусировки часто используются вне осевые параболические зеркала, которые позволяют сфокусироваться далеко за пределами входящего луча.

Деформируемые зеркала

Это зеркала, формой поверхности которых можно управлять, часто со многими степенями свободы (возможно, несколькими тысячами). Такие зеркала в основном используются в адаптивной оптике для коррекции искажений волнового фронта.

Отражающую поверхность можно деформировать контролируемым образом, например, для исправления деформированных волновых фронтов. Обычно у одного есть несколько степеней свободы от нескольких десятков до нескольких тысяч, достигаемых с помощью соответствующего количества исполнительных механизмов. Следовательно, деформируемое зеркало может использоваться не только для компенсации простых оптических аберраций, таких как расфокусировка и астигматизм, но и для более сложных видов искажений волнового фронта. Это особенно важно в контексте адаптивной оптики.

Однако существуют также деформируемые зеркала с очень небольшим количеством степеней свободы и даже устройства с одним общим, в которых можно регулировать только фокусное расстояние. Их можно использовать в лазерах или для функций автофокусировки камер.

Типы деформируемых зеркал

Были разработаны различные виды деформируемых зеркал. Первое различие заключается в сегментированных зеркалах и зеркалах с непрерывной отражающей поверхностью.

• Сегментированные зеркала

Отражающая поверхность сегментированного зеркала состоит из небольших жестких (не деформируемых) сегментов, которые можно перемещать по отдельности (с одной или несколькими степенями свободы). Перемещение одного сегмента зеркала обычно оказывает незначительное влияние на другие сегменты.

Между зеркальными сегментами обязательно есть зазоры, которые вызывают некоторую потерю света, а также дифракционные потери. Дополнительные дифракционные потери могут возникнуть, когда соседние зеркальные сегменты установлены таким образом, что на поверхности возникает ступенька.

• Зеркала с непрерывной поверхностью

Деформируемые зеркала также могут быть изготовлены с непрерывной деформируемой зеркальной поверхностью, под которой установлены подходящие приводы. Например, может представлять собой тонкий лист стекла, на который нанесено металлическое или диэлектрическое покрытие. Исполнительные механизмы могут прилагать усилия к обратной стороне стеклянного листа таким образом, что достигается желаемая деформация.

С этим типом деформируемых зеркал неизбежны некоторые эффекты сопряжения: каждый привод влияет не только на геометрическую форму в непосредственной близости от него, но и на несколько большей площади, перекрывая геометрию соседних приводов. Однако это не обязательно проблема, например, когда напряжение, подаваемое на приводы, правильно рассчитывается с помощью компьютерного программного обеспечения, которое может учитывать связь. В некоторых других случаях системы обратной связи решают эту проблему.

Зеркала с переменной отражательной способностью

В то время как большинство зеркал имеют равномерный коэффициент отражения по всей площади отражения, существуют также зеркала с переменной отражательной способностью. Коэффициент отражения зависит от их положения. Также называют зеркалами с градуированной отражательной способностью. Используются в лазерах с нестабильными резонаторами, а также в качестве переменных оптических аттенюаторов.

Одной из возможностей является нанесение одного относительно высоко отражающего слоя переменной толщины на зеркальную подложку. Например, это может быть металлическое покрыти или диэлектрический материал с высоким индексом. Можно также изготовить диэлектрические многослойные зеркала, в которых толщина слоя зависит от пространства.

Пространственная зависимость может быть введена, например, с помощью некоторой маски, которая вызывает пространственно зависимый поток осаждаемого материала. Для изготовления зеркал с чисто радиальной зависимостью отражательной способности обычно подложка вращается во время осаждения.

Возможны и другие способы изготовления, например, пространственно-зависимая модификация отражающих свойств после изготовления изначально однородных зеркал. Если такие модификации поверхности наносить с помощью лазерного излучения, достигается высокая гибкость при изготовлении различных типов форм с отражающей способностью.

Зеркала с замедлением фазы

Зеркала с замедлением фазы изготавливаются таким образом, что создают четко определенную разность фаз для s- и p-поляризованных компонентов луча. Например, их можно использовать для преобразования линейно поляризованного света в свет с круговой поляризацией, если эта разность фаз равна 2.

Напрмер, поглощающие тонкопленочные отражатели представляют собой зеркала с металлическим покрытием, которые предназначены для отражения, например, s-поляризованного света под углом падения 45 и поглощения p-поляризованного света с тем же направлением падения.

Работают при обычной длине волны лазера CO2 10,6 мкм и могут использоваться в сочетании с зеркалом с замедлением фазы для создания своего рода оптического изолятора на основе поляризации. Такое устройство может использоваться для предотвращения попадания света, отраженного от обрабатываемой детали, обратно на лазер.

Однако его можно использовать только при умеренном уровне мощности, поскольку в противном случае поглощаемая мощность разрушит зеркало или, по крайней мере, ухудшит его производительность.

Полупроводниковые насыщаемые зеркала-поглотители

Полупроводниковое насыщаемое поглотительное зеркало представляет собой зеркальную конструкцию со встроенным насыщаемым поглотителем, изготовленную по полупроводниковой технологии. Такие устройства в основном используются для генерации ультракоротких импульсов с помощью блокировки пассивного режима различных типов лазеров.

Насыщаемое поглощение связано с межзонным переходом: энергия поглощенных фотонов передается электронам, которые переносятся из валентной зоны в зону проводимости. Сначала происходит довольно быстрая релаксация термализации в зоне проводимости и валентности, например, в течение 50-100 фс, а затем (часто в масштабе времени в десятки или сотни пикосекунд) носители рекомбинируют, часто с помощью дефектов кристалла.

При низких оптических интенсивностях степень электронного возбуждения невелика, и поглощение остается ненасыщенным. Однако при высоких оптических интенсивностях электроны могут накапливаться в зоне проводимости, так что начальные состояния для поглощающего перехода истощаются, в то время как конечные состояния заняты (блокировка Паули). Следовательно, поглощение уменьшается. После насыщения коротким импульсом поглощение восстанавливается, сначала частично за счет внутризонной тепловой релаксации, а затем полностью за счет рекомбинации.

Сверхзеркала

Лазерные зеркала с очень высокой отражательной способностью. Оптическое суперзеркало - это брегговское зеркало (обычно диэлектрическое), оптимизированное для чрезвычайно высокого коэффициента – в крайних случаях более 99,9999%. Это означает, что потери на отражение ниже 1 ppm. Два таких зеркала со сверхвысоким коэффициентом отражения образуют интерферометр Фабри-Перо с точностью более 3 миллионов и сильным усилением поля внутри резонатора. Добротность сверхзеркального резонатора может быть выше 10 ¹¹.

Сверхзеркала могут быть использованы в некоторых экспериментах по квантовой оптики и для некоторых измерений с чрезвычайно высокой точностью, например, с использованием высокоточных интерферометров или оптических гироскопов.

Термин сверхзеркало также распространен для рентгеновских и нейтронных отражателей. В этой области изначально было очень трудно достичь высоких значений коэффициента отражения. Затем были разработаны многослойные зеркала, которые обеспечивают гораздо лучшие характеристики. Тем не менее, достигнутые пиковые коэффициенты отражения в этом режиме намного ниже по сравнению с оптическими суперзеркалами.

Подложки зеркал - форма, материалы, изготовление

Формы

Зеркальные подложки в оптике и лазерной технике часто имеют цилиндрическую форму, диаметром 20-30 мм и толщиной в пару миллиметров. Однако существуют также подложки с прямоугольной, эллиптической или D-образной передней поверхностью. Кроме того, существуют призматические зеркала, в которых на призму нанесено отражающее покрытие и светоотражатели.

Для специальных применений используется зеркальная подложка с крошечным отверстием. Это может быть полезно, например, для объединения двух лазерных лучей. Один из которых направляется сфокусированным образом через отверстие, в то время как другой луч, имеющий существенно больший диаметр, отражается на поверхности зеркала.

Лазерные зеркала и другие типы обычно изготавливаются путем нанесения какого-либо зеркального покрытия – диэлектрического покрытия или иногда металлического, на подходящую зеркальную подложку без покрытия. В большинстве случаев такая подложка изготовлена из стекла (или иногда из стеклокерамики, реже из металла) и имеет цилиндрическую форму. Такая деталь, например, диаметром 25 мм, помещается в стандартный держатель зеркала, с помощью которого зеркало может быть точно и стабильно установлено. Также доступны прямоугольные формы. Лицевая поверхность, а иногда и задняя поверхность должны быть отполированы с высоким оптическим качеством.

Подложки иногда также называют зеркальными заготовками, но это может вызвать путаницу, поскольку под заготовкой обычно понимают необработанную деталь, которую позже необходимо отшлифовать и отполировать.

Зеркальные подложки также могут быть использованы для других оптических компонентов, таких как светоделители, оптические фильтры и оптические окна. Особым случаем являются кристаллические зеркала, в которых эпитаксиально выращивается полупроводниковая зеркальная структура, которая затем иногда переносится на другую подложку.

Для некоторых применений требуются зеркальные подложки особой формы, например, с эллиптической, а не круглой формой передней поверхности или с парабалической кривизной. Иногда также требуется зеркало с отверстием, через которое может проходить некоторое излучение.

Производство подложек специальной формы часто начинается с подложки стандартной формы, к которой применяются некоторые дополнительные этапы обработки, например, вырезание некоторых деталей или сверление отверстий.

Материалы

Для зеркальных подложек используются различные материалы в зависимости от требований. Часто используемыми материалами для подложки являются боро-силикатные стекла, такие как BK7 или плавленный диоксид кремния, поскольку они доступны с высоким качеством по разумной цене и имеют хорошее оптическое качество во всем видимом диапазоне и частично в инфракрасном диапазоне. 

Другие возможные варианты - другие корончатые и кремневые стекла, стеклокерамика с нулевым тепловым расширением (например, Zerodur), сапфир и искусственный бриллиант. В некоторых случаях, например, для инфракрасной оптики, требуются специальные кристаллические материалы, такие как фторид кальция (CaF2) или фторид магния (MgF2).

Обратная сторона подложки обычно также должна быть отполирована с высоким качеством и может нуждаться в собственном покрытии (например, антибликовое покрытие).

Качество поверхности

Большинство зеркальных подложек имеют стандартное оптическое качество, например, с плоскостностью поверхности λ/10 (при некоторой заданной тестовой длине волны) и коэффициентом царапания 10-5.

Допуск формы поверхности обычно измеряется с помощью интерферометра, например, Тваймера-Грина. Использует зеленый свет и точную оптическую плоскость, используемую в качестве эталонной поверхности. Степень плоскостности определяется количественно расстоянием между двумя параллельными воображаемыми плоскостями, где одна является касательной к самой высокой точке поверхности, а другая - к самой низкой точке. 

Не идеальная плоскостность может быть просто результатом некоторой степени искривления, что может привести к некоторой фокусировке, но без существенных искажений луча, и / или неровности поверхности. Можно определить неровность поверхности, подогнав сферическую форму к фактической форме поверхности подложки и количественно оценив разницу.

Изготовление зеркальных подложек

Производство начинается с некоторого количества необработанного стекла или стеклокерамики. Он может поставляться в виде блочного стекла. Затем их разрезают на заготовки, имеющие примерно правильную форму. Станки с ЧПУ часто используются для резки. 

В качестве альтернативы можно использовать предварительно отформованные формованные заготовки. Кромки часто снабжены фасками, выполненными путем шлифования или фрезерования, обычно перед окончательной шлифовкой и полировкой.

Затем с помощью шлифования создается окончательная форма поверхности и оптимизируется качество поверхности с помощью процесса полировки. Внешние части (например, оболочка цилиндра) обычно остаются отшлифованными.

Наконец, подложки необходимо очистить от остатков обработки и подвергнуть окончательной проверке для контроля качества. Изготовление подложки может производиться на том же заводе, где наносятся зеркальные покрытия, или где-то еще.