光學(xué)反射元件出現(xiàn)在各種光學(xué)系統(tǒng)中，這充分說(shuō)明了其重要性。反射鏡在光學(xué)工作臺(tái)中無(wú)處不在，為各學(xué)科的實(shí)驗(yàn)室研究提供了條件。工業(yè)、健康和生命科學(xué)應(yīng)用，以及用于天文學(xué)和高能物理的大型光學(xué)系統(tǒng)，也都依賴于反射元件。反射光學(xué)元件能夠確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能，因而成為工業(yè)中最常用的光學(xué)器件之一。

就其參數(shù)而言，反射元件也是設(shè)計(jì)師和工程師需要優(yōu)化的最關(guān)鍵元件之一。含有光學(xué)反射元件的系統(tǒng)，它的用戶必須確保幾何形狀以及所選材料和基板與目標(biāo)應(yīng)用相一致。如果部署得當(dāng)，反射光學(xué)元件可滿足各種應(yīng)用的需要，包括普通應(yīng)用和前沿應(yīng)用，同時(shí)還能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

目前，反射鏡技術(shù)與它所支持的應(yīng)用一樣，正在不斷發(fā)展，以滿足工業(yè)、航空航天、國(guó)防和消費(fèi)行業(yè)對(duì)高功能光學(xué)系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求。除了新趨勢(shì)，該技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新還延伸到了經(jīng)常被忽視的功能應(yīng)用和傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)。

什么是反射鏡？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，鏡片就是反射元件。反射被廣泛地定義為波前在兩種不同介質(zhì)之間的界面上的方向變化，從而使波前返回到其起源的介質(zhì)中。根據(jù)反射定律，當(dāng)光線照射到表面時(shí)，會(huì)以可預(yù)測(cè)的方式反彈。射入角（入射角）總是等于離開表面的角度（反射角）。

雖然所有鏡片都具有反射功能，但鏡片的反射類型取決于鏡片的形狀，有時(shí)還取決于鏡片與被反射物體之間的距離。對(duì)于高要求光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，特別是在精密光學(xué)應(yīng)用中，"第一表面 "反射鏡是首選，也是最常用的反射鏡。這些元件的特點(diǎn)是在各種不同類型的玻璃、金屬或半導(dǎo)體基底的前表面沉積一層高反射涂層。

除了形狀和表面，結(jié)構(gòu)也是影響反射鏡性能的另一個(gè)決定因素。并非所有的反射鏡都是平面的。例如，最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中常見的凹面鏡就是用來(lái)收集從宇宙非常遙遠(yuǎn)的地方發(fā)出的微弱光信號(hào)。彎曲的表面將來(lái)自遠(yuǎn)處的平行光線集中到一個(gè)點(diǎn)上，從而增強(qiáng)了測(cè)量強(qiáng)度。

雖然可以使用類似的鍍膜技術(shù)制造第二表面反射鏡，但入射光在被涂層反射之前要先穿過(guò)透明基板材料。這種幾何制造有助于保護(hù)涂層免受劃痕和氧化，但會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題，如圖像失真,導(dǎo)致這種類型的反射鏡不適合精密光學(xué)中的大多數(shù)應(yīng)用。

涂層注意事項(xiàng)

為具體應(yīng)用選擇合適的反射鏡必須考慮多個(gè)因素，還要包括應(yīng)用本身。除了純粹的物理特性外，反射鏡的許多特性還取決于光學(xué)涂層、基板和表面質(zhì)量。影響反射鏡和系統(tǒng)性能的因素包括涂層的耐久性、基體的熱膨脹、波前畸變和散射光。此外，還必須考慮反射率和抗激光損傷性。

由于光學(xué)鍍膜決定了反射率和耐用性，因此它是影響鏡片應(yīng)用性能的最關(guān)鍵因素。高性能的反射鏡通常都有一層薄膜涂層。這些薄膜涂層通常由金屬材料或電介質(zhì)材料組成，某些涂層會(huì)同時(shí)使用這兩種材料。

金屬涂層由鍍?cè)诨�板表面的銀、金、鋁或其他金屬薄膜組成。金屬層與入射光相互作用，使其從表面反射。這樣就形成了一個(gè)鏡面，能高效地反射光線，這對(duì)于需要非常精確地控制光線的應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，例如空間通信和半導(dǎo)體光刻等。

優(yōu)化材料、基板和幾何形狀等參數(shù)對(duì)于確保反射鏡的理想性能至關(guān)重要，尤其是在精密應(yīng)用領(lǐng)域

軍事和作戰(zhàn)應(yīng)用（如夜視）是使用反射鏡和反射涂層技術(shù)的極端應(yīng)用環(huán)境之一

反射鏡用于基于激光的衛(wèi)星間的通信， 這是滲透到若干航空航天領(lǐng)域的光學(xué)反射技術(shù)之一

在大多數(shù)情況下，金屬涂層都非常脆弱，尤其是在沒(méi)有添加保護(hù)層的情況下。在處理和清潔時(shí)也需要格外小心；雖然某些接觸方法也是可以接受的，但一般情況下，清潔未加保護(hù)的金屬涂層表面必須使用清潔、干燥的空氣。

制造者可以通過(guò)在金屬鏡面上涂覆電介質(zhì)涂層來(lái)克服這一缺點(diǎn)，這樣可以改善部件的處理，提高涂層的耐用性，并提供抗氧化保護(hù)。這些都不會(huì)對(duì)涂層的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。電介質(zhì)層的設(shè)計(jì)還可以提高金屬涂層在特定光譜區(qū)域的反射率。異丙醇或丙酮可用于清潔受保護(hù)的金屬涂層反射鏡。

介質(zhì)薄膜涂層由許多薄層堆疊而成。通常，每一層的厚度是所用材料波長(zhǎng)的四分之一。通常情況下，薄膜層會(huì)交替使用兩種或多種折射率不同的材料。

除了在耐用性和易用性（如更易于清潔）方面具有優(yōu)勢(shì)外，帶有介質(zhì)涂層的反射鏡還能更好地抵御激光的損傷。不過(guò)，由于介質(zhì)鏡具有色散性且主要表現(xiàn)為實(shí)部折射率，因此其光譜反射率較窄，通常用于可見光和近紅外區(qū)域。不過(guò)，與金屬涂層相比，介質(zhì)涂層的設(shè)計(jì)具有更大的靈活性。與金屬反射鏡相比，介質(zhì)反射鏡在某些光譜范圍內(nèi)具有更高的反射率，并能提供定制的光譜響應(yīng)。

基板制造

反射鏡涂層有多種技術(shù)，具體方法要根據(jù)反射鏡要求的性能和設(shè)想的應(yīng)用來(lái)選擇。常用的技術(shù)包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和濺射沉積。這些工藝可在基板上形成薄而均勻、無(wú)缺陷的金屬層，從而增強(qiáng)表面的高反射涂層。

沉積涂層的基板大多由介電材料制成，這些基板控制著反射鏡的熱膨脹和透射性能。某些材料（如硼硅玻璃或熔融石英）的熱膨脹系數(shù)比其他光學(xué)玻璃低，這雖然有利于某些應(yīng)用，但這些優(yōu)點(diǎn)不一定能超過(guò)對(duì)于基底材料成本和拋光難易程度等因素的權(quán)重。如果不需要通過(guò)基板透射光線，通常會(huì)對(duì)基板背面進(jìn)行研磨，以防止光線透射。但是對(duì)于透射鏡而言，具有均勻折射率的基板材料（如熔融石英）就變得非常適用。

反射光學(xué)元件通常采用金剛石車削工藝直接加工到基板上，或者進(jìn)行薄膜涂層。單點(diǎn)金剛石車削是使用配備金剛石刀頭的車床或其他機(jī)器對(duì)精密元件進(jìn)行機(jī)械加工。金剛石車削的反射光學(xué)元件可能還需要進(jìn)行后拋光，以達(dá)到所需的表面粗糙度。五軸金剛石車削機(jī)床是最近才開始發(fā)展起來(lái)的，它在滿足客戶對(duì)自由形態(tài)產(chǎn)品的需求方面發(fā)揮了重要作用。

高精度金剛石車削可用于表面粗糙度小于 100 Å時(shí)的情況。表面粗糙度越低，光學(xué)器件在可見光譜中顯示的散射就越小。但是，如果應(yīng)用中使用的是可見光譜中短波長(zhǎng)的光，100 Å 的散射水平可能是無(wú)法接受的。最高精度的金剛石車削部件的粗糙度可達(dá)到 <50 Å，并且粗糙度可通過(guò)電鍍進(jìn)一步得到改善。

反射鏡基板還可以磨削和拋光成所需的形狀，平面或曲面均可。表面質(zhì)量和平整度決定了反射鏡性能的保真性，而目標(biāo)應(yīng)用則決定了對(duì)這些參數(shù)的要求。

表面平整度通常以波長(zhǎng)為單位來(lái)指定，例如，λ/10，覆蓋反射鏡的整個(gè)可用區(qū)域。在必須保持波前的情況下，應(yīng)選擇 λ/10 至 λ/20 反射鏡。要求較低的應(yīng)用可以使用 λ/2 至 λ/5 反射鏡，成本也會(huì)相應(yīng)降低。

表面局部隨機(jī)缺陷的嚴(yán)重程度通常決定了整體表面質(zhì)量，而整體表面質(zhì)量本身通常以 "劃痕和麻點(diǎn)"規(guī)格來(lái)量化。通常用一組數(shù)值來(lái)表示，數(shù)值越低（例如 20-10），表示質(zhì)量越好，散射越低。

對(duì)于高精度表面，如激光器腔內(nèi)的表面，可能需要 10-5 的整體表面質(zhì)量。這樣的值只會(huì)產(chǎn)生極少的散射光。其他測(cè)量指標(biāo)，如表面拋光的不規(guī)則公差、表面粗糙度和外觀瑕疵等，均采用最新迭代的先進(jìn)計(jì)量設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。這些參數(shù)和程序同樣用于評(píng)估透鏡或窗戶等其他光學(xué)元件的質(zhì)量和平整度。

應(yīng)用驅(qū)動(dòng)

盡管反射率和其他設(shè)計(jì)因素會(huì)影響反射鏡技術(shù)，但最終用途或應(yīng)用通常是決定所有系統(tǒng)中反射鏡類型和質(zhì)量的核心因素。幾種主要的反射鏡類型都能滿足當(dāng)前光學(xué)系統(tǒng)的普遍但又各不相同的需求，包括平面反射鏡、離軸反射鏡、Nd:YAG 激光反射鏡、寬帶介質(zhì)反射鏡、激光線反射鏡、超快激光反射鏡、聚焦反射鏡、紅外反射鏡和冷/熱反射鏡。每種選擇都為各行業(yè)應(yīng)用提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

例如，在健康和生命科學(xué)細(xì)分市場(chǎng)，特別是生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，用于外科手術(shù)和診斷的激光設(shè)備中都有金屬涂層光學(xué)元件。在這些應(yīng)用中，鏡面涂層有助于在各種手術(shù)過(guò)程中引導(dǎo)激光束。同時(shí)，高反射率涂層還能提高診斷設(shè)備的性能，如微孔板讀數(shù)儀、傅立葉變換儀和流式細(xì)胞儀系統(tǒng)。在航空/航天工業(yè)中，金屬涂層光學(xué)元件也發(fā)揮著同樣重要的作用。反射鏡是基于激光的衛(wèi)星間通信的關(guān)鍵部件。此外，高反射涂層還被用于觀測(cè)遙遠(yuǎn)天體的太空望遠(yuǎn)鏡，如哈勃望遠(yuǎn)鏡。例如，由美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲航天局和加拿大航天局合作研制的詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的主鏡就采用了巨大的金涂層組件。主鏡由 18 個(gè)較小的鏡面組成，任務(wù)團(tuán)隊(duì)可以利用該望遠(yuǎn)鏡測(cè)量來(lái)自距離地球數(shù)十億光年的極遙遠(yuǎn)星系的光線。

望遠(yuǎn)鏡和太空應(yīng)用是反射光學(xué)元件的核心使用案例。例如詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡中使用的光學(xué)反射元件

反射元件還被嵌入到支持國(guó)防領(lǐng)域方面的一系列先進(jìn)軍事技術(shù)的系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)包括跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)以及其他激光系統(tǒng)。鏡面涂層通常用于潛望鏡、夜視儀和激光制導(dǎo)系統(tǒng)。這種堅(jiān)固的金屬涂層可以經(jīng)受住戰(zhàn)場(chǎng)條件的嚴(yán)酷考驗(yàn)，并提供可靠的性能。

除了在國(guó)防應(yīng)用中遇到的極端環(huán)境，金屬涂層在一些其他要求苛刻的環(huán)境下也能發(fā)揮作用。在半導(dǎo)體工業(yè)中，金屬涂層組件對(duì)于芯片生產(chǎn)也至關(guān)重要。具體來(lái)說(shuō)，金屬涂層可用于光刻系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在半導(dǎo)體晶片上蝕刻小型精密電路圖案。高反射涂層還用于提高半導(dǎo)體制造中許多檢測(cè)過(guò)程的效率。

金屬涂層可用于在半導(dǎo)體晶片上蝕刻精密電路圖案的光刻系統(tǒng)。高反射涂層用于半導(dǎo)體制造， 以提高檢測(cè)過(guò)程的效率

趨勢(shì)和市場(chǎng)

優(yōu)化系統(tǒng)是光學(xué)元件設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)的交叉點(diǎn)。與經(jīng)驗(yàn)豐富、知識(shí)淵博的光學(xué)元件合作伙伴合作，往往能產(chǎn)生超乎想象的效果，實(shí)現(xiàn)卓越的系統(tǒng)級(jí)性能。

這種動(dòng)態(tài)變化至關(guān)重要：通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)目錄中的反射鏡無(wú)法滿足高功能光學(xué)系統(tǒng)的需求。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中各個(gè)組件的正確設(shè)計(jì)和應(yīng)用可確保儀器性能達(dá)到最高水平。

這種交叉技術(shù)還能帶來(lái)其他好處。例如，自由曲面復(fù)制鏡面目前已開始在商業(yè)和低成本光學(xué)系統(tǒng)中使用，并保持了較高的性能水平。自由曲面復(fù)制鏡面是一種缺乏旋轉(zhuǎn)和平移對(duì)稱性的表面。下面第一張圖的幾何圖形所示，這與大多數(shù)采用球面（在所有軸上都是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的（球面沒(méi)有頂點(diǎn)））和非球面（通常只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸）的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)形成了鮮明對(duì)比。

自由復(fù)制曲面鏡面設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)球面鏡設(shè)計(jì)的不同之處：自由曲面鏡缺乏旋轉(zhuǎn)和平移對(duì)稱性（左圖）。相比之下，球面在所有軸上都是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。而非球面鏡光學(xué)器件通常是單一的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱

由于自由曲面復(fù)制鏡面缺乏對(duì)稱性，因此可以對(duì)光路進(jìn)行更復(fù)雜的控制。這一特性使得自由曲面復(fù)制鏡面能夠比傳統(tǒng)光學(xué)器件更有效地校正像差，例如寬視場(chǎng)和高分辨率成像系統(tǒng)中常見的離軸像差。這種功能可帶來(lái)更高的效率和卓越的圖像質(zhì)量，在更寬的視野內(nèi)提高清晰度和對(duì)比度。從顯微鏡和光譜學(xué)到成像和高級(jí)監(jiān)控等應(yīng)用都能因此受益。

自由曲面復(fù)制鏡面在各種應(yīng)用中的功效促使人們更加關(guān)注制造，尤其是復(fù)制技術(shù)。Newport 公司采用先進(jìn)的精密復(fù)制工藝，其核心是使用高保真母版，并在此基礎(chǔ)上以高質(zhì)量和高效率制作精確的復(fù)制品。在復(fù)制過(guò)程中，母版的整體表面精度和表面粗糙度都達(dá)到了非常高的保真度。這種復(fù)制工藝可以消除復(fù)制基體表面可能存在的任何工具痕跡和中空間頻率表面誤差。這些復(fù)制零件的典型規(guī)格具有 λ/8 表面平整度和 40-20 的表面質(zhì)量。

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的興起正在推動(dòng)反射光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的另一種趨勢(shì)。液體反射鏡因其在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的應(yīng)用而備受青睞，由于一系列新技術(shù)的發(fā)展，液體反射鏡有望回歸主流應(yīng)用，使其能夠像自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)一樣發(fā)揮作用，同時(shí)又避免了與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)的價(jià)格標(biāo)簽。多個(gè)研究小組利用鐵磁性液體代替汞，展示了可變形的液體鏡面。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)使用最先進(jìn)的可變形反射鏡，這些反射鏡由計(jì)算機(jī)控制，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整大氣湍流造成的光學(xué)失真，從而生成天體圖像。這些圖像幾乎與太空中拍攝的圖像一樣清晰。自適應(yīng)光學(xué)使反射望遠(yuǎn)鏡能夠看到比地面望遠(yuǎn)鏡更精細(xì)的細(xì)節(jié)。

在其他領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)超拋光制造和精密離子束濺射技術(shù)越來(lái)越多地用于高能激光反射鏡的設(shè)計(jì)。這些組件的設(shè)計(jì)兼具高激光損傷閾值、超低散射、優(yōu)異的波前性能和堅(jiān)固的機(jī)械耐久性。

高能激光反射鏡具有高反射性和環(huán)境穩(wěn)定性。因此，它們可用于要求苛刻的應(yīng)用領(lǐng)域，如軍事瞄準(zhǔn)和微機(jī)械加工、工業(yè)材料加工系統(tǒng)、腔內(nèi)激光和高能研究激光。例如，先進(jìn)光子源（APS）中使用的反射鏡面臨著極其苛刻的條件。為了保持光束的質(zhì)量，反射鏡必須達(dá)到近乎完美的光滑度。這一要求超過(guò)了傳統(tǒng)的機(jī)械化學(xué)拋光，必須逐個(gè)去除鏡面上的原子。

高能激光反射鏡是定制制造和鍍膜的，其典型規(guī)格為反射率大于 99.5%，平整度為 λ/20（在 633 納米波長(zhǎng)處測(cè)量），劃痕-麻點(diǎn)為 10-5。對(duì)于 APS 使用的反射鏡，目前只有少數(shù)幾家公司能生產(chǎn)這種光學(xué)器件。

最活躍的產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域之一涉及多光譜窄帶和寬帶（紫外至紅外）應(yīng)用，如熒光和光譜學(xué)。總的來(lái)說(shuō)，生物醫(yī)學(xué)儀器和半導(dǎo)體加工等市場(chǎng)正在推動(dòng)紫外光譜的應(yīng)用。在過(guò)去十年中，紫外應(yīng)用的性質(zhì)發(fā)生了巨大變化，這主要是由于有了波長(zhǎng)更短的更大功率的光源。因此，依靠最新的設(shè)計(jì)、分析和生產(chǎn)技術(shù)來(lái)優(yōu)化性能，UV 反射光學(xué)領(lǐng)域掀起了一波產(chǎn)品開發(fā)浪潮。

這些紫外應(yīng)用的設(shè)計(jì)既可以是折射式（透鏡式），也可以是反射式（鏡面式），但反射式系統(tǒng)更受關(guān)注。反射式系統(tǒng)本質(zhì)上具有完全的色度校正功能，使其成為極寬帶傳輸?shù)母咝詢r(jià)比選擇。缺點(diǎn)是這些系統(tǒng)只能校正較小的角場(chǎng)。

作者：Robert Bourdelais   MKS/Newport 光學(xué)事業(yè)部的高級(jí)全球業(yè)務(wù)經(jīng)理

轉(zhuǎn)自：MKS光電解決方案

來(lái)源：PHOTONICS spectra

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