Оптические зеркала: как не ошибиться с выбором и избежать оптических потерь в системе

Что такое зеркало?

Зеркало – это оптический элемент, предназначенный для отражения света и применяемый в самых различных оптических системах. В более широком смысле такие элементы относят к группе «отражателей» (или «рефлекторов»). В основе работы любого зеркала лежит явление отражения света, которое обусловлено взаимодействием света с веществом на границе раздела двух сред. Это явление описывается фундаментальным Законом отражения:

1. Падающий луч, отражённый луч и нормаль к поверхности лежат в одной плоскости.

2. Угол отражения равен углу падения.

    

Рисунок 1. Закон отражения

Чтобы помочь вам подобрать оптимальное решение для ваших задач, ниже мы разберем основные типы оптических зеркал, их ключевые параметры и покажем, какие оптические зеркала представлены в нашем онлайн-каталоге.

Параметры оптических зеркал

Выбор зеркала для оптической системы зависит от совокупности параметров, которые определяют его рабочие свойства. Условно их можно разделить на основные и дополнительные.

Основные оптические параметры:

1. Коэффициент отражения. Главный параметр, показывающий, какая доля падающего светового потока отражается от поверхности. Зеркала эффективно работают только в определённом диапазоне длин волн, обеспечивая требуемый уровень отражения. Ширина этого диапазона называется полосой отражения и зависит от угла падения, поляризации.

2. Коэффициент пропускания. Определяет долю излучения, проходящую через зеркало. Для большинства зеркал он должен быть минимальным, так как их задача - максимально отражать свет.

3. Радиус кривизны. Это расстояние от центра кривизны зеркала до его поверхности. Определяет степень изогнутости зеркала: меньше радиус - сильнее изгиб, больше радиус - поверхность ближе к плоской.

4. Фокусное расстояние. Это расстояние от зеркала до точки, в которой отражённые лучи сходятся (фокусируются). Для сферических зеркал при нормальном падении света оно равно половине радиуса кривизны.

5. Фазовый сдвиг. Отражённое излучение приобретает фазовый сдвиг, который зависит от длины волны и поляризации. Для s- и p-поляризаций он различен, что может приводить к изменению состояния поляризации.

6. Форма поверхности. Поверхности зеркал могут быть как плоскими, так и изогнутыми (выпуклыми или вогнутыми). Форма поверхности определяет, как будет изменяться волновой фронт отражённого луча (фокусироваться, расходиться, коллимироваться).

Дополнительные параметры, важные в лазерной технике:

7. Качество поверхности. Для высокоточных систем поверхность должна иметь минимальные микродефекты и отклонение от идеальной формы.

Плоскостность поверхности характеризует степень отклонения от идеальной плоскости и измеряется в долях длины волны (λ). Например, λ/10 означает, что максимальное отклонение не превышает одной десятой длины волны рабочего излучения.

Для оценки микродефектов поверхности применяется стандарт MIL-PRF-13830B (США), известный как система оценки «царапины-микродефекты» (S/D). В соответствии с этим стандартом: scratch (царапины) - линейные дефекты на поверхности, Dig (точечные дефекты) - локальные углубления на поверхности.  Таким образом, качество поверхности обозначается двумя числами (например, 60/40). Первое - допустимый уровень царапин, второе - допустимый уровень точечных дефектов.

Шкала качества поверхности:

80-50: Приемлемое качество для простых задач.

60-40: Стандартное коммерческое качество.

20-10: Высокое качество для лазерной техники.

10-5: Прецизионные зеркала для самых требовательных применений.

8. Порог лазерного повреждения (LIDT - Laser-induced damage threshold). Повреждения оптических компонентов, вызванные лазерным излучением, приводят к ухудшению производительности системы или её отказу, поэтому при выборе оптики важно знать порог лазерно-индуцированного повреждения зеркала. Целью LIDT является определение наибольшего количества лазерного излучения (обычно выражается в единицах плотности энергии или плотности мощности), которое может выдержать оптический компонент без повреждений.

Классификация зеркал по типу покрытия

1. Зеркала с металлическим покрытием

Зеркала с металлическим покрытием представляют собой отражатели, в которых отражающий слой выполнен из тонкой металлической плёнки, нанесённой методом вакуумного напыления. Металлическое покрытие наносится на подложку, которая изготавливается из плавленого кварца, а иногда из металла. Наиболее распространёнными материалами для металлических покрытий являются алюминий, серебро и золото. Для защиты металлический слой часто покрывают дополнительным диэлектрическим слоем.

*Тепловая линза – это эффект, возникающий в оптических элементах, когда при поглощении лазерного излучения материал нагревается неравномерно. Из-за теплового расширения и изменения показателя преломления формируется эффект линзы, который меняет фокусировку.

Зеркало с диэлектрическим покрытием широко применяется в лазерной технике и прецизионной оптике. Такое зеркало состоит из нескольких тонких диэлектрических слоёв, на границах которых происходит отражение света. Часто используемая конструкция зеркала с диэлектрическим покрытием - это зеркало Брэгга (зеркало четвертьволновое), которое обеспечивает максимальную отражательную способность на определённой длине волны (длине волны Брэгга). 

Выбор оптического зеркала от OMTOOLS

1. Плоские зеркала

Плоское зеркало - оптический элемент, широко используемый в различных оптических системах, основной функцией которого является отклонение или отражение оптического излучения. Предлагаются плоские зеркала, которые изготовлены из оптического стекла K9 и имеют четыре вида покрытий: алюминий, серебро, золото и диэлектрическая пленка. Доступные размеры: 12,7 мм, 25,4 мм, 50,8 мм. Изображение в плоском зеркале формируется за плоскостью зеркала на том же расстоянии, на котором предмет находится перед зеркалом. Изображение в плоском зеркале является прямым, мнимым и равным по величине предмета.

          

Рисунок 2. Плоские зеркала

2. Сферические зеркала

Сферическое зеркало – это зеркало, отражающая поверхность которого представляет собой часть сферической поверхности. Существует два типа сферических зеркал: вогнутые и выпуклые зеркала.

1. Вогнутое зеркало - отражающая поверхность изогнута внутрь, к центру сферы. Оно обладает фокусирующими свойствами и используется для концентрации света.
2. Выпуклое зеркало - отражающая поверхность изогнута наружу. Оно рассеивает свет и используется для получения уменьшенного изображения или расширения поля.

             

Рисунок 3. Сферические зеркала

Компанией OMTOOLS предложены сферические зеркала диаметром 25,4 мм с разными вариантами отражающего покрытия (алюминий, серебро, золото). Для изготовления зеркал используется оптическое стекло H-K9L. Фокусное расстояние находится в диапазоне от 50 до 250 мм. Изогнутые зеркала имеют сферическую поверхность, характеризующуюся радиусом кривизны R. При нормальном падении луча фокусное расстояние определяется выражением f = R/2 (без учета знака), т.е. равно половине радиуса кривизны.

3. Сверхбыстрые зеркала

Сверхбыстрые зеркала - это специальные диэлектрические зеркала, оптимизированные для работы с ультракороткими импульсами (фемтосекундного и пикосекундного диапазона). В отличие от обычных зеркал, они обладают высоким порогом лазерного повреждения (LIDT), высокой отражательной способностью в заданном спектральном диапазоне и минимальным влиянием дисперсии групповой задержки (GDD) на ультракороткие импульсы. Сверхбыстрые зеркала от OMTOOLS изготовлены из плавленого кварца. Предлагаются к заказу зеркала в трех размерах: 12,7 мм, 25,4 мм и 50,8 мм. На выбор четыре спектральных диапазона: 460-590 нм, 700-930 нм, 970-1150 нм и 1400-1700 нм. 

                   

Рисунок 4. Сверхбыстрые зеркала

Импульсные лазеры не нагревают оптику настолько, чтобы повредить её; вместо этого импульсные лазеры создают сильные электрические поля, способные вызвать диэлектрический пробой материала. Средняя плотность энергии W_E каждого импульса равна отношению энергии импульса E_имп к площади лазерного пучка S_лл:

Если оптический компонент тестировался на длине волны λ_LIDT, отличной от рабочей длины волны системы λ_раб, то порог повреждения необходимо соответствующим образом масштабировать:

Не рекомендуется действовать очень близко к порогу урона, так как он зависит от материала, длины волны, типа покрытия, однородности и других факторов, связанные с пространством или временем. Желательно использовать рабочую плотность энергии ниже 50 % порога повреждения.

4. Внеосевые параболические зеркала

Внеосевые параболические зеркала предназначены для фокусировки коллимированного света. Их отражающая поверхность представляет собой внеосевой фрагмент параболоида, при этом оптическая ось, проходящая через центр апертуры и фокус, образует угол с осью параболоида. Это обеспечивает пространственное разделение падающего и отражённого пучков. Компанией OMTOOLS предложены внеосевые параболические зеркала с алюминиевым, серебряным и золотым покрытием. Для изготовления зеркал диаметром 25,4 и 50,8 мм используется алюминиевый сплав. Фокусное расстояние находится в диапазоне от 50 до 250 мм.

В отличие от линз, такие зеркала не вносят сферических и хроматических аберраций, фазовых задержек и потерь на поглощение, что делает их идеальными для работы с фемтосекундными лазерами, а также в инфракрасной и терагерцовой оптике.

                    

Рисунок 5. Внеосевые параболические зеркала

5. Переотражающие расширители пучка

Переотражающие расширители пучка - это оптические элементы с монолитной конструкцией, использующие фокусирующие свойства вогнутого зеркала для отражения и расширения падающего пучка. Эффективность определяется диаметром входного пучка, фокусным расстоянием зеркала и качеством его поверхности. Переотражающие расширители пучка представлены в размере 91,5x60,5 мм с увеличением 5X или 8X. Они предназначены для работы в широком спектральном диапазоне от 400 до 30000 нм. 

         

Рисунок 6. Переотражающие расширители пучка

Расширители отличаются: компактной и простой конструкцией, отсутствием хроматических искажений, высоким порогом лазерного повреждения, удобством настройки и оптимизации. Они применяются в высокомощных лазерных системах, оптических приборах, лидарах, системах с перестраиваемыми и сверхбыстрыми лазерами, а также в лазерной обработке материалов.

6. Зеркала прямого обратного отражения

Зеркала прямого обратного отражения состоят из двух прямых треугольных призм, расположенных на стеклянной подложке с углом между гранями 90°, что обеспечивает отражение падающего пучка на 180°. Компания OMTOOLS предлагает к заказу зеркала прямого обратного отражения, изготовленные из оптического стекла H-K9L. Доступны к заказу зеркала различных размеров от 25,4x25,4x18,7 мм до 101,6x101,6x62,8 мм с покрытием из золота, серебра или алюминия.

          

Рисунок 7. Зеркала прямого обратного отражения

Главное преимущество таких зеркал перед плоскими - отражённый пучок остаётся параллелен падающему, минимизируя интерференционные эффекты. Благодаря этому их широко используют в оптических системах, где требуется точное направление пучка.

<<Подробнее об оптических зеркалах

Специалисты компании «Специальные Системы. Фотоника» готовы предоставить дополнительную информацию и подобрать решение для ваших задач. Чтобы получить консультацию или оформить заказ, свяжитесь с нами.