【小麓讲堂】光学元件系列（六）：反射镜

反射镜是光学系统中常用的一种光学元件，在光学系统中一般用于改变光路方向。反射镜的质量、性能和可靠性影响光学系统的整体效果，在选择反射镜时，要考虑到该反射镜的反射率、激光抗损伤性和涂层耐久性。反射镜按面形可以分为平面反射镜、球面反射镜和非球面反射镜三种；按镀膜材料可以分为金属膜反射镜和介质膜反射镜两类。下面分别介绍了金属膜反射镜和介质膜反射镜的特性。

金属膜比较容易氧化，一般会在其表面附加一层二氧化硅作为保护膜，但膜层对于光束偏振态的影响难以量化，且可能产生吸收和散射，因此在对光束要求高时可以采用无保护膜的反射镜。无保护膜的金属膜反射镜更为脆弱，在拿取时要特别注意，切忌用手直接触碰金属膜。

镀制金属反射膜常用的材料有铝、银、金，它们具有反射率高、偏振效应小等优点，如表1所示为三种金属膜反射镜的简要介绍。

入射光从空气中正入射到金属膜上时的反射率为：

上式中n和k分别为金属膜的折射率和消光系数。如表2所示为金膜、银膜和铝膜对于不同波长的入射光的折射率、消光系数、反射率。

相对金属膜反射镜而言，介质膜反射镜在几百纳米的波带范围内具有更高的反射率，而且介质膜层耐用性更高，激光抗损伤性更强，吸收损失更小，反射率可接近100%。介质膜反射镜以其优越的性能适用于激光器谐振腔、高性能的多光束干涉仪等对反射率要求很高的光学系统。

介质膜反射镜具有高反射率的原理是在折射率为n的基片上镀制一层光学厚度λ₀/4的介质膜，空气-膜层和膜层-基片界面产生的反射光在表面发生相长干涉，使反射率大大增加。在折射率为n的基片上镀制多层折射率高低交替、每层介质膜的光学厚度为λ₀/4的反射镜的反射率会比镀单层介质膜的反射镜的反射率高。如图1所示为镀制多层介质膜的反射镜的原理示意图，图中和分别为高、低折射率介质膜的折射率，R₁至R₁₀为各个界面的反射光，T为透射光。

下式为在入射光从空气正入射到多层介质膜反射镜时的反射率，2s+1是多层膜的层数。可以得出，当介质膜的层数足够多时，介质膜反射镜的反射率无限接近100%。但是实际上，随着膜层数的增加，介质膜对入射光的吸收和散射也增加，当膜层数量到达一定值时膜层数的增加反而会使反射率降低。

• 要达到高反射率，介质膜的多层膜厚度在微米、毫米量级，而金属膜由于趋肤效应，只需几百纳米。
• 介质膜角度依赖强，操作要求相对高，如果角度偏差较大，反射率可能会有很大的差异，而金属膜对各个方向的反射基本同性，对入射角度不敏感。
• 除入射角度外，介质膜反射镜的反射率和反射宽度还受入射光偏振状态影响。
• 因镀膜工艺及设计因素，介质膜反射镜成本较高，故当反射率、反射波段、热效应耐受性要求不高时，可选用金属膜反射镜。