选择反射镜时, 需要考虑多种因素, 包括基底材料、表面平整度、表面光洁度、损伤阈值、入射角、入射光偏振态、尺寸大小、工作波长、反射率、成本、工作环境等。本次主要为讨论各种因素对如何选用反射镜的影响。
1.基底材料
反射镜基底大多是电介质材料, 这些基底控制反射镜的热膨胀和透射特性。紫外熔融石英基片高度耐用, 可提供极低的热膨胀系数, 并具有高耐磨性; 硼硅酸盐玻璃, 具有低热膨胀和高抗热震性, 是多种光学反射镜应用的理想基底材料。
最常见的硼硅酸盐冠状光学玻璃, 可提供极好的光学性能, 其具有高均匀性以及气泡少、杂质低、可轻松制造的特性, 使其成为可见光和近红外应用的优秀透镜材料。在不需要紫外波段的高透过率和更低热膨胀系数的时候, 经常使用硼硅酸盐冠状光学玻璃 (N-BK7) 代替紫外熔融石英。
2.表面平整度和光洁度
在沉积光学膜层之前, 必须对基底表面进行研磨并且抛光成合适的形状 (平面或者曲面)。反射镜的表面平整度和光洁度决定了其保真度。表面平整度通常以波长为单位, 例如, 在镜子的整个通光孔径内, 平整度为 λ/10。要求较高的应用, 应该选择平整度为 λ/10—λ/20 或更高的反射镜; 而要求较低的应用可以选择平整度为 λ/4—λ/5 的反射镜, 相关的成本也随之降低。
损伤阈值
损伤阈值是衡量一个光学元件承受光辐射能力的参数, 表示可以承受的最大光功率密度 (连续光源) 或最大能量密度 (脉冲光源)。通常金属膜反射镜使用在低输出功率的光学系统, 对损伤阈值要求较高的系统一般使用介质膜反射镜。在判断激光反射镜的激光损伤阈值是否满足要求时, 有几点需要注意:
(1) 光学元件的激光损伤阈值和波长正相关, 一般波长越短, 损伤阈值越低。
(2) 在使用脉冲激光器时, 由于瞬时功率较高, 容易在反射镜表面产生明显的功率热点。(3) 当激光脉冲宽度介于微秒 (μs) 和纳秒 (ns) 之间时, 损伤阈值和脉冲的时域宽度的平方根成比例关系。例如, 一个光学元件在 1μs 脉冲下的损伤阈值, 是其在 10 ns 脉冲下损伤阈值的 10 倍。
(4) 而当激光脉冲宽度在毫秒 (ms) 和连续激光之间, 则要选用连续和脉冲激光损伤阈值均能满足指标的反射镜。
4.入射角
介质膜反射镜对入射角比较敏感, 未说明的情况下, 默认的介质膜反射镜的入射角不得高于 45°。如果角度偏差较大, 则反射率可能会有很大的差异。通常, 金属膜反射镜则可以在所有入射角度下使用。
5.偏振态
混合偏振光反射时的振动矢量可以分解到互相垂直的两个方向上, 分别记为 s 分量和 P 分量。S 分量与 P 分量无固定相位差, 且振幅相同。当入射光斜入射时, 其 s 分量和 p 分量之间没有固定的相位差, 振幅大小相等。由菲涅耳公式可知, 反射光的 s 分量只与入射光的 s 分量有关, 同理, 反射光的 p 分量只与入射光的 p 分量有关。当光以布儒斯特角入射时, 反射光与折射光互相垂直, 即夹角为 90 度。
入射光为线偏振光斜入射时,p 分量和 s 分量相位差为 0 或 π, 所以反射光 p 分量和 s 分量的位相差是 0 或 π, 它们叠加后仍然是线偏振光, 但其振动方向会改变。当线偏振光正入射或掠入射时, 反射光和折射光同样为线偏振光。
6.激光器使用场景
常规连续激光器对于反射镜要求较低, 使用普通介质反射镜即可。对于光功率低于 1 W 的连续激光器, 可以根据实际需求任意选择反射镜, 基本不存在特别限制。而对于功率高于 1 W 的连续激光器, 则要选择特殊设计高功率反射镜; 比如高功率 Nd:YAG 激光反射镜, 反射率高、损伤阈值高, 适于高功率的激光加工领域。
纳秒激光器和飞秒激光器通常被归于超快激光器或超短脉冲激光器的分类中。纳秒激光器通常选用宽带介质膜反射镜, 例如晶萃光学 JCOPTIX 提供的宽带介质膜反射镜, 该反射镜有着极低热膨胀属性, 适用于高功率系统。
对于飞秒激光器, 常常使用超快低延迟激光反射镜, 该反射镜采用高质量熔融石英为基底且镀有多层电介质膜加工而成, 其具有光谱范围广、高反射率等特点。
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