光学反射元件出现在各种光学系统中，这充分说明了其重要性。反射镜在光学工作台中无处不在，为各学科的实验室研究提供了条件。工业、健康和生命科学应用，以及用于天文学和高能物理的大型光学系统，也都依赖于反射元件。反射光学元件能够确保系统实现其预期功能，因而成为工业中最常用的光学器件之一。

就其参数而言，反射元件也是设计师和工程师需要优化的最关键元件之一。含有光学反射元件的系统，它的用户必须确保几何形状以及所选材料和基板与目标应用相一致。如果部署得当，反射光学元件可满足各种应用的需要，包括普通应用和前沿应用，同时还能表现出优异的性能。

目前，反射镜技术与它所支持的应用一样，正在不断发展，以满足工业、航空航天、国防和消费行业对高功能光学系统日益增长的需求。除了新趋势，该技术领域的持续创新还延伸到了经常被忽视的功能应用和传统光学系统。

什么是反射镜？

简单地说，镜片就是反射元件。反射被广泛地定义为波前在两种不同介质之间的界面上的方向变化，从而使波前返回到其起源的介质中。根据反射定律，当光线照射到表面时，会以可预测的方式反弹。射入角（入射角）总是等于离开表面的角度（反射角）。

虽然所有镜片都具有反射功能，但镜片的反射类型取决于镜片的形状，有时还取决于镜片与被反射物体之间的距离。对于高要求光学系统来说，特别是在精密光学应用中，"第一表面 "反射镜是首选，也是最常用的反射镜。这些元件的特点是在各种不同类型的玻璃、金属或半导体基底的前表面沉积一层高反射涂层。

除了形状和表面，结构也是影响反射镜性能的另一个决定因素。并非所有的反射镜都是平面的。例如，最大的光学望远镜中常见的凹面镜就是用来收集从宇宙非常遥远的地方发出的微弱光信号。弯曲的表面将来自远处的平行光线集中到一个点上，从而增强了测量强度。

虽然可以使用类似的镀膜技术制造第二表面反射镜，但入射光在被涂层反射之前要先穿过透明基板材料。这种几何制造有助于保护涂层免受划痕和氧化，但会导致一些问题，如图像失真,导致这种类型的反射镜不适合精密光学中的大多数应用。

涂层注意事项

为具体应用选择合适的反射镜必须考虑多个因素，还要包括应用本身。除了纯粹的物理特性外，反射镜的许多特性还取决于光学涂层、基板和表面质量。影响反射镜和系统性能的因素包括涂层的耐久性、基体的热膨胀、波前畸变和散射光。此外，还必须考虑反射率和抗激光损伤性。

由于光学镀膜决定了反射率和耐用性，因此它是影响镜片应用性能的最关键因素。高性能的反射镜通常都有一层薄膜涂层。这些薄膜涂层通常由金属材料或电介质材料组成，某些涂层会同时使用这两种材料。

金属涂层由镀在基板表面的银、金、铝或其他金属薄膜组成。金属层与入射光相互作用，使其从表面反射。这样就形成了一个镜面，能高效地反射光线，这对于需要非常精确地控制光线的应用来说至关重要，例如空间通信和半导体光刻等。

优化材料、基板和几何形状等参数对于确保反射镜的理想性能至关重要，尤其是在精密应用领域

军事和作战应用（如夜视）是使用反射镜和反射涂层技术的极端应用环境之一

反射镜用于基于激光的卫星间的通信， 这是渗透到若干航空航天领域的光学反射技术之一

在大多数情况下，金属涂层都非常脆弱，尤其是在没有添加保护层的情况下。在处理和清洁时也需要格外小心；虽然某些接触方法也是可以接受的，但一般情况下，清洁未加保护的金属涂层表面必须使用清洁、干燥的空气。

制造者可以通过在金属镜面上涂覆电介质涂层来克服这一缺点，这样可以改善部件的处理，提高涂层的耐用性，并提供抗氧化保护。这些都不会对涂层的性能产生负面影响。电介质层的设计还可以提高金属涂层在特定光谱区域的反射率。异丙醇或丙酮可用于清洁受保护的金属涂层反射镜。

介质薄膜涂层由许多薄层堆叠而成。通常，每一层的厚度是所用材料波长的四分之一。通常情况下，薄膜层会交替使用两种或多种折射率不同的材料。

除了在耐用性和易用性（如更易于清洁）方面具有优势外，带有介质涂层的反射镜还能更好地抵御激光的损伤。不过，由于介质镜具有色散性且主要表现为实部折射率，因此其光谱反射率较窄，通常用于可见光和近红外区域。不过，与金属涂层相比，介质涂层的设计具有更大的灵活性。与金属反射镜相比，介质反射镜在某些光谱范围内具有更高的反射率，并能提供定制的光谱响应。

基板制造

反射镜涂层有多种技术，具体方法要根据反射镜要求的性能和设想的应用来选择。常用的技术包括物理气相沉积、化学气相沉积和溅射沉积。这些工艺可在基板上形成薄而均匀、无缺陷的金属层，从而增强表面的高反射涂层。

沉积涂层的基板大多由介电材料制成，这些基板控制着反射镜的热膨胀和透射性能。某些材料（如硼硅玻璃或熔融石英）的热膨胀系数比其他光学玻璃低，这虽然有利于某些应用，但这些优点不一定能超过对于基底材料成本和抛光难易程度等因素的权重。如果不需要通过基板透射光线，通常会对基板背面进行研磨，以防止光线透射。但是对于透射镜而言，具有均匀折射率的基板材料（如熔融石英）就变得非常适用。

反射光学元件通常采用金刚石车削工艺直接加工到基板上，或者进行薄膜涂层。单点金刚石车削是使用配备金刚石刀头的车床或其他机器对精密元件进行机械加工。金刚石车削的反射光学元件可能还需要进行后抛光，以达到所需的表面粗糙度。五轴金刚石车削机床是最近才开始发展起来的，它在满足客户对自由形态产品的需求方面发挥了重要作用。

高精度金刚石车削可用于表面粗糙度小于 100 Å时的情况。表面粗糙度越低，光学器件在可见光谱中显示的散射就越小。但是，如果应用中使用的是可见光谱中短波长的光，100 Å 的散射水平可能是无法接受的。最高精度的金刚石车削部件的粗糙度可达到 <50 Å，并且粗糙度可通过电镀进一步得到改善。

反射镜基板还可以磨削和抛光成所需的形状，平面或曲面均可。表面质量和平整度决定了反射镜性能的保真性，而目标应用则决定了对这些参数的要求。

表面平整度通常以波长为单位来指定，例如，λ/10，覆盖反射镜的整个可用区域。在必须保持波前的情况下，应选择 λ/10 至 λ/20 反射镜。要求较低的应用可以使用 λ/2 至 λ/5 反射镜，成本也会相应降低。

表面局部随机缺陷的严重程度通常决定了整体表面质量，而整体表面质量本身通常以 "划痕和麻点"规格来量化。通常用一组数值来表示，数值越低（例如 20-10），表示质量越好，散射越低。

对于高精度表面，如激光器腔内的表面，可能需要 10-5 的整体表面质量。这样的值只会产生极少的散射光。其他测量指标，如表面抛光的不规则公差、表面粗糙度和外观瑕疵等，均采用最新迭代的先进计量设备进行验证。这些参数和程序同样用于评估透镜或窗户等其他光学元件的质量和平整度。

应用驱动

尽管反射率和其他设计因素会影响反射镜技术，但最终用途或应用通常是决定所有系统中反射镜类型和质量的核心因素。几种主要的反射镜类型都能满足当前光学系统的普遍但又各不相同的需求，包括平面反射镜、离轴反射镜、Nd:YAG 激光反射镜、宽带介质反射镜、激光线反射镜、超快激光反射镜、聚焦反射镜、红外反射镜和冷/热反射镜。每种选择都为各行业应用提供了独特的优势。

例如，在健康和生命科学细分市场，特别是生物医学技术领域，用于外科手术和诊断的激光设备中都有金属涂层光学元件。在这些应用中，镜面涂层有助于在各种手术过程中引导激光束。同时，高反射率涂层还能提高诊断设备的性能，如微孔板读数仪、傅立叶变换仪和流式细胞仪系统。在航空/航天工业中，金属涂层光学元件也发挥着同样重要的作用。反射镜是基于激光的卫星间通信的关键部件。此外，高反射涂层还被用于观测遥远天体的太空望远镜，如哈勃望远镜。例如，由美国国家航空航天局、欧洲航天局和加拿大航天局合作研制的詹姆斯-韦伯太空望远镜的主镜就采用了巨大的金涂层组件。主镜由 18 个较小的镜面组成，任务团队可以利用该望远镜测量来自距离地球数十亿光年的极遥远星系的光线。

望远镜和太空应用是反射光学元件的核心使用案例。例如詹姆斯-韦伯太空望远镜中使用的光学反射元件

反射元件还被嵌入到支持国防领域方面的一系列先进军事技术的系统中。这些系统包括跟踪和瞄准系统以及其他激光系统。镜面涂层通常用于潜望镜、夜视仪和激光制导系统。这种坚固的金属涂层可以经受住战场条件的严酷考验，并提供可靠的性能。

除了在国防应用中遇到的极端环境，金属涂层在一些其他要求苛刻的环境下也能发挥作用。在半导体工业中，金属涂层组件对于芯片生产也至关重要。具体来说，金属涂层可用于光刻系统，该系统能在半导体晶片上蚀刻小型精密电路图案。高反射涂层还用于提高半导体制造中许多检测过程的效率。

金属涂层可用于在半导体晶片上蚀刻精密电路图案的光刻系统。高反射涂层用于半导体制造， 以提高检测过程的效率

趋势和市场

优化系统是光学元件设计和应用知识的交叉点。与经验丰富、知识渊博的光学元件合作伙伴合作，往往能产生超乎想象的效果，实现卓越的系统级性能。

这种动态变化至关重要：通常情况下，标准目录中的反射镜无法满足高功能光学系统的需求。光学测量系统中各个组件的正确设计和应用可确保仪器性能达到最高水平。

这种交叉技术还能带来其他好处。例如，自由曲面复制镜面目前已开始在商业和低成本光学系统中使用，并保持了较高的性能水平。自由曲面复制镜面是一种缺乏旋转和平移对称性的表面。下面第一张图的几何图形所示，这与大多数采用球面（在所有轴上都是旋转对称的（球面没有顶点））和非球面（通常只有一个旋转对称轴）的传统光学系统形成了鲜明对比。

自由复制曲面镜面设计与传统球面镜设计的不同之处：自由曲面镜缺乏旋转和平移对称性（左图）。相比之下，球面在所有轴上都是旋转对称的。而非球面镜光学器件通常是单一的旋转轴对称

由于自由曲面复制镜面缺乏对称性，因此可以对光路进行更复杂的控制。这一特性使得自由曲面复制镜面能够比传统光学器件更有效地校正像差，例如宽视场和高分辨率成像系统中常见的离轴像差。这种功能可带来更高的效率和卓越的图像质量，在更宽的视野内提高清晰度和对比度。从显微镜和光谱学到成像和高级监控等应用都能因此受益。

自由曲面复制镜面在各种应用中的功效促使人们更加关注制造，尤其是复制技术。Newport 公司采用先进的精密复制工艺，其核心是使用高保真母版，并在此基础上以高质量和高效率制作精确的复制品。在复制过程中，母版的整体表面精度和表面粗糙度都达到了非常高的保真度。这种复制工艺可以消除复制基体表面可能存在的任何工具痕迹和中空间频率表面误差。这些复制零件的典型规格具有 λ/8 表面平整度和 40-20 的表面质量。

自适应光学技术的兴起正在推动反射光学领域发展的另一种趋势。液体反射镜因其在望远镜系统中的应用而备受青睐，由于一系列新技术的发展，液体反射镜有望回归主流应用，使其能够像自适应光学系统一样发挥作用，同时又避免了与自适应光学系统相关的价格标签。多个研究小组利用铁磁性液体代替汞，展示了可变形的液体镜面。自适应光学技术使用最先进的可变形反射镜，这些反射镜由计算机控制，能够实时调整大气湍流造成的光学失真，从而生成天体图像。这些图像几乎与太空中拍摄的图像一样清晰。自适应光学使反射望远镜能够看到比地面望远镜更精细的细节。

在其他领域，计算机超抛光制造和精密离子束溅射技术越来越多地用于高能激光反射镜的设计。这些组件的设计兼具高激光损伤阈值、超低散射、优异的波前性能和坚固的机械耐久性。

高能激光反射镜具有高反射性和环境稳定性。因此，它们可用于要求苛刻的应用领域，如军事瞄准和微机械加工、工业材料加工系统、腔内激光和高能研究激光。例如，先进光子源（APS）中使用的反射镜面临着极其苛刻的条件。为了保持光束的质量，反射镜必须达到近乎完美的光滑度。这一要求超过了传统的机械化学抛光，必须逐个去除镜面上的原子。

高能激光反射镜是定制制造和镀膜的，其典型规格为反射率大于 99.5%，平整度为 λ/20（在 633 纳米波长处测量），划痕-麻点为 10-5。对于 APS 使用的反射镜，目前只有少数几家公司能生产这种光学器件。

最活跃的产品开发领域之一涉及多光谱窄带和宽带（紫外至红外）应用，如荧光和光谱学。总的来说，生物医学仪器和半导体加工等市场正在推动紫外光谱的应用。在过去十年中，紫外应用的性质发生了巨大变化，这主要是由于有了波长更短的更大功率的光源。因此，依靠最新的设计、分析和生产技术来优化性能，UV 反射光学领域掀起了一波产品开发浪潮。

这些紫外应用的设计既可以是折射式（透镜式），也可以是反射式（镜面式），但反射式系统更受关注。反射式系统本质上具有完全的色度校正功能，使其成为极宽带传输的高性价比选择。缺点是这些系统只能校正较小的角场。

作者：Robert Bourdelais   MKS/Newport 光学事业部的高级全球业务经理

转自：MKS光电解决方案

来源：PHOTONICS spectra

注：文章版权归原作者所有，本文仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。