定义
多层反射镜，其中反射部分由单晶材料组成。
晶体反射镜是多层反射镜，其中至少反射部分由单晶光学材料组成 - 通常是半导体。 基本工作原理通常是分布式布拉格反射器或更一般的光学干涉涂层：镜面结构包含一系列薄的透明光学层，通常具有两种具有不同折射率的交替材料。 两种材料之间单个界面的菲涅耳反射非常弱，但多次反射相干地加起来，因此可以实现镜面器件的整体高反射率。 在某些情况下，反射率（反射率）非常接近100%，因此这种布拉格镜可以称为超级镜。
介电镜基于相同的工作原理，只是它们基于介电层材料，这些材料通常是无定形的而不是单晶的。金属涂层反射镜也不被视为晶体反射镜，因为它们没有单晶结构。
晶体反射镜的制造
晶体镜结构的生长需要单晶衬底。
晶体半导体反射镜可以用外延方法生产，例如分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）。 为了获得严格的单晶层，必须使用单晶衬底：它定义了结构的生长模式，可能在大面积上，其中自组织生长是不可能的。
晶格匹配的材料对最适合生长高质量的布拉格镜。
常见的半导体衬底材料是砷化镓（GaAs），合适的层材料是砷化铝镓（Al1−x加语xAs）具有可变的镓含量x，其影响折射率和带隙能量，但仅在很小程度上影响晶格常数（→晶格匹配生长）。 布拉格镜甚至可以由GaAs和AlAs制成，但通常需要一些最低镓含量，例如10%，以减少环境空气中的氧化趋势。 另一种常见的衬底材料是磷化铟（InP），通常用于光子集成电路。 这种半导体材料在激光二极管和其他半导体激光器的背景下也是众所周知的;半导体布拉格反射镜主要用于表面发射半导体激光器，例如垂直腔面发射激光器（VCSEL）和垂直外腔表面发射激光器（VECSEL），也用于半导体可饱和吸收镜（SESAMs）。 然而，晶体半导体反射镜也可以用作单独的部件。
还证明GaP / AlGaP多层可以在单晶硅上生长[9]。 与基于GaAs的反射镜相比，这种方法的优点是可以生产出更大的镜子，因为高质量的硅衬底很容易获得大直径（有时>400毫米）。 然而，GaP/AlGaP/硅反射镜的制造技术还不如砷化镓反射镜先进。
将晶体镜面涂层从生长基板转移到另一种基板在技术上具有挑战性，但开辟了新的应用领域，例如高反射率腔端镜。
对于一般光学应用，特别是低损耗腔反射镜，晶体多层反射镜下方的半导体基板是令人不安的，例如由于其对透射光的吸收或难以在背面产生高效的增透膜。 此外，曲面基板上通常需要镜面涂层（例如，用于构建稳定的光学谐振器），这与外延生长方法不兼容。 因此，已经开发出从半导体衬底上去除实际镜面结构（例如研磨和蚀刻）并将其光学粘合到其他一些透明衬底上的技术，通常由熔融石英或蓝宝石等介电材料组成[11]。 如上所述，使用略微弯曲的基板材料甚至可以实现高质量的光学贴合，因此可以制造聚焦或散焦镜，这是单晶基板难以实现的。 此外，在具有多种几何形状和材料选择的基板上获得晶体反射镜可能是有利的。
图1：晶体反射镜，每个反射镜都包含一个直径为5毫米的半导体涂层（用于定向目的的小平面），粘合到直径为16毫米的熔融石英基板上。照片由Crystal Mirror Solutions提供。
上述涉及基板去除和光学键合的制造技术的一个积极的副作用是，生长层结构的缺陷密度在基板的侧面往往要低得多。 因此，在将反射镜结构转移到最终主体基板后，所获得的反射镜的光学质量甚至可以更高。
实现的反射率
基于GaAs的反射镜可以表现出非常高的峰值反射率。
大量的折射率与外延生长的单晶半导体层的高材料质量相结合，有助于生产在某些波长区域具有非常高反射率的布拉格反射镜。 例如，基于GaAs的结构已被证明，其峰值反射率为≈99.998%，从而使法布里-珀罗干涉仪的精细度达到≈150，000[7]。 这样的镜子可以称为超级镜子。 然而，迄今为止，就峰值反射率而言，最好的超级反射镜是用介电材料制成的。
当然，只有在材料吸收较低的区域（即高于带隙波长的波长）才能实现高反射率。 对较长波长的限制可能是由自由载流子吸收引起的。 例如，基于GaAs的反射镜大致适用于0.8μm至5μm的光谱区域。
高光学反射率要求吸收和散射损耗都很低。 低散射不仅在反射率方面令人感兴趣。 例如，环形激光陀螺仪镜子上的散射（以非法向入射使用）会导致反向传播波的耦合，从而在低旋转速率下“锁定”陀螺仪信号。 因此，在激光陀螺仪中使用晶体反射镜可能是有利的[10]。
降低热源机械噪音
有时需要镜面材料的低机械阻尼，因为它有助于降低热引起的相位噪声。
在高灵敏度干涉仪（例如用于引力波检测）和高度稳定的参考腔中，例如用于超精密光学时钟中的激光稳定，性能可能会受到镜面布朗运动的限制，这会引入额外的相位噪声。 根据波动-耗散定理，该热噪声的功率谱密度由材料的机械损耗（由于内部耗散引起的阻尼）决定，可以用所谓的损耗角来量化。 请注意，在机械阻尼较低的情况下，接近机械共振频率的频率的热噪声实际上可能非常强。 但是，其他（非谐振）频率下的噪声会相应降低。 在实际应用中，上述机械驻留可能不是问题，例如，如果相关噪声频率都低于最低谐振频率。
已经发现，单晶涂层材料通常表现出比非晶涂层材料低得多的机械阻尼。 例如，基于GaAs的反射镜可以表现出不到Ta机械损耗角的百分之一2O5/二氧化硅2层在室温或低温下，有时用于降低热噪声。 因此，晶体反射镜可用于大幅降低热致相位噪声。
关于介电镜，对热噪声的实质性贡献可能来自非晶态多层材料，这是基板的另一个贡献。 与传统的介电镜相比，将单晶反射镜结构与非晶基板相结合，有时由于各种原因需要，可以在噪声方面产生实质性改善;已经证明，与最好的介电多层反射镜相比，可以在减少机械阻尼方面实现一个数量级[7]。 看来，光学计量和引力波检测中的各种应用都可以从这种改进的性能中受益。
在低温下工作可以进一步降低热致相位噪声。 除了减少热能kBT，低温操作还可以进一步降低单晶薄膜中的机械阻尼，而非晶结构实际上在低温下表现出机械损失的增加。
对于一些高功率应用，结晶镜面镀膜的导热性也相当高。
参考文献
[1] P. R. Saulson, “Thermal noise in mechanical experiments”, Phys. Rev. D 42 (8), 2437 (1990), doi:10.1103/PhysRevD.42.2437
[2] K.Numata, A. Kemery and J. Camp, “Thermal-noise limit in the frequency stabilization of lasers with rigid cavities”, Phys. Rev. Lett. 93 (25), 250602 (2004), doi:10.1103/PhysRevLett.93.250602
[3] S. Rowan, J. Hough and D. Crooks, “Thermal noise and material issues for gravitational wave detectors”, Phys. Lett. A 347 (1-3), 25 (2005), doi:10.1016/j.physleta.2005.06.055
[4] G. M. Harry et al., “Thermal noise from optical coatings in gravitational wave detectors”, Appl. Opt. 45 (7), 1569 (2006), doi:10.1364/AO.45.001569
[5] A. D. Ludlow et al., “Compact, thermal-noise-limited optical cavity for diode laser stabilization at 1·10−15”, Opt. Lett. 32 (6), 641 (2007) doi:10.1364/OL.32.000641 (using dielectric mirrors, demonstrating the thermal noise limitation)
[6] T. Kessler et al., “A sub-40-mHz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity”, Nature Photonics 6 (10), 687 (2012) (using a crystalline substrate, but presumably amorphous mirror layers)
[7] G. D. Cole et al., “Tenfold reduction of Brownian noise in high-reflectivity optical coatings”, Nature Photonics 7, 644 (2013), doi:10.1038/nphoton.2013.174
[8] G. Harray, T. P. Bodiya and R. deSalvo (eds.), Optical coatings and thermal noise in precision measurement, Cambridge University Press (2012)
[9] A. C. Lin et al., “Epitaxial growth of GaP/AlGaP mirrors on Si for low thermal noise optical coatings”, Optical Materials Express 5 (8), 1890 (2015), doi:10.1364/OME.5.001890
[10] U. Schreiber et al., “Sensing earth’s rotation with a helium-neon ring laser operating at 1.15 μm”, Opt. Lett. 40 (8), 1705 (2015), doi:10.1364/OL.40.001705
[11] M. Aspelmeyer and G. D. Cole, “Substrate transferred monocrystalline Bragg mirrors”, European Patent 2607935 (2016)
