抛物面镜 Parabolic mirrors

2022-11-03 10:05:00 浏览:1054

定义

具有抛物面表面形状或至少具有抛物线横截面的镜子。

抛物面反射镜(或抛物面反射器)是穿过光学表面的横截面具有抛物线形状的反射镜。 通常,三维形式是抛物面形式(即旋转对称),但也存在抛物面镜,它们仅在一个方向上弯曲,因此仅在该方向上聚焦光线(类似于圆柱透镜)。

图1:抛物面镜将入射的平行光线反射到焦点中。

抛物线形状的一个特殊特性是入射的平行光线全部反射到同一个焦点中,如图1所示。 这不适用于具有球形的镜子,因为球形镜子会表现出所谓的球面像差。 抛物面镜可以被认为是非球面光学器件,即具有非球面形状的光学器件。 (它们的曲率半径在中心外变长。 它们也是消色差的(像大多数其他镜子一样),因为与透镜相比,它们的工作原理不涉及折射。

尽管忽略光的波动性质的射线光学不能完全描述光的传播,但它正确地表明抛物面镜最适合精确聚焦准直光束 - 不仅在近轴近似范围内(仅考虑靠近中心的光束)。 同样,抛物面反射器最适合准直紧密聚焦的光束。 有了它们,人们可以在具有高数值孔径的光束的背景下实现光学性能的实质性改进,即涉及极端角度和高光束发散。

离轴反射器

图2:使用离轴抛物面镜对焦。

对于图1所示的中心抛物面镜,焦点位于入射光束的轴上,这对于许多应用来说是不切实际的:如果不破坏入射光束,就无法进入焦点。 因此,有时需要抛物面离轴反射镜,其中焦点位于入射光束之外。 如图 2 所示,其中输入光线被限制在左侧。 在这里,人们当然可以省略镜子的右侧部分,即从较大的母镜制作较小的离轴反射器。 剩下的形状显然不是围绕其中心的抛物线形状;它在底部弯曲得更强烈。

离轴镜是为光束中心部分的特定入射角制造的,并且仅适用于接近该值的角度。 因此,确定指定的操作角度是入射角(对于光束中心)还是输入和输出光束之间的角度(是入射角的两倍)也非常重要。

对齐离轴抛物面镜可能相对困难!

由于上述不对称性,将离轴反射器正确对准入射光束显然很重要,但更具挑战性 - 特别是在难以测量焦点中的精确强度分布的情况下。 镜面基板和/或镜架的形状可能会有所帮助,以清楚地识别光轴的方向 - 例如,垂直于所需光束方向的平坦底座。 如果输入光束偏离该方向,则会出现昏迷像差形式的失真。

图3:来自 3DOptix 的仿真小部件,演示使用离轴抛物面镜进行聚焦。单击预览图像以加载模拟。

计算抛物面镜的性能

由于抛物面反射镜通常与高度发散(或收敛)光束结合使用,因此通常无法通过简化的数值计算方法(例如使用近轴近似)准确计算其性能。 然后应该使用完整的矢量码,而不是将光场表示为标量场,而是表示为全向量场。 然后还可以检查光偏振可能产生的显着影响。

抛物面激光反射镜

虽然一些抛物面反射镜是宽带金属涂层的第一表面反射镜(例如带有受保护的铝或金涂层),其反射损耗通常太高而无法用作激光反射镜,但其他抛物面反射镜则由介电涂层制成。 通常,这些是高反射(HR)涂层,通常需要设计用于相对较大的入射角范围。 这种抛物面激光反射镜的表面质量通常特别高,远高于照明应用的反射镜。

抛物面激光反射镜通常不在激光器内部使用,而主要用于外部以形成紧密的光束焦点。

抛物面反射镜的应用

通常,在需要紧密聚焦准直光束或准直紧密聚焦光束的情况下使用抛物面镜,其中光束发散在焦点中很强。 例如,这对于高谐波产生、激光材料加工、无波导的超连续产生(需要极端光学强度)以及荧光显微镜可能是必需的。 此类应用通常需要离轴抛物面镜。

也有光束发散很小的情况,但必须使用远离其中心的镜子。 例如,薄盘激光器中的泵浦辐射通常通过抛物面镜和棱镜反射器重定向。 此外,抛物面反射器通常用于望远镜,激光扫描仪系统,光谱仪和照明。

然而,在大多数情况下,球面激光反射镜完全足以聚焦激光束,因为所涉及的光束发散是适度的。

一些抛物面反射镜可用于极端光谱区域,例如红外光学、紫外线光学甚至X 射线激光器光学领域。

各种应用都需要抛物面反射镜作为定制光学器件,因为与普通球面反射镜相比,具有更基本的器件参数,因此很难从库存镜中获得各方面都满足应用的反射镜。 除了反射表面的特性外,基板的几何形状也很重要。

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