电介质反射镜

2021-02-23 14:32:31 浏览:597

定义

包含多层不同透明光学材料的反射镜。

电介质反射镜是采用了多层不同(通常是两种)透明光学材料得到的反射镜。尽管两材料界面处的菲涅尔反射系数很小(由于折射率差别很小),但是多个界面处的反射会发生相长干涉(在某一波长范围),可以实现很高的反射率。最简单和常见的设计是布拉格反射镜,其中所有的光学材料层的厚度只有设计波长的四分之一。这种设计在给定层数和给定材料的情况下,能够得到最高的反射率。也可以设计对于不同波长具有可控制的反射性质的二色性反射镜。

采用更加复杂的多层结构设计可以得到一些特定的功能,例如:

1、反射带宽更宽
2、不同波长范围具有不同的反射率值
3、特定的偏振性质(非垂直入射):薄膜偏振片,偏振分束器,非偏振分束器
4、边缘滤波器,例如,长波通滤波器,高通滤波器,带通滤波器
5、特制的色散性质

薄膜层的数目与需要的功能和涂层材料之间的折射率差密切相关。有些情况下,只需要采用较少的薄层即可,也有的情况需要大于100层介质。

激光器的谐振腔反射镜基本上都是电介质反射镜,可以实现非常高的反射率,能够>99.9%,并且其有限的反射带宽有利于通过谐振腔的折叠式反射镜使泵浦光通过。考虑到该用途,二色性反射镜也称为激光反射镜。

优化的布拉格反射镜也称为超反射镜,具有更高的反射率,极限情况下甚至高于99.9999%,可以制作Q因子很高的光学谐振腔。

电介质反射镜通常只能在可见光很小的光谱范围内具有很高的反射率,而不是像其他反射镜(如银反射镜)一样用于家用:电介质反射镜对可见光是透明的,并且根据视角不同显示不同的颜色。也很难确定应该在衬底的哪一侧涂覆反射镜涂层。

电介质多层反射镜可以制作在平面和曲面上。后者情况下,反射镜用来聚焦或散焦。例如,曲率半径为R的凹面镜,在正入射时焦距为R/2。曲率半径较小时(例如,小于10 mm),涂层的均匀性和稳定性非常重要。

计算反射镜性质

多层介质反射镜的反射性质(包括色散)可以采用基于矩阵方法的模型软件进行计算,这时每一层介质都可以看做2*2的复数矩阵,然后所有的矩阵相乘就可以得到整个层状结构的矩阵。通过该矩阵,可以计算反射和透射波的复振幅,以及结构中的场分布。色散来自于复数反射系数和复数透射系数随频率的变化,它也可以根据菲涅尔方程计算得到。

如果材料存在吸收时,需要考虑很多复杂的数学问题。如何精确获取材料的数据就是一个问题,尤其是材料的折射率与制备方法有很大关系的情况下。

通常来讲,随着入射角度的增加,反射光谱会向更短波长处移动,这时因为波矢在垂直于反射镜表面方向上的投影会减小。

设计电介质反射镜

有时设计电介质反射镜符合特定的标准很困难,例如:

1、在不同波长处反射率不同
2、很宽的反射范围
3、抗反射性质
4、特定的偏振性质(非垂直入射)
5、特定的色散曲线
6、对生长误差不敏感

符合这些要求的电介质反射镜只能采用数值优化算法进行设计,当然也有一些分析设计方法可以满足某些设计目标(例如,啁啾反射镜用作色散反射镜)。由于设计的参数很多,因此算法存在技术难度,并且存在很多的局部最大值导致很难找到总体的峰值。因此有效的优化过程需要先进的反射镜设计软件,可以通过采用蒙特卡洛方法、定义多个复杂的方程(将生长误差考虑在内)来进行有效的多维优化过程。

除了技术上的优化问题之外,还有其它的限制因素。大多数情况下,设计需要权衡所得到的光学性质、所需的层数和生长精度。

参考文献

[1] J. A. Dobrowolski and D. G. Lowe, “Optical thin film synthesis program based on the use of Fourier transforms”, Appl. Opt. 17 (19), 3039 (1978)
[2] J. A. Dobrowolski and R. A. Kemp, “Refinement of optical multilayer systems with different optimization procedures”, Appl. Opt. 29 (19), 2876 (1990)
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[5] A. Thelen, Design of Optical Interference Coatings, McGraw–Hill (1989)
[6] N. Kaiser (ed.), Optical Interference Coatings, Springer, Berlin (2003)

参阅:反射镜、激光反射镜、布拉格反射镜、二色性反射镜、啁啾反射镜、电介质涂层、抗反射涂层、分束器、薄膜偏振片、金属涂层反射镜、菲涅尔方程

光学器件

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