水晶技术之薄膜光学系列 | 高反射镜——照亮你我的世界

高反射镜的作用及应用

高反射镜，是一种重要的光学元件，其主要功能是提高光学表面的反射光，降低光的透射量。高反射镜因其卓越的反射性能，在科学研究、工业制造、通讯技术以及日常生活等多个方面都发挥着重要作用，比如：在激光系统中，高反射镜是关键元件，用于构建激光谐振腔，能高效反射光束，使得光在腔内来回反射，增强光的幅度，从而显著提高激光器的输出功率和光束质量；在各种光学仪器如望远镜、显微镜、光谱仪等中，高反射镜被用来精准控制光路，提高成像质量和亮度，确保观察或测量的准确性；在成像系统中，特别是在需要高保真度的扫描反射成像系统中，如高清投影仪、医疗影像设备等，高反射镜能够确保图像不失真，无重影，且色彩与亮度更为逼真。

下图显示了一块放置于电脑屏幕前的高反射镜，该高反射镜被设计成可见光波段具有极高的反射率，因而能清晰地反射并显示屏幕里的水晶标志。

高反射镜的结构及分类

高反射镜的制作材料和涂层结构对其性能至关重要。它们通常由玻璃或其他光学基材制成，并在其表面涂覆一层或多层特定的金属膜或介质膜。这些薄膜经过精心设计，可以针对特定波长或波段的光实现高反射光学特性。

高反射镜按照镀膜材料可分为金属高反射镜和介质高反射镜。相比介质高反射镜，金属高反射镜的结构和原理相对更简单，与生活也更加密切，因而下文就依此为例，通过几个简单的公式和生活中常见的物质，给读者介绍一下金属高反射镜的工作原理。

高反射镜的原理

A.菲涅尔反射公式

首先要引入的是菲涅尔反射公式，它是光学中的一个重要公式，用来描述光在不同折射率介质之间的反射行为。对于折射率分别为n0和ng两种介质界面的反射特性，光线垂直入射时的反射率可以用式（1）来表示。例如，当一束光从空气入射到普通光学玻璃上时，空气折射率n0为1，玻璃折射率ng为1.52，将它们带入到式（1）中，便可轻松算出反射率R约为4%。值得说明的是这仅仅是玻璃单面的反射率，双面总的反射率约为8%，相应的透过率则为92%。

B.宝石为什么这么闪耀？

不仅局限于科学研究中，生活中很多的现象，我们也可根据上述原理进行解释。蓝宝石和钻石是生活中常见的两种宝石，因其闪耀的光泽，深受人们的喜爱。事实上一颗宝石是否闪烁璀璨，完全取决于它们的折射率！蓝宝石的折射率为1.76，反射率达到7.6%；钻石的折射率为2.42，反射率更是高达17%，因而它们能在灯光下泛出各种美丽的色彩斑斓的颜色。

C.金属膜的反射

对于金属膜，反射原理会稍显复杂一些。它们是利用金属较大的消光系数，实现高的反射。金属的折射率需要用复折射率来表示，即N=n-ik，其中n为折射率，k与吸收相关，称为消光系数，此时金属膜的反射率可用式（2）来表示。

例如，当一束光从空气垂直入射到金属银反射镜上时，在495.9nm处，复折射率N为0.05-3.093i，反射率R为98.1%；在652.5nm处，复折射率N为0.05-4.43i，反射率R为99.0%。这种在可见光波段具有极高反射率的特性令金属呈现出一定的金属光泽。

但金属的n&k值跟波长有很大的关系，因此金属在不同波长处的反射特性会有很大的差异。比如在258nm处，金属银的复折射率N为1.34-1.391i，反射率R仅为27.7%。金属这种不同波长处反射率剧烈变化的特性，令不同的金属呈现出特定的金属光泽的同时，也影响着它们的应用范围。

D.金属膜的选择

虽然金属的种类很多，但能同时满足消光系数大和光学性质稳定这两种要求的金属非常有限。其中金、银、铝是常用的金属反射膜材料。金膜在红外区的反射率很高，它的强度和稳定性比银膜好，所以常用它作为红外反射镜，如CO2激光器（波长10.6μm）的反射膜。银膜在可见光区（95%）和红外区（99%）具有极高的反射率，而铝膜是唯一从紫外区到红外区都具有很高反射率的材料。因而实际使用时，需要根据工作波长选择合适的金属材料作为反射膜。

E.金属膜的保护

由于银、铝等金属在空气中极易被氧化，因此，采用这些金属作为反射膜时，还必须在膜的外侧加镀一层介质保护层，如一氧化硅、二氧化硅、三氧化二铝等。

结束语

生活中的反射现象随处可见，感兴趣的读者通过本文的学习后，不妨动动手，查查资料，亲自算一算自然界中其它物质的反射，你会发现它们并不神秘。在这个过程中，不仅增长了科学知识，也拉近了与自然的距离，何乐而不为呢。

薄膜研究所

薄膜研究所致力于镀膜前瞻技术与材料技术的融合，通过分子级的结构重构，为材料带来全新的性能和功能应用，如用于3D识别的低角度偏移窄带滤光膜，用于生物识别的半导体光学薄膜，具备电性、功能性的光学薄膜，堪比蓝宝石硬度的功能薄膜，具有超低反射特性的亚波长结构薄膜，用于消除系统杂散光的金属黑膜或介质黑膜等。

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