Диэлектри́ческое зе́ркало, зеркало, отражательная способность которого формируется за счёт комбинации тонких диэлектрических слоёв, материал и толщина которых подобраны таким образом, чтобы для данной длины волны падающего излучения или совокупности таких волн происходила конструктивная интерференция.

Диэлектрические зеркала могут иметь высокие коэффициенты отражения, вплоть до значений 0,99999 (суперзеркала) как для отдельных лазерных линий, так и для широких диапазонов длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. В зависимости от величины среднего коэффициента отражения, зависящего от углов падения потока излучения на диэлектрические зеркала, их разделяют на широкополосные и сверхширокополосные.

Принцип действия

Принцип действия диэлектрического зеркала основан на использовании явления интерференции. Материалы диэлектрических слоёв и их толщины подбираются таким образом, чтобы амплитуды всех отражённых лучей от всех границ раздела на выходе складывались. Это достигается чередованием слоёв с разными показателями преломления так, чтобы разность длин оптических путей $\textit{n}_{i}{l}_{i}$ в слоях с высоким показателем преломления была кратной целому числу длин волн падающего света, а в слоях с низким показателем преломления – половине длины волны. Из-за сдвига фаз на 180 градусов на границах слоёв с низким и высоким показателями преломления отражённые волны находятся в фазе. При нормальном падении лучей на зеркало толщина слоёв с низким показателем преломления составляет четверть длины волны.

Ход лучей в диэлектрическом зеркале.Ход лучей в диэлектрическом зеркале.На рисунке показан ход лучей в диэлектрическом зеркале, состоящем из трёх диэлектрических слоёв на подложке. Здесь ${n}_{ос}$ – показатель преломления окружающей среды, ${i}$– показатель преломления ${i}$-й среды, ${N}$ – число слоёв, ${d}_{i}$ – толщина слоя ${i}$-й среды (слоя), $\lambda$ – длина волны падающего света для случая, когда ${n}_{ос}<{n}_{1}$, ${n}_{1}>{n}_{2}$, ${n}_{3}>{n}_{2}$, ${d}_{1}< {d}_{2}$, ${d}_{2}> {d}_{3}$, ${I}_{пад}$ – интенсивность падающего излучения, ${I}_{i}$ – интенсивность отражённого излучения от ${i}$-го слоя. В случае двух слоёв диэлектрическое зеркало представляет собой фотонный кристалл (отражатель Брэгга). Иногда в целях защиты диэлектрических слоёв на них наносится пассивирующее покрытие, препятствующее механическим повреждениям и поступлению кислорода, ухудшающему оптические свойства отражающих слоёв.

Частным случаем диэлектрического зеркала является чирпированное зеркало, предназначенное для отражения широкого спектра частот падающего излучения. Оно состоит из нескольких наборов слоёв разной глубины, каждый из которых отражает определённый спектр волн. В результате зеркало способно отражать широкий диапазон длин волн падающего излучения.

Производство

Диэлектрические зеркала изготавливаются методами вакуумного напыления, химического парофазного осаждения, ионного и химического осаждения и с помощью технологий молекулярно-лучевой эпитаксии. Материалами для подложек диэлектрических зеркал служат плавленый кремний, оптическое стекло, кварц, белое стекло и др.

Слои, используемые для изготовления диэлектрических зеркал, образуют прочные, стойкие к атмосферным воздействиям покрытия, обладающие малым поглощением падающего света и хорошей адгезией друг к другу и к подложке. Для изготовления диэлектрических слоёв используются галогениды (например, $\text{Na}_{3}\text{AlF}_{6}$, $\text{MgF}_{2}$, $\text{ThF}_{4}$ и др.), сульфиды и селениды (например, такие как $\text{ZnS}$, $\text{ZnSe}$, $\text{Sb}_{2}\text{S}_{3}$ и др.), фториды (например, $\text{Na}_{3}\text{AlF}_{6}$, $\text{MgF}_{2}$, $\text{ThF}_{4}$ и др.), оксиды (например, $\text{SiO}_{2}$, $\text{Si}_{2}\text{O}_{3}$, $\text{SiO}$, $\text{Al}_{2}\text{O}_{3}$, $\text{MgO}$, $\text{ThO}_{2}$, $\text{ZrO}_{2}$, в том числе и оксиды редкоземельных металлов $\text{CeO}_{2}$, $\text{TiO}_{2}$ и др.) и полупроводники (для спектральных диапазонов излучений, энергия которых меньше ширины запрещённой зоны используемых полупроводников, например $\text{Si}$, $\text{Ge}$, $\text{Te}$, а также их аморфные формы ${α}{-}\text{Si}$, ${α}{-}\text{Ge}$, и др.).

Применение

Диэлектрические зеркала используются в лазерах, интерферометрах, делителях оптических пучков, в сложных оптических системах и в качестве спектральных фильтров, а также как горячие и холодные зеркала.