ZWIERCIADŁA

WYMAGANIA STAWIANE ZWIERCIADŁOM

1. Współczynnik odbicia R ~ 90%. 2. Odporne mechanicznie i o dostatecznie dużej adhezji

do podłoża. 3. Stabilne w czasie.

PODZIAŁ ZWIERCIADEŁ ZE WZGLĘDU NA ZASTOSOWANIE

(a) Zwierciadła do urządzeń optycznych (zwierciadła zewnętrzne)

(b) Zwierciadła kosmetyczne (zwierciadła wewnętrzne)

ZWIERCIADŁA DO URZĄDZEŃ OPTYCZNYCH

I. ZWIERCIADŁA METALOWEWspółczynnik odbicia zwierciadeł cienkowarstwowych zawsze wyższy niż współczynnik odbicia dla powierzchni wypolerowanych wykonanych z tych samych metali.

II. ZWIERCIADLA METALOWE POKRYTE WARSTWĄ DIELEKTRYCZNĄ

Cienka warstwa dielektryczna o grubości 4λ=nd pełni

rolę zabezpieczenia mechanicznego oraz zwiększa współczynnik odbicia, np.:

( )432λOAlAl +

( ) ( )4,4 22λλ CeOMgFAl +

III. ZWIERCIADŁA DIELEKTRYCZNE

Ad I. ZWIERCIADŁA METALOWE

[Al] - powszechnie stosowane zalety:

⇒ duże odbicie w zakresie UV, obszaru widzialnego, podczerwieni (IR),

⇒ dobra adhezja do wielu materiałów, także tworzyw, ⇒ na powierzchni tworzy się samorzutnie warstwa

zabezpieczająca tlenku Al, ⇒ łatwość tworzenia pokrycia wykonanego z Al.

[Ag] – najwyższy współczynnik odbicia (95 ÷ 99%) w obszarze widzialnym (spośród znanych metali).

Wada podstawowa: ulega zmatowieniu przy ekspozycji w powietrzu (tworzy się siarczek srebra). Można stosować w praktyce przez kilka miesięcy, po czym warstwę naparować ponownie.

[Au] – złoto jest prawdopodobnie najlepszym materiałem na zwierciadła pracujące w podczerwieni.

Wady: ⇒ odbicie gwałtownie spada poniżej mµλ 7,0=

⇒ warstwy złota na szkle: mała adhezja i twardość – podatne na uszkodzenia mechaniczne (w praktyce dla zwiększenia adhezji stosuje się Cr + Au lub NiCr + Au )

[Rh][Pt] – współczynnik odbicia znacznie niższy niż Au lub Ag. W obszarze widzialnym nawet R<80%.

Zalety: ⇒ bardzo duża adhezja, ⇒ bardzo duża odporność na korozję i czynniki

atmosferyczne, ⇒ stabilne w czasie.

Zależność współczynnika odbicia R od długości fali λ dla różnych metali.

AD II. ZWIERCIADŁA METALOWE Z POKRYCIEM DIELEKTRYCZNYM

Jak zwiększyć współczynnik odbicia dla zwierciadeł metalowych? – przez pokrycie metalu układem warstw o grubości optycznej ( )4

λ

np.:

przykład:

n(Al) = 0,82 – i 5,99

n(MgF2) = 1,38

n(CeO2) = 2

Rys. Zależność współczynnika odbicia R od długości fali λ dla czystego aluminium oraz dla aluminium z naniesionymi dwoma

parami ćwierćfalowych warstw MgF2 i CeO2.

⇒ Kiedy wysoka wartość współczynnika odbicia ( R bliskie 100%) ma istotne znaczenie?

w bardziej skomplikowanych przyrządach optycznych gdzie mamy wiele odbić:

Ad.III. ZWIERCIADŁA DIELEKTRYCZNE

Dla zwierciadeł metalowych mamy: R + T + A = 1

gdzie: R-odbicie, T - transmisja, A – absorpcja. Ponieważ 0≠A mamy straty energii padającej >>nagrzewanie się lustra.

Można wykonać zwierciadła o wysokim R oraz A≈0 w oparciu o pokrycia dielektryczne (bezabsorpcyjne).

idea :

2

021

021

max

+−

=s

s

nnnnnn

R dla 4

)12(1λ+= mdn

Współczynnik odbicia zwierciadeł dielektrycznych wykonanych na bazie rożnych materiałów

Wniosek:

1. Aby zwiększyć odbicie światła od dielektryka należy go pokryć warstwą o wysokim współczynniku odbicia =>można zwiększyć odbicie do R ~ 80%.

2. Aby uzyskać współczynnik odbicia R~90% należy stosować wielowarstwowe pokrycia dielektryczne.

ob

szar

wid

zizl

ny dla szkła n1 = 1,5 R = 4%

szkło + ( )4λ ZnS n1 = 2,35 R = 33%

szkło + ( )4λ TiO2 n1 = 2,6 R = 40%

p

od

czerw

ień szkło + ( )4

λ Si n1 = 3,6 R = 63%

szkło + ( )4λ Ge n1 = 4 R = 69%

szkło + ( )4λ Te n1 = 5 R = 79%

WIELOWARSTWOWEZWIERCIADŁA DIELEKTRYCZNE

IDEA => należy wykonać pokrycia podłoża nieparzystą ilością warstw (i = 3,5,7,9...) w/g schematu:

przy czym:

i=1,3,5,7... 4)12( λ−= mdn HH

4)12( λ−= mdn LL m=1,2,3,..

Wypadkowy współczynnik odbicia takiego układu /Epstein i Turner/:

2

1

1

1

1

2

11

11

max

+

−=

+−=

−

+

−

+

−+

−+

soiL

iH

soiL

iH

soiL

iH

soiL

iH

nnnn

nnnn

nnnnnnnnR

Niech:

effiL

iH nnn =−

+

1

1

-efektywny współczynnik załamania

(wysoki),

wówczas:Uwaga! Wielowarstwowe pokrycie zastępujemy jedną warstwą!!!

2

2

2

max

+−

=soeff

soeff

nnnnnn

R

Przykład:Zwierciadło dielektryczne na dł. fali 0,46 µm na bazie: ZnS (nZnS=2,3) i kriolitu: Na3AlF6 (n=1,3) na podłożu szklanym ns=1,5. 1 warstwa DH R = 31% nH = 2,33 warstwy DHLH R = 69,5% neff = 3,95 warstw DHLHLH R = 89,1% neff = 6,77 warstw DHLHLHLH R = 96,4% neff = 11,49 warstw DHLHLHLHLH R = 98,8% neff = 19,4

Krzywe teoretyczne R(λ) dla zwierciadeł dielektrycznych

o różnej ilości warstw (i=3,5,7,9), o grubości optycznej ( )4

λ każda, λmax = 460 nm.

Zależność

λ

λ 0R dla układu ( ) ( ) ( )6335,1,35,2:49 AlFNanZnSn LH ==× λ .

Szerokość pasm o wysokim współczynniku odbicia wynosi:

+−

=∆ −

LH

LH

nnnng 1sin2

π, gdzie

λλ 0=g .

czyli dla: 1-szej strefy: g∆+1 3-ciej strefy: g∆+3 5-tej strefy: g∆+5

ZWIERCIADŁA DIELEKTRYCZNE PODSUMOWANIE:

1) Dla wielowarstwowych pokryć dielektrycznych można uzyskać bardzo wysokie współczynniki odbicia R ~ 100%.

2)Absorpcja dla zwierciadeł dielektrycznych A≈0!Może występować jednak rozpraszanie dyfuzyjne światła na wielu warstwach zwierciadła, które powoduje, że R + T < 1. W praktyce A=0,05 ÷ 0,2% związana z rozpraszaniem dyfuzyjnym.

3)Zwierciadła dielektryczne „pracują” w określonych przedziałach widma.

4) Wypadkowy współczynnik odbicia wielowarstwowego zwierciadła dielektrycznego zależy od ilości użytych warstw H, L o grubości optycznej ( )4

λ=nd

Jeśli i to R

ZWIERCIADŁA – ZASTOSOWANIA

1.Zwierciadła o współczynniku odbicia R ≈ 100%

np.:

dla λ = 1µmR = 99,9%

11 warstw

nH (Sb2S3) = 2,7,

nL (CaF2) = 1,42

np.:

dla λ = 0,63µmR = 99,8%

21 warstw

nH (ZnS) = 2,3,

nL (ThOF2) = 1,5

2.Filtry interferencyjne a)metalowe:

Rys. Filtr metalowy

b) dielektryczne:

Rys. Filtr dielektryczny

Warstwy ”półprzepuszczalne”

3.Zwierciadła półprzepuszczalne

Rys. Zwierciadło półprzepuszczalne (dzielnik światła)

4. Zwierciadła laserowe

Rys. Układ zwierciadeł w laserze.

5. Zimne lustra „Cold Light Reflectors” (-CLR-)

idea:

Rys. Zwierciadło projektora filmowego.

Wymagania stawiane zimnym lustrom:1) Wysoki współczynnik odbicia w obszarze widzialnym widma

dla (400 < λ < 700 nm) R > 95 ÷ 98%.

2) Wysoki współczynnik transmisji dla podczerwieni, tj. dla λ = 800 ÷2500 nm.

3) Absorpcja i rozpraszanie w warstwach < 1%

4) Duża stabilność termiczna warstw dla T > 250 ÷ 400 °C.

5) Czas „życia” ~ 5000 h.

W praktyce naparowuje się lustra 19 – 31 warstwowe (kompromis między stawianymi wymaganiami a stopniem złożoności lustra)

Przykład: 21 - warstwowe zimne lustro:

Rys. Rozkład warstw dla 21- warstwowego zimnego lustra na podłożu szklanym.

Rys. Charakterystyka spektralna zimnego lustra.

IRVis

6.Wielowarstwowe zwierciadła dla podczerwieni„IR – REFLECTING MULTILAYER FILMS”

Rys. Charakterystyka spektralna zwierciadła dla podczerwieni

Zastosowanie:w celu zwiększenia wydajności źródeł światłaUWAGA: większość energii wypromieniowanej przez

lampy halogenowe przypada na obszar podczerwieni =>=>lampy są wiec mało-wydajne

Rys. Charakterystyka spektralna wielowarstwowego zwierciadła dielektrycznego zwiększającego odbicie światła w podczerwieni.

- współczynnik odbicia promieniowania podczerwonego ~ 80%!- współczynnik przepuszczalności dla obszaru widzialnego>90%

Vis

Promieniowanie podczerwone po odbiciu od zwierciadła ogniskowane na włóknie lampy halogenowej => następuje wzrost temperatury włókna!!!Można zaoszczędzić ~ 20% energii elektrycznej przy tym samym strumieniu światła!

Przykład: źródło 400W (ze zwierciadłem) <=> źródło 500 Wźródło 250 W (ze zwierciadłem) <=> źródło 300 W

Rys. Żarówka dla iluminatorów z wielowarstwowym zwierciadłem dielektrycznym.

W praktyce wytwarza się 3 typy zimnych luster: „miękkie” zimne lustra (soft CLR) MgF2

)35,1(2 =LnMgF / )28,2( =HnZnS „półtwarde zimne lustra” (semi–hard CLR)

)46,1(2 =LnSiO / )28,2( =HnZnS „twarde zimne lustra” (hard CLR)

)46,1(2 =LnSiO / )4,2(2 =HnTiO(Najlepsze parametry – tzn. chemiczna i fizyczna stabilność, długi czas życia)

Zastosowanie zimnych lustera.projektory dla kinotechniki, projektory dla slajdów oraz mikrofilmów,b.dla układów oświetlających na salach operacyjnych, oświetlacze dentystyczne,c.w endoskopach światłowodowych,d.w oświetlaczach mikroskopowych,

Uwaga: Wprowadzenie lamp halogenowych do 5-cm reflektorów spowodowało wzrost zapotrzebowania na zimne lustra ~100.000.000szt./rok!

Rys. Reflektor halogenowy z zimnym lustrem

Zabezpieczanie przed przegrzaniem tkanek biologicznych

7.Zwierciadła samochodowe a)„klasyczne”

zwierciadła: płaskie, sferyczne i asferyczne

Rys. Przykładowe konstrukcje zwierciadeł samochodowych

b) o regulowanym współczynniku odbicia

stan 1: R ≈ 70%

dla U = 0 Vstan 2: R ≈ 10%

dla U = 1,2 V

Rys. Układ zwierciadła samochodowego o regulowanym współczynniku odbicia światła