Что это такое: эллипсоидальные зеркала?

Эллипсоидальное зеркало это часть поверхности эллипоида. Обычно это "вытянутый " (prolate), эллипсоид вращения (как мяч для регби, см. рисунок ниже).

Как используют эллипсоидальные зеркала?

У эллипсоида есть свойство, что луч вышедший из одного его фокуса, всегда попадёт в его второй фокус (см. рисунок ниже). Соответственно, эллипсоидальное зеркало используется для фокусировки излучения расходящегося из точечного источника. При этом, в отличии от тороидальных зеркал, у эллипсоидальных зеркал угол падения излучения на отражающую поверхность может быть любой (у тороидальных зеркал он должен быть большим).

Эллипсоидальные зеркала часто используют для отражения излучения с короткими длинами волн (менее 50-100 нм и вплоть до единиц нм). Для того, чтобы в этом спектральном диапазоне добиться заметного коэфициента отражения зеркала необходимо использовать очень большие углы падения (обычно это 70-85 градусов и вплоть до 89.5 градусов, отсюда и термин "скользящий угол", который равен 90 градусов минус угол падения). Сферические поверхности при таких больших углах падения дадут очень большие абберации, поэтому вместо них можно использовать эллипсоидальную форму отражающей поверхности, которая лишена этого недостатка.

Какие эллипсоидальные зеркала мы можем сделать?

Какие недостатоки у эллипсоидальных зеркал?

Фактически единственный недостаток эллипсоидальных зеркал это высокая сложность их производства и как следствие - их высокая стоимость и более длительные сроки изготовления (особенно для зеркал с большой асферичностью). Также для изготовления эллипсоидальных зеркал с хорошей точностью формы отражающей поверхности нужно как специальное оборудование для их производства, так и специальное редкое и дорогое оборудования для измерения точности изготовляемого зеркала (обычный, пусть даже самый дорогой например промышленный Zygo - его будет недостаточно для проведения измерений в такой НЕ осесимметричной оптической схеме). Поэтому найти кого-то, кто сможет сделать эллипсоидальное зеркало с точностью лучше чем приблизительно RMS λ/10 и микрошероховатостью около RMS 0.5 нм, очень сложно. При этом, простая арифметика показывает, что при работе зеркала с длинами волн менее 10-100 нм, точность формы поверхности должна быть ближе к RMS λ/50 ... λ/100 (где λ = стандартные 633 нм).

Какие достоинства у эллипсоидальных зеркал?

Главное достоинство эллипсоидальных зеркал в том, что у них фактически вообще нет аббераций (во всяком случае с практической точки зрения). Т.е. при достоточно хорошей точности изготовления формы отражающей поверхности, совершенно не важно - какие расстояние до источника и изображения, не важно какой угол падения и какие размеры зеркала - всегда сфокусированное пятно (оно же - это изображение источника) будет одинаково минимальным, вплоть до дифракционных ограничений (тогда как для тороидальных зеркал размер минимального сфокусированное пятна сильно зависит от оптической схемы и может давать как дифракционно ограниченное сфокусированное пятно, так и например "классическую бабочку" милиметрового размера, см. ниже пример).

Важно! Искажения будут присутствоваать даже при очень высокой точности изготовления тороидальной формы отражающей поверхности. При этом важно понимать, что использование оптических схем с так называемой "2f геометрией" (это когда S=S') не даёт гарантированного решения проблемы аббераций, пример можно посмотреть вот тут. Также широко распространёно заблуждение, что использование двух одинаковых сопряжённых тороидальных зеркал позволяет избавиться от больших сферических искажений (в теории это действительно так - второй тороид должен компенсировать искажения, внесённые первым тороидом). Но в реальной практике всё намного сложнее, например, см. третью страницу нашей типовой котировки, где моделируется стабильность реальной схемы с двумя одинаковыми сопряженными тороидальными зеркалами).

Таким образом, главный вывод - использовать эллипсоидальное зеркало это фактически единственный гарантированный способ получить то лучшее сфокусированное пятно, которое можно теоретически получить в этой оптической схеме.

Что самое главное в зеркале?

Обычно для заказчика очень важно, насколько маленькое пятно в плоскости изображения может быть сформировано зеркалом (см. рисунок ниже). Даже если используется схема, где S' равно бесконечности (коллимированный луч после отражения), этот параметр позволяет оценить, насколько хорошим будет выходной луч.

От чего зависит размер пятна в плоскости изображения?

На размер пятна в плоскости изображения могут влиять множество разных факторов, но из реальной практики это в основном сферические аберрации, точность изготовления формы поверхности зеркала, а также иногда дифракционные ограничения на рабочей длине волны. Также часто крайне важна точность юстировки, так как иногда например ошибка положения зеркала всего в несколько микрон может увеличить диаметр сфокусированного пятна в несколько раз.

Общий принцип заключается в том, что чем ближе размер сфокусированного пятна
к дифракционному пределу, тем дороже такое зеркало.

Так какая именно спецификация зеркала Вам нужна?

Это зависит от Вашей задачи и выделяемых на покупку финансов. Грамотнее и правильнее всего будет заполнить нашу специальную "запросную форму" (вот тут есть помощь в заполнении (pdf)). Также желательно приложить к запросной форме описание Вашей оптической схемы (хотя бы кратко словами в общих цертах), в которой будет работать зеркало и всё это отправить на наш электронный ящик quote@precise-mirrors.ru. Далее, наши специалисты сами подберут несколько подходящих для Вас вариантов (см. пример типовой котировки для одиночного зеркала или для двух сопряжённых зеркал).

Вы также можете отправить подробную точную спецификацию нужного Вам зеркала с чертежами, описанием типа формы поверхности, рассчитанными радиусами, с всеми допусками и пр. Но даже в этом случае, лучше добавить хотя бы минимальную информацию по углу падения, размеру источника и желаемому размеру изображения. Из нашей богатой практики, в таких случаях часто получается как минимум оптимизировать радиуса, с которыми результат будет немного лучше и при этом заказчик не несёт никаких дополнительных расходов.

Также Вы можете и не заполнять "запросную форму", и не отправлять подробную точную спецификацию нужного Вам зеркала, а вместо этого отправить описание Вашей задачи (зеркала) в произвольной форме на тот же электронный адрес quote@precise-mirrors.ru. Но в этом случае, такой запрос может обрабатываться значительно дольше.