Зеркало
Зеркало, тело, обладающее полированной поверхностью и способное образовывать оптич. изображения предметов (в т. ч. источников света), отражая световые лучи. Первые сведения о применении металлических зеркал (из бронзы или серебра) в быту относятся к третьему тысячелетию до н. э. В бронзовом веке зеркала были известны преимущественно в странах Древнего Востока, в железном веке получили более широкое распространение. Лицевая сторона металлических зеркал была гладко отполирована, обратная - покрыта гравированными либо рельефными узорами или изображениями; форма обычно круглая, с ручкой (у древних греков часто в виде скульптурной фигуры). Стеклянные зеркала (с оловянной или свинцовой подкладкой) появились у римлян в 1 веке н. э.; в начале средних веков они исчезли и снова появились только в 13 веке. В 16 веке. была изобретена подводка стеклянных зеркал оловянной амальгамой. С 17 века многообразие форм и типов зеркал (от карманных до огромных трюмо) возрастает; обрамления зеркал становятся более нарядными. Часто зеркала служат отделкой стен и каминов в дворцовых интерьерах эпохи барокко и классицизма. В 20 в. с развитием тенденций функционализма в архитектуре зеркала почти утрачивают декоративную роль и обычно оформляются в соответствии с их бытовым назначением (в простой металлической рамке либо вовсе без обрамления).
Оптические свойства зеркал. Качество зеркал тем выше, чем ближе форма его поверхности к математически правильной. Максимально допустимая величина микронеровностей поверхности определяется назначением зеркал: для астрономических и некоторых лазерных зеркал она не должна превышать 0,1 наименьшей длины волны λmin падающего на зеркала излучения, а для прожекторных или конденсорных зеркал может доходить до 10 λmin.
Положение изображения оптического, даваемого зеркалами, может быть определено по законам геометрической оптики; оно зависит от формы поверхности зеркала и положения изображаемого предмета.
Плоское зеркало - единственная оптическая система, которая дает полностью безаберрационное изображение (всегда мнимое) при любых падающих на него пучках света (см. Аберрации оптических систем). Это свойство плоских зеркал обусловило их широкое использование со всевозможными конструктивными целями (поворот светового пучка, автоколлимация, переворачивание изображений и т. д.); такие зеркала входят в состав точнейших измерительных приборов (напр., интерферометров).
В оптических системах применяют также вогнутые и выпуклые зеркала. Их отражающие поверхности делают сферическими, параболоидальными, эллипсоидальными, тороидальными; применяют и зеркала с поверхностями более сложных форм. Вогнутые зеркала чаще всего (но не всегда) концентрируют энергию пучка света, собирая его, выпуклые - рассеивают. Неплоские зеркала обладают всеми присущими оптическим системам аберрациями, кроме хроматических. Положение изображения предмета, создаваемого зеркалом с поверхностью, обладающей осью симметрии, связано с радиусом кривизны г зеркала в его вершине О (рис. 1) соотношением:
где s - расстояние от вершины О до предмета А, s'- расстояние до изображения А'. Эта формула строго справедлива лишь в предельном случае бесконечно малых углов, образуемых лучами света с осью зеркала; однако она является хорошим приближением и при конечных, но достаточно малых углах. Если предмет находится на расстоянии, которое можно считать бесконечно большим, s' равнофокусному расстоянию s' = f' = r/2.
Свойства отражающих поверхностей. 3еркало должно иметь высокий отражения коэффициент. Большими коэффициентами отражения обладают гладкие металлические поверхности: алюминиевые - в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах, серебряные - в видимом и инфракрасном, золотые - в инфракрасном. Отражение от любого металла сильно зависит от длины волны света λ: с ее увеличением коэффициент отражения Rλ возрастает для некоторых металлов до 99% и более.
Коэффициент отражения у диэлектриков значительно меньше, чем у металлов (для стекла с показателем преломления n = 1,5 всего 4%). Однако, используя интерференцию света в многослойных комбинациях прозрачных диэлектриков, можно получить (в относительно узкой области спектра) отражающие поверхности с коэффициентом отражения более 99% не только в видимом диапазоне, но и в ультрафиолетовом, что невозможно с металлическими поверхностями. Диэлектрические зеркала состоят из большого (13-17) числа слоев двух диэлектриков попеременно с высоким и низким п. Толщина каждого слоя такова, что оптическая длина пути света в нем составляет 1/4 длины волны. Нечетные слои делаются из материала с высоким n (напр., сульфиды цинка, сурьмы, окислы титана, циркония, гафния, тория), а четные - из материала с низким n (фториды магния, стронция, двуокись кремния). Коэффициент отражения диэлектрического зеркала зависит не только от длины волны, но и от угла падения излучения.
Производство зеркал. В древности в качестве зеркал использовали полированные металлические пластины. С развитием стеклоделия металлические зеркала уступили место стеклянным, отражательной поверхностью которых являлись тонкие слои металлов, нанесенных на стекло. Первоначально небольшие зеркала неправильной формы получали, наливая в стеклянный сферический сосуд расплавленный металл, который, застывая, образовывал отражающий слой (после охлаждения сосуд разрезали). Первые стеклянные зеркала значительных размеров изготовляли нанесением на стекло ртутно-оловянной амальгамы. Впоследствии этот вредный для здоровья работающих способ был заменен химическим серебрением, основанным на способности некоторых соединений, содержащих альдегидную группу, восстанавливать из растворов солей серебро в виде металлической пленки. Наиболее распространенный технологический процесс производства зеркал серебрением состоит из следующих основных операций: удаления с поверхности стекла загрязнений и продуктов коррозии, нанесения центров осаждения серебра, собственно серебрения и нанесения защитных покрытий на отражающий слой. Обычно толщина серебряной пленки колеблется от 0,15 до 0,3 мкм. Для электрохимической защиты отражающею слоя его покрывают медной пленкой, соизмеримой по толщине с серебряной. На медную пленку наносят лакокрасочные материалы - поливинилбутиральные, нитроэпоксидные, эпоксидные эмали, предупреждающие механического повреждения защитного слоя. 3еркала технического назначения изготовляют с отражающими пленками из золота, палладия, платины, свинца, хрома, никеля и др.
3еркала изготовляют также способами металлизации стекла катодным распылением и испарением в вакууме. Особенное распространение получает термическое испарение алюминия в вакууме при давлении 6,7*10-2-1,3*10-3 н/м2 (5*10-4-10-5мм рт. ст.). Испарение алюминия осуществляется со жгутов из вольфрамовой проволоки либо из жаропрочного тигля. Подготовка поверхности стекла к алюминированию выполняется еще более тщательно, чем перед химическим серебрением, и включает обезвоживание и обработку электрическим разрядом при значении вакуума 13,3 н/м2 (10-1мм рт. ст.). Толщина алюминиевой пленки для получения зеркал с макс. отражательной способностью должна составлять не менее 0,12 мкм. Благодаря повышенной химической стойкости алюминированные зеркала иногда используются как поверхности наружного отражения, которые защищаются оптически прозрачными слоями А12О3, SiO2, MgF2, ZnS и др. Обычно же слой алюминия покрывается непрозрачными лакокрасочными материалами, такими же, как и при серебрении. Некоторая неравномерность по спектру и ухудшение отражательной способности алюминированных зеркал по сравнению с посеребренными оправданы значит. экономией серебра при массовом производстве зеркал.
Способами катодного распыления и термического испарения могут быть получены зеркала с пленками большинства металлов, а также диэлектриков. Об изготовлении высокоточных оптических зеркал больших размеров см. в ст. Рефлектор.
Применение зеркал в науке, технике и медицине. Свойство вогнутых зеркал фокусировать параллельный их оси пучок света используется в телескопах-рефлекторах. На обратном явлении - преобразовании в зеркале пучка света от источника, находящегося в фокусе, в параллельный пучок - основано действие прожектора. 3еркала, применяемые в сочетании с линзами, образуют обширную группу зеркально-линзовых систем. В лазерах зеркала применяют в качестве элементов оптических резонаторов. Отсутствие хроматических аберраций обусловило использование зеркал в монохроматорах (особенно инфракрасного излучения) и многих других приборах.
Помимо измерительных и оптических приборов, зеркала применяют и в других областях техники, например в гелиоконцентраторах, гелиоустановках и установках для зонной плавки (действие этих устройств основано на свойстве вогнутых зеркал концентрировать в небольшом объеме энергию излучения). В медицине из зеркал наиболее распространен лобный рефлектор - вогнутое зеркало с отверстием посередине, предназначенное для направления узкого пучка света внутрь глаза, уха, носа, глотки и гортани. 3еркала многообразных конструкций и форм применяют также для исследований в стоматологии, хирургии, гинекологии и т. д.
