Зеркало оптическое – оптическая деталь (выполненная из стекла, металла, ситалла или пластмассы), одна из поверхностей которой обладает правильной формой, покрыта отражающим слоем и имеет шероховатость, не большую сотых долей длины волны света. В зависимости от типа покрытия различают зеркала металлизированные, в которых отражающее покрытие выполнено из алюминия, серебра, золота и других металлов, и зеркала диэлектрические с отражающим покрытием, образованным чередованием тонких слоев диэлектриков, например сернистого цинка, трёхсернистого цинка и т. п. Действие последних основано на явлении интерференции света, возникающей в тонких слоях. Вследствие этого диэлектрические зеркала обладают ярко выраженной селективностью – способностью отражать свет узкого спектрального диапазона, а также поляризацией.

Качество зеркала тем выше, чем ближе форма его поверхности к математически правильной (сферической, цилиндрической, параболоидальной и т. д.). Широко применяют также плоские зеркала, которые служат для изменения направления световых лучей в соответствии с законом отражения от плоской поверхности. Положение изображения, даваемого зеркала, может быть получено из общих законов геометрической оптики. Если отражающая поверхность обладает осью симметрии, то положение предмета и его изображения связаны с радиусом кривизны r у вершины О (рисунок 1) соотношением:

1/S' + 1/S = 2/r,

где S – расстояние от вершины оптического зеркала до предмета A, S' – расстояние до изображения А'.

Эта формула строго выполняется в параксиальной области, т. е. при бесконечно малых углах лучей, образуемых с осью зеркала. Бесконечно малый отрезок прямой длиной l, перпендикулярной оси, изображается отрезком прямой l', также перпендикулярным оси, причём l' = lS'/S. Если предмет находится на бесконечности, то х' равно фокусному расстоянию зеркала: S'=f'–r/2. Фокальная плоскость находится на расстоянии r/2 от вершины зеркала. Зеркала обладают всеми аберрациями, свойственными обычным оптическим системам, за исключением хроматических. Последнее обстоятельство делает особенно ценным применение зеркала в астрономии, телескопах, в монохроматорах (особенно инфракрасных) и других приборах. Приведём выражение для аберрации в изображении бесконечно удалённого точечного источника, полученного с помощью одиночного зеркала. Если меридиональный луч образует с осью зеркала угол w (рисунок 2), то расстояние FA' между осью и точкой А' пересечения лучом фокальной плоскости FA'=f*'tg w+z, где z – поперечная аберрация, определяемая уравнением (1):

(1)

где х – расстояние от вершины зеркала до входного зрачка, w'=h/f', e – эксцентриситет меридионального сечения поверхности зеркала. Все величины на рисунке 2 положительны. Первый член в уравнении (1), пропорциональный , описывает сферическую аберрацию, второй – кому, третий определяет астигматизм и кривизну поля изображений, четвёртый – дисперсию.

Свойство вогнутых зеркал фокусировать параллельный их оси пучок света используется в телескопах-рефлекторах. На обратном явлении – преобразовании в зеркало пучка света от источника, находящегося в фокусе, в параллельный пучок – основано действие прожектора. Зеркала, 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 зеркала 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 объёме энергию излучения). В медицине из зеркал наиболее распространён лобный рефлектор – вогнутое зеркало с отверстием посередине, предназначенное для направления узкого пучка света внутрь глаза, уха, носа, глотки и гортани. Зеркала многообразных конструкций и форм применяют также для исследований в стоматологии, хирургии, гинекологии и т.д.

В древности в качестве зеркала использовали полированные металлические пластины. С развитием стеклоделия металлические зеркала уступили место стеклянным, отражательной поверхностью которых являлись тонкие слои металлов, нанесённых 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 металлическом плёнки. Наиболее распространённый технологический процесс производства зеркала 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 плёнки колеблется от 0,15 до 0,3 мкм. Для электрохимической защиты отражающего слоя его покрывают медной плёнкой, соизмеримой по толщине с серебряной. На медную плёнку наносят лакокрасочные материалы – поливинилбутиральные, нитроэпоксидные, эпоксидные эмали, предупреждающие механические повреждения защитного слоя. Зеркало технического назначения изготовляют с отражающими плёнками из золота, палладия, платины, свинца, хрома, никеля и других.

Зеркало изготовляют также способами металлизации стекла катодным распылением и испарением в вакууме. Особенное распространение получает термическое испарение алюминия в вакууме. Испарение алюминия осуществляется со жгутов из вольфрамовой проволоки либо из жаропрочного тигля. Подготовка поверхности стекла к алюминированию выполняется ещё более тщательно, чем перед химическим серебрением, и включает обезвоживание и обработку электрическим разрядом. Толщина алюминиевой плёнки для получения зеркала с максимальной 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 Al₂O₃, SiO₂, MgF₂, ZnS и другие. Обычно же слой алюминия покрывается непрозрачными лакокрасочными материалами, такими же, как и при серебрении. Некоторая неравномерность по спектру и ухудшение отражательной способности алюминированных Зеркало по сравнению с посеребрёнными оправданы значительной экономией серебра при массовом производстве зеркал.

Способами катодного распыления и термического испарения могут быть получены зеркала с плёнками большинства металлов, а также диэлектриков.

Зеркало 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: с её увеличением коэффициента отражения возрастает для некоторых металлов до 99% и более (рисунок 1).

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 n. Толщина каждого слоя такова, что оптическая длина пути света в нём составляет 1/4 длины волны. Нечётные слои делаются из материала с высоким n (например, сульфиды цинка, сурьмы, окислы титана, циркония, гафния, тория), а чётные – из материала с низким n (фториды магния, стронция, двуокись кремния). Коэффициент отражения диэлектрического Зеркало зависит не только от длины волны, но и от угла падения излучения.