Многослойные сильные отражатели
Не только в древности, но и до самого последнего времени ученые молчаливо принимали, что для получения высокой отражательной способности необходимы металлические поверхности или покрытия. Тот факт, что высокую отражательную способность может иметь стопка тонких пластинок, на протяжении последнего столетия часто использовался при изложении курса оптики, но значение этого факта явно недооценивалось. Если стопку тонких предметных стекол, применяемых в микроскопии, — дюжины две — положить на стол, то свет отразится от этой стопки почти так же, как от хорошего зеркала. Причина ясна. От двух поверхностей каждого кусочка стекла отражается 4% света. Эти проценты складываются, и если число пластинок достаточно велико (и если они достаточно тонки, чтобы не сказывалось поглощение), то отражается удивительно большое количество света — почти такое же, как в случае металлических поверхностей.
Этот эффект, с добавлением «просветляющих» покрытий, сделал возможным создать эффективные отражатели, которые лучше самых лучших металлических рефлекторов (серебро отражает 97%). В то же время эти особые отражатели совершенно не поглощают света, т. е. полностью пропускают то небольшое количество света, которое они не отражают. Этот факт приобрел очень большую ценность в связи с созданием некоторых приборов, как мы вскоре увидим.
Вспомним, что просветляющий антиотражательный слой, осаждаемый на стекло, должен иметь показатель преломления меньше, чем у стекла. Если же на стекло нанести слой толщиной в четверть длины волны из вещества с более высоким, чем у стекла, показателем преломления, то имеет место противоположный эффект. Подходящим веществом является сернистый цинк, и если нанести слой этого вещества нужной толщины, то при отражении света от верхней и нижней поверхностей этого слоя вместо взаимного уничтожения противоположных по фазе лучей произойдет их усиление. Известно, что у прозрачных материалов существует закономерность: чем выше показатель преломления, тем выше и коэффициент отражения. Например, отражательная способность у такого сильно преломляющего вещества, как алмаз, действительно составляет 18% |(а у менее преломляющего стекла — всего 4%). Сернистому цинку благодаря высокому показателю преломления свойственна и высокая отражательная способность. В результате осаждение тонкого слоя повышает отражательную способность стекла с 4 до 30%. Этот факт сам по себе получил полезное применение в оптической промышленности.
Если на поверхность стекла нанести такой сильно отражающий слой, затем поверх этого слоя — слабо отражающий слой типа тех, которые используются для просветления, затем поверх этого слоя — второй сильно отражающий слой и т. д., соорудив «бутерброд» из попеременно то сильно, то слабо отражающих слоев, каждый толщиной в четверть длины волны, то отражательная способность при этом возрастает. «Бутерброд» из пяти слоев имеет полную отражательную способность 87 %, а для девяти слоев она достигает поразительно высокого значения 97 %. Так как девять слоев — это тонкая стопочка прозрачного вещества, то надань щий на них свет практически не поглощается, а остаток проето проходит насквозь. В случае металлических слоев, используемых в многолучевой интерферометрии, можно было бы добиться отражения 97%, но насквозь пройдет лишь небольшая доля процента света, весь же остальной свет будет поглощен. Некоторые делали «бутерброды» из 21 слоя, нов таких случаях трудно соблюдать необходимую точность в толщине каждого слоя; и все же «бутерброды», отражающие 99%, уже не редкость.
Строго говоря, высокая отражательная способность имеет место лишь в той длине волны, для которой толщина слоев равна четверти ее длины. Поэтому отражение сконцентрировано в узкой полосе спектра и довольно быстро ослабевает для соседних длин волн.
Многослойные сильные отражатели имеют много любопытных применений в современной оптике, число которых постоянно расширяется. Во многих случаях используется их высокая селективность; ведь они не только сильные отражатели в той области волн, на которую были рассчитаны, но одновременно они совершенно прозрачны и имеют весьма слабую отражательную способность для соседних длин волн. Одним из необычных приложений этого свойства было создание рефлектора, который отражает только яркий видимый свет, но теряет тепловое излучение яркого и горячего источника. Источник теплового излучепия помещают перед стеклянным отражательным зеркалом с многослойным покрытием, имеющим широкий максимум отражения, охватывающий всю видимую область (за счет некоторого уменьшения отражательной способности этот максимум можно растянуть на более широкую область длин волн). В то же время выбранный многослойный отражатель почти полностью прозрачен для более длинноволнового инфракрасного (теплового) излучения. Поэтому зеркало отражает вперед в требуемом направлении весь видимый свет, а нежелательные тепловые лучи выводятся назад через рефлектор. Обычный металлический рефлектор или стеклянная линзовая система не могли бы изолировать тепловое излучение от видимого света.
Та же идея была предложена для защиты искусственных спутников. Большая часть солнечной энергии в космическом пространстве, вне защиты атмосферы, приходится на тепловое излучение. Спутник можно было бы покрыть многослойной пленкой так, чтобы он отражал интенсивный солнечный свет. В то же время, поскольку этот слой прозрачен для тепловых лучей, внутреннее тепло спутника может излучаться наружу через прозрачное к тепловым лучам покрытие. Если же спутник покрыть металлическим отражающим слоем, то большая часть солнечного света, падающего на спутник, будет отражаться, но это же покрытие не будет пропускать тепло, генерируемое внутри спутника. Хотя появились сообщения о реализации этой идеи, какихлибо цифровых данных о ее эффективности не публиковалось. Одной из трудноразрешимых проблем оказалось обеспечение нужной толщины слоя на столь большом объекте.
Многослойные отражатели широко применяются в специальных оптических приборах. В некоторых оптических устройствах увеличение коэффициента отражения даже менее чем на 1 % может привести к важным качественным изменениям, в особенности когда отражательная способность становится близкой к 100%. При помощи многочисленных отражателей были созданы очень узкополосные фильтры, способные выделить из белого света очень узкие участки длин волн. Например, в некоторых серийных интерференционных микроскопах для цветовой контрастной интерферометрии используется яркий источник белого света. Если же желательно переключиться на монохроматический источник света, то достаточно поставить на пути луча многослойный монохроматический интерференционный фильтр, и он выделит из источника белого света нужную полосу длин волн.