Nhìn lại quá khứ, có lẽ những chiếc gương và những thấu kính thô sơ là nguyên tố quang học cổ nhất được con người sử dụng để khai thác sức mạnh của ánh sáng. Không nghi ngờ gì nữa, những người ở trong hang động thời tiền sử đã bị thôi miên bởi sự phản xạ của họ trong ao hoặc những vật chứa nước phẳng lặng khác, nhưng những chiếc gương nhân tạo cổ nhất vẫn không được phát hiện, mãi cho đến những đồ tạo tác hình kim tự tháp Ai Cập có niên đại khoảng 1900 năm trước Công nguyên được xác định. Những cái gương trong thời kì Hy Lạp – La Mã và thời Trung đại gồm các kim loại có độ bóng cao, như đồng thiếc, thiếc, hoặc bạc, rập khuôn trong những cái đĩa hơi lồi, đã phục vụ nhân loại hơn một thiên niên kỉ.
Mãi cho đến cuối thế kỉ thứ 12 hoặc đầu thế kỉ thứ 13 thì việc sử dụng thủy tinh có mặt sau tráng kim loại mới được phát triển để tạo ra gương soi, nhưng sự tinh tế của kĩ thuật này phải mất thêm vài trăm năm nữa. Vào thế kỉ 16, những người thợ thủ công thành Venice đã chế tạo được những chiếc gương đẹp cấu tạo từ một bản thủy tinh phẳng phủ một lớp mỏng hỗn hống thủy ngân – thiếc (xem hình 1). Hơn vài trăm năm sau, các chuyên gia người Đức và Pháp đã phát triển việc chế tạo gương thành một nghệ thuật tinh tế, và những chiếc gương được gia công sắc sảo đã trang hoàng các đại sảnh, phòng tiệc, phòng làm việc và phòng ngủ của giới quý tộc châu Âu.
Cuối cùng, vào giữa những năm 1800, nhà hóa học hữu cơ người Đức Justus von Liebig đã nghĩ ra một phương pháp làm lắng bạc kim loại lên một mặt thủy tinh được khắc trước bằng cách khử hóa học dung dịch bạc nitrat. Khám phá này là một tiến bộ lớn cho công nghệ dùng cho ngành công nghiệp gương trong một thời gian dài và báo trước một thời kì mới trong đó các gương có thể được chế tạo từ bất cứ thứ gì làm từ thủy tinh. Những chiếc gương gia dụng và thương mại hiện đại còn cải tiến thêm một bước nữa, và luôn được chế tạo bằng cách thổi một lớp mỏng nhôm hoặc bạc lên phía sau bản thủy tinh trong lúc đặt trong chân không. Các dụng cụ khoa học và quang học yêu cầu công nghệ chế tạo tinh vi hơn, bao gồm cho lắng chân không nhiều lớp màng mỏng chất liệu chuyên dụng, đánh bóng đến độ chính xác cao và có lớp phủ chống trầy xước.
Phản xạ ánh sáng là một tính chất vốn có và có tầm quan trọng cơ sở của các gương và được định lượng bằng tỉ số giữa lượng ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt và lượng ánh sáng tới bề mặt, tỉ số này gọi là hệ số phản xạ. Các gương có cấu trúc và thiết kế khác nhau thì hệ số phản xạ của chúng cũng khác nhau nhiều, từ gần 100% đối với các gương có độ bóng cao phủ kim loại phản xạ các bước sóng khả kiến và hồng ngoại, tới gần 0% đối với các chất liệu hấp thụ mạnh.
Ảnh hình thành bởi gương có thể là thực hoặc ảo, phụ thuộc vào vị trí tương đối của vật đối với gương, và có thể đoán trước chính xác về kích thước và vị trí từ những phép toán dựa trên cơ sở hình học. Ảnh thật hình thành khi các tia tới và tia phản xạ giao nhau phía trước gương, còn ảnh ảo xuất hiện tại điểm mà phần kéo dài của tia tới và tia phản xạ hội tụ phía sau gương. Gương phẳng tạo ra ảnh ảo, vì điểm hội tụ, nơi phần kéo dài của tia tới và tia phản xạ giao nhau, nằm ở phía sau bề mặt phản xạ.
Ở mặt trước hoặc mặt sau của gương phẳng có thể phủ một lớp chất phản xạ thích hợp. Các gương gia dụng phổ biến được phủ ở mặt sau sao cho mặt phản xạ được bảo vệ bởi thủy tinh, nhưng các gương thiết kế cho những ứng dụng khoa học quan trọng hoặc trong các hệ quang cụ thường được phủ ở mặt trước, và được gọi là gương mặt trước. Các đặc trưng ảnh của gương phẳng có thể xác định bằng việc tính vị trí và khoảng cách của vật đến mặt gương (xem hình 2). Đối với tất cả gương phẳng, vật và ảnh ảo nằm ở khoảng cách bằng nhau tính từ mặt phản xạ, và mỗi tia sáng sẽ tuân theo định luật phản xạ (tia tới và tia phản xạ chạm tới và hợp với trục quang những góc bằng nhau). Ảnh tạo bởi gương phẳng xuất hiện bằng kích thước với vật, và thẳng đứng (cùng chiều). Các nhà trang trí nội thất thường sử dụng các tính chất quang học của gương phẳng để tạo ra sự rọi sáng sao cho căn phòng trông rộng gấp hai lần kích thước thực của nó.
Như minh họa trong hình 2, nhà quan sát hình dung một vật phản xạ bởi gương nằm ở phía sau gương, vì mắt nội suy các tia sáng phản xạ theo đường thẳng đến điểm hội tụ. Sự thay đổi duy nhất ở vật, điểu hiển nhiên khi khảo sát sự phản xạ, là nó quay đi 180 độ xung quanh mặt phẳng gương, một hiệu ứng thường được gọi là sự đảo ảnh. Như vậy, ảnh gương của một vật không đối xứng, ví dụ như bàn tay người, sẽ bị đảo ngược (trong thực tế, ảnh gương của bàn tay trái sẽ trông như bàn tay phải). Sự hoán đổi từ hệ tọa độ thuận sang hệ tọa độ nghịch trong không gian vật gọi là sự nghịch đảo, và nhiều mặt phẳng gương có thể được dùng để tạo ra số nghịch đảo chẵn hoặc lẻ.
Để phản xạ sóng ánh sáng với hiệu suất cao, bề mặt gương phải hoàn toàn nhẵn trong một phạm vi rộng, với các khiếm khuyết nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng phản xạ. Yêu cầu này áp dụng đối với mọi kiểu dáng gương, có thể không đều hoặc cong, ngoài những bề mặt gương phẳng thường thấy trong gia đình. Gương cong phân loại thô thành hai nhóm, lõm và lồi, tên gọi này cũng được sử dụng để mô tả hình dạng của các thấu kính mỏng đơn giản. Đối với gương, bề mặt cong được xem là lõm hay lồi phụ thuộc vào tâm cong xuất hiện ở phía mặt phản xạ hay ở phía bên kia.
Mặc dù đa số gương cong có hình dạng bề mặt là một phần của mặt cầu, nhưng mặt gương cũng có thể là mặt trụ, parabol, elip, hyperbol (xem hình 3), hoặc một số dạng khác (có thể không có dạng cầu). Nói chung, gương cầu tạo ra ảnh phóng to hoặc thu nhỏ, tùy thuộc vào chúng là gương lõm hoặc lồi. Lấy ví dụ, gương lồi chiếu hậu ở xe ô tô tạo ra ảnh toàn cảnh có kích thước thu nhỏ, còn gương lõm cạo râu phóng to các chi tiết của gương mặt xung quanh cằm. Gương trụ phản xạ tia sáng vào một mặt phẳng tiêu thẳng nằm trên một trục có các chiều bên thu nhỏ lại, và gương elip, có hai tiêu điểm và thường được dùng làm gương phản xạ, sẽ hội tụ ánh sáng từ tiêu điểm này đến tiêu điểm kia. Trái lại, gương parabol có thể hội tụ một chùm tia sáng song song vào một nguồn điểm, hoặc ngược lại, trong khi gương hyperbol tạo ra ảnh ảo từ vật nằm tại tiêu điểm. Những kiểu dáng gương khác, như hình que và hình nón, được dùng cho chiếu sáng 360 độ, bẻ cong đường đi ảnh, hoặc dùng cho các ứng dụng laser. Những gương này thường có đường kính nhỏ hơn, khiến chúng lí tưởng cho sử dụng trong các dụng cụ có giới hạn kích thước, như ống nội soi và đèn nội soi. Nhiều loại gương có hình dạng không phải hình cầu khó chế tạo với dung sai chính xác và có mức độ quang sai lớn, thành ra có giá thành cao, và do vậy, ít có ứng dụng thực tế hơn.
Gương cầu
Gương có bề mặt phản xạ hình cầu có khả năng tạo ảnh theo kiểu tương tự với thấu kính mỏng hoặc một bề mặt khúc xạ đơn giản, nhưng không có sắc sai thường đi kèm với độ tán sắc thấu kính. Vì lí do này nên đôi khi gương được dùng thay cho thấu kính trong những quang cụ phức tạp, nhưng chúng không thể thay thế các nguyên tố thấu kính hoàn toàn bởi vì những quang sai khác của gương khó hiệu chỉnh hơn, nếu không nói là không thể. Mô tả quang hình học của gương về mặt định lượng kém phức tạp hơn so với thấu kính, và cả hai có nhiều đặc trưng chung. Gương cầu có bán kính cong hoàn toàn xác định kéo dài từ tâm của hình cầu và tạo một góc vuông với mỗi điểm trên bề mặt. Ngoài ra, đường thẳng vẽ từ điểm chính giữa của bề mặt cầu đi qua tâm cầu được định nghĩa là trục chính hay trục quang học của gương.
Trong trường hợp các tia bên trục tới trên bề mặt gương cầu (truyền song song với trục chính), tất cả tia phản xạ (hoặc phần kéo dài của chúng) sẽ hội tụ tại một tiêu điểm chung, nằm phía trước hoặc phía sau gương. Khoảng cách giữa tiêu điểm và mặt gương gọi là tiêu cự của gương. Để duy trì tính đồng nhất với thuật ngữ dùng cho thấu kính, tiêu cự của gương lõm có giá trị dương, còn tiêu cự của gương lồi có giá trị âm. Như vậy, gương làm hội tụ các tia sáng có tiêu cự dương (tương tự với thấu kính), và gương làm phân kì các tia sáng có tiêu cự âm. Cũng tuân theo những thuật ngữ dùng cho thấu kính, mặt phẳng ngang cắt qua tiêu điểm được gọi là tiêu diện, và các tia song song phản xạ ở một góc bất kì so với trục chính sẽ đồng quy tại một số tiêu điểm nằm trên tiêu diện.
Vị trí ảnh tạo ra bởi gương cầu có thể xác định bằng thực nghiệm, bằng hình vẽ, hoặc bằng cách áp dụng công thức hình học. Kĩ thuật hình vẽ hay kĩ thuật đường đi tia sáng miêu tả một phương pháp dễ dàng và thông dụng để xác định vị trí ảnh hình thành bởi gương. Biểu diễn trong hình 4 là đường đi các tia sáng song song cho thấy các tia chủ yếu và vị trí của ảnh tạo ra bởi gương lõm (hình 4a) và lồi (hình 4b). Các tia chính thường được dùng vì chúng có thể được vẽ nối các vị trí quan trọng giữa vật, ảnh, mặt gương, tâm cong, và các tiêu điểm mà không cần tới những phép đo góc chính xác.
Các tia sáng màu đỏ, vàng và xanh dương phát ra từ điểm trên cùng của vật (P, tại đỉnh mũi tên màu xanh lá cây) đều phản xạ khỏi mặt gương lõm trong hình 4a và đi tới hội tụ tại điểm liên hợp (P’), tạo ra ảnh thực, ngược chiều, nhỏ hơn vật. Tia sáng màu xanh dương truyền song song với trục chính và phản xạ qua tiêu điểm (F) trước khi chạm tới mặt phẳng liên hợp (ảnh). Tia màu đỏ truyền qua tiêu điểm và bị gương phản xạ theo hướng song song với trục chính. Tia chính còn lại, tia màu vàng, ban đầu truyền qua tâm cong của gương và chạm tới vuông góc với mặt gương rồi phản xạ trở lại theo hướng cũ. Như trong trường hợp biểu đồ đường đi tia sáng của thấu kính mỏng đơn giản, bất kì hai trong số ba tia chính này có thể được dùng để định vị trí ảnh, xuất hiện tại điểm hội tụ. Tia thứ ba thường được dùng để xác nhận lược đồ đường đi tia sáng.
Đường đi tia sáng đối với gương lồi được minh họa trong hình 4b, có cùng lược đồ màu như hình 4a. Tia sáng phát ra từ đỉnh mũi tên màu xanh lá cây (điểm P) và phản xạ bởi mặt gương, tạo ra các đường kéo dài phân kì từ điểm liên hợp (P’) hình thành nên ảnh ảo, cùng chiều phía sau gương. Theo kiểu tương tự như biểu đồ gương lõm, tia sáng màu xanh dương truyền song song với trục chính của gương lồi, nhưng bây giờ bị phản xạ tại một góc phân kì như thể nó phát ra từ tiêu điểm (F). Đường kéo dài của tia màu xanh dương xuyên qua gương đi qua tiêu điểm đó. Tương tự như vậy, tia sáng màu vàng chạm tới gương tại góc vuông và bị phản xạ trở lại theo chính hướng cũ, nhưng tạo ra đường kéo dài cắt qua tâm cong của gương. Tia màu đỏ, truyền hợp một góc với trục chính trước khi chạm tới gương, bị phản xạ song song với trục chính và cũng tạo ra đường kéo dài đi qua tiêu điểm.
Khi xem xét kĩ thuật đường đi tia sáng qua gương, một tia sáng rời vật song song với trục chính bị phản xạ qua tiêu điểm, và tia ngoài trục truyền qua tiêu điểm chính bị phản xạ song song với trục chính. Ngoài ra, tia chạm tới đỉnh gương bị phản xạ theo hướng hợp với trục chính một góc bằng với góc tới (không minh họa), và tia truyền qua tâm cong bị phản xạ trở lại như cũ. Như đã nói ở phần trên, chỉ cần hai tia chính để xác định các thông số hình học của ảnh. Phương trình gương nhận được bằng cách giải công thức thấu kính tương ứng và thực hiện một số giả định về chiết suất và độ dày. Phương trình cơ bản nhất được gọi là công thức gương và được cho bởi quan hệ sau:
1/d0 + 1/d1 = 1/f
trong đó d0 là khoảng cách từ vật đến mặt gương, d1 là khoảng cách giữa ảnh và gương, và f là tiêu cự của gương. Tương tự như với thấu kính, tiêu cự là dương đối với gương hội tụ (lõm) và là âm đối với gương phân kì (lồi). Khi hợp nhất vào các hệ quang học, hình dạng cầu của gương lõm và lồi cho phép chúng hoạt động như thấu kính dương và âm (tương ứng).
Kích thước của ảnh hình thành bởi gương cầu lồi phụ thuộc vào vị trí của vật tương quan với tiêu điểm gương, nhưng ảnh luôn luôn là ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật. Trái lại, một vật nằm phía ngoài tâm cong của gương cầu lõm tạo ra ảnh thực nằm giữa tiêu điểm và tâm cong. Khi vật di chuyển đến trùng với tâm cong, gương lõm tạo ra ảnh thực bằng kích thước với vật, nhưng ngược chiều. Di chuyển vật đến gần mặt gương hơn, vật tạo ra ảnh ngược chiều và lớn hơn nó. Tại điểm nằm chính giữa gương và tâm cong của nó (tiêu điểm của gương), các tia sáng từ vật bị phản xạ trở nên song song nhau và không có ảnh nào được hình thành (gương chứa đầy một vật mờ mờ không nhận ra được). Nếu vật tiến đến gần gương hơn nữa, giữa tiêu điểm và mặt gương, các tia phản xạ phân kì và tạo ra ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật. Cuối cùng, khi vật nằm ngay tại mặt gương, thì ảnh một lần nữa cùng kích thước với vật.
Lược đồ đường đi tia sáng gương, như ví dụ biểu diễn trong hình 4, được vẽ đặc biệt tuân theo cùng quy ước như đối với thấu kính mỏng đơn giản. Chẳng hạn, khoảng cách đo từ trái sang phải là dương, và ngược lại. Tia sáng tới được vẽ sao cho chúng truyền từ trái sang phải, còn tia phản xạ truyền từ phải sang trái. Đường thẳng vuông góc với trục chính và tuyến tuyến với tâm của mặt phản xạ (gọi là đỉnh gương) có thể được vẽ để làm tham chiếu từ đó đo ảnh, vật, tiêu điểm và khoảng cách cong. Bằng cách tuân thủ các quy ước cơ bản này, các thông số quang học cho đa số gương có thể xác định được và liên hệ với các thông số của nguyên tố thấu kính có thể chia sẻ cùng nhiệm vụ trong hệ thống quang học.
Đa số các thiết kế gương không có dạng cầu xử sự tương tự như các gương lồi và lõm đơn giản khi xét ánh sáng truyền qua vùng bên trục (gần trục chính). Trong thực tế, nhiều hình dạng gương về cơ bản có thể xem không khác mấy với gương cầu ở khía cạnh này. Tuy nhiên, khi xét các tia sáng truyền xa trục chính thì sự lệch bắt đầu xuất hiện và những mối quan hệ hình học mới, phức tạp hơn, tồn tại giữa vật, ảnh và các tiêu điểm. Ngoài ra, độ lớn và mức độ khắc nghiệt của sự quang sai của gương này thường khác với gương kia, và hiện tượng này chắc chắn phải xảy ra khi thiết kế các hệ thống quang sử dụng những loại gương này.
Công nghệ chế tạo và tráng gương
Hệ số phản xạ của một bề mặt không được tráng phủ bất kì phụ thuộc vào chiết suất, góc tới, trạng thái phân cực của ánh sáng tới, và chất lượng vật liệu bề mặt được sử dụng. Chất lí tưởng dùng cho sản xuất gương giá thành thấp là pyrex, loại thủy tinh boronsilicate thương mại có hệ số giãn nở nhiệt thấp và độ biến dạng quang học tương đối thấp. Silica nóng chảy là một chất tổng hợp, thường dùng cho chế tạo gương laser, có độ ổn định nhiệt hấp dẫn, cho truyền phổ bước sóng rộng, và có thể đánh bóng đến rất gần với dung sai để làm giảm tối thiểu sự nhiễu đầu sóng và tán xạ ánh sáng. Ngoài ra, thủy tinh ceramic phát triển bởi Phòng thí nghiệm nghiên cứu Schott, zerodur, có những đặc điểm có thể xem chất liệu này là ứng cử viên hấp dẫn cho chế tạo gương chất lượng cao. Ceramic trong suốt, nhưng có vẻ hơi vàng, và biểu hiện sự giãn nở nhiệt cực kì thấp. Những chất liệu khác, như calcium fluoride trong suốt với tia hồng ngoại, thường dùng trong việc chế tạo các gương quan trọng dùng cho các hệ laser năng lượng cao.
Chất lượng (độ nhẵn) và độ phẳng của bề mặt quang học là một những nhân tố chính phải xét đến khi thiết kế gương dùng cho những ứng dụng đặc biệt. Khi một đầu sóng phẳng bị phản xạ khỏi mặt gương, sự nhiễu loạn thực sự xảy ra trong sóng có thể biến thiên từ một nửa đến hai lần giá trị độ phẳng bề mặt. Sự lệch nền khỏi mặt phẳng hoàn hảo thường được biểu diễn dưới dạng có bao nhiêu sự không hoàn hảo trong vùng kích thước của bước sóng ánh sáng khả kiến (550nm), hoặc tỉ lệ bước sóng, có thể phát hiện được đi qua bề mặt. Nhiều ứng dụng không quan trọng sẽ cho phép sự lệch lớn của một hoặc nhiều bước sóng, còn những ứng dụng chặt chẽ thường yêu cầu bề mặt không được lệch quá một phần tư bước sóng hoặc thấp hơn. Độ nhẵn mặt gương thường được xác định bằng cách đo số điểm nhô và lõm trên đơn vị diện tích và biểu diễn giá trị này dưới dạng tỉ số. Như vậy, tỉ số nhô/lõm 70/40 là phù hợp cho những ứng dụng yêu cầu thấp, còn tỉ số 10/5 là cần thiết cho các hệ laser hiệu suất cao và các ứng dụng ghi ảnh quang phân tích, ứng dụng yêu cầu sự nhiễu đầu sóng phải được giữ ở mức tối thiểu.
Khả năng dẫn nhiệt của gương cũng quan trọng đối với nhiều ứng dụng. Các nền gương kim loại có thể dẫn nhiệt khỏi hệ thống quang hiệu quả hơn thủy tinh, nhưng chúng thường khó chế tạo hơn để có hình dạng phù hợp và thường làm tăng thêm trọng lượng hệ thống. Các kim loại nhẹ, như berylium, trở nên phổ biến với các nhà thiết kế và có thể dùng trong những trường hợp quan trọng, nơi nhiệt là sản phẩm tạo ra và gương cứng được yêu cầu. Nhiều chất thủy tinh mới có hệ số giãn nở nhiệt hấp dẫn và thích hợp cho những ứng dụng không chịu được vấn đề quá nhiệt.
Phương pháp đơn giản nhất và phổ biến nhất dùng để phủ lớp tráng gương là phủ một lớp kim loại mỏng lên nền chất thủy tinh nhẵn bằng kĩ thuật lắng chân không. Kim loại được chọn sử dụng (xem hình 5) gồm bạc, nhôm, đồng, vàng và rhodium. Nói chung, một lớp nhôm hoặc bạc 100 nanomét mang lại lớp phủ tuyệt vời cho nhiều ứng dụng đa dạng, còn những lớp phủ dày hơn thu được ở những bề mặt nhám hơn lại làm tăng sự tán xạ ánh sáng. Nhôm có thể dùng trực tiếp với thủy tinh, nhưng chrome hoặc những lớp trung gian khác phải dùng với vàng hoặc các kim loại khác. Một lớp tráng nhôm tốt biểu hiện năng suất phản xạ khoảng 90% đối với đa số vùng phổ tử ngoại, khả kiến, và hồng ngoại gần (hình 5), còn bạc tạo ra năng suất phản xạ tương ứng khoảng 95% trong vùng khả kiến và hồng ngoại, nhưng giảm đột ngột trong vùng tử ngoại. Năng suất phản xạ của gương kim loại có thể tính theo phương trình sau:
Năng suất phản xạ (%) = ((n - 1)2 + k2)/((n + 1)2 + k2) x 100
trong đó n là chiết suất của kim loại tráng và k là hệ số dập tắt phân tử gam. Nói chung, khi giá trị bước sóng phản xạ tăng (vào vùng hồng ngoại) thì chiết suất và hệ số dập tắt cũng tăng, dẫn tới năng suất phản xạ tăng. Bạc là một trong những chất thích hợp nhất cho gương phản xạ ánh sáng trong vùng khả kiến, nhưng nhôm lại phản xạ hiệu quả hơn trong vùng ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, khi bước sóng tăng vào vùng hồng ngoại, năng suất phản xạ của nhôm giảm xuống dưới 90%, có thể làm giảm hiệu suất trong hệ thống quang có một vài gương. Ví dụ, tại giá trị năng suất phản xạ 80%, một hệ có 6 gương sẽ có năng suất truyền chỉ 26%. Đồng và vàng chỉ được dùng trong vùng khả kiến bước sóng dài (trên 659nm) và hồng ngoại, còn rhodium có thể sử dụng trong mọi vùng phổ cho các ứng dụng không quan trọng, như các gương gia dụng.
Một vấn đề nghiêm trọng ở lớp tráng gương kim loại xuất hiện với sự hình thành oxide (xỉn mờ) và các chất tích tụ khác khi màng mỏng phơi ra trước bầu khí quyển, có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của gương. Để bảo vệ lớp tráng gương kim loại mỏng manh, bề mặt gương thường được phủ một lớp chất lưỡng cực điện cho phép sờ mó và lau chùi gương, và cải thiện độ bền, trong khi làm giảm sự hình thành oxide. Màng nhôm có thể được bảo vệ bằng một lớp silicon monoxide dày nửa bước sóng, tạo ra mặt tương đối chống trầy xước. Trong một số trường hợp, một vài lớp lưỡng cực điện có giá trị chiết suất thay đổi được lắng trên màng nhôm để cải thiên hơn nữa năng suất phản xạ và làm tăng tính đàn hồi của lớp phủ. Tập hợp nhiều gương phủ kim loại thường được gọi là bộ phản xạ nâng cao, và đại diện cho những lớp phủ tiên tiến nhất thuộc nhóm này. Màng vàng và bạc cũng được phủ một hoặc nhiều lớp silicon monoxide lưỡng cực điện, mang lại kết quả tương tự như đối với nhôm.
Chất phủ gương lưỡng cực điện
Một chiếc gương điển hình có lớp phủ kim loại phản xạ khoảng 90% sóng ánh sáng tới trong vùng phổ tử ngoại, khả kiến, và hồng ngoại. Nhằm cải thiện hiệu suất này, một vài lớp chất lưỡng cực trong suốt, ví dụ như titan dioxide và silicon dioxide (lần lượt có chiết suất cao và thấp) có thể sử dụng với một chất nền nhẵn để tạo ra cái gọi là gương lưỡng cực điện (xem hình 6). Sự phản xạ một phần ánh sáng tới xảy ra tại mỗi mặt ranh giới giữa các lớp lưỡng cực điện, tạo ra sóng ánh sáng kết hợp (cùng pha) có khả năng tăng cường nhau bằng sự giao thoa tăng cường. Kết quả là gương hiệu suất cao có thể thu được hệ số phản xạ gần 100% cho những ứng dụng ghi ảnh quan trọng và laser. Ngoài ra, lớp phủ lưỡng cực điện cũng bền hơn so với các lớp phủ kim loại được bảo vệ khác.
Gương lưỡng cực điện có thể được điều chỉnh tốt để phản xạ những bước sóng đặc biệt bằng cách sắp xếp chiều dày mỗi lớp sao cho tích số của chiều dày và chiết suất bằng một phần tư bước sóng mục tiêu. Loại phủ này được gọi là gương phản xạ chồng một phần tư bước sóng. Trong đa số trường hợp, lớp thứ nhất và lớp cuối cùng trong chồng được làm từ chất có chiết suất cao hơn, và các lớp bên trong được xen kẽ giữa chiết suất cao và thấp. Việc tăng số lớp có thể làm tăng năng suất phản xạ đối với những bước sóng đặc biệt, nhưng thường hao phí dải thông phổ. Một trở ngại nữa là gương lưỡng cực điện thường rất nhạy với góc tới và có thể tạo ra ánh sáng phân cực phẳng không mong muốn khi đặt không chính xác.
Vùng phổ phản xạ hạn chế của gương lưỡng cực điện khiến chúng thường bị loại bỏ trong những ứng dụng nhất định. Nhiệm vụ chung đối với các gương này là phản xạ một phần phổ ánh sáng truyền qua hệ quang, đồng thời cho truyền qua một vùng bước sóng có chọn lọc. Gương thuộc loại này được gọi là gương lưỡng sắc vì chúng thực sự tách ánh sáng thành hai vùng phổ riêng biệt. Một công dụng thông dụng khác cho gương lưỡng cực điện là dùng phản xạ các chùm laser, hoặc làm một phần của chính hộp laser, hoặc là thành phần quan trọng của bộ truyền động lái chùm tia qua hệ thống quang. Gương lưỡng cực điện điển hình dành cho ứng dụng laser gồm 20 đến 25 lớp màng mỏng, tạo ra năng suất phản xạ cực đại trên 99,9%.
Gương lưỡng cực băng rộng có thể chế tạo bằng cách kết hợp hai chồng một phần tư bước sóng có vùng bước sóng truyền qua chồng lấn nhau. Những gương này thường có tới 100 lớp lưỡng cực điện xen kẽ, làm tăng đáng kể giá thành và khó chế tạo. Tuy nhiên, hiệu suất của chúng thật vô song và các gương lưỡng cực nhiều lớp rất bền có thể chế tạo có năng suất phản xạ trên 99% trên toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến.
Gương lưỡng cực nhiều lớp phủ có khả năng cho truyền qua lọc lựa các bước sóng khả kiến đồng thời phản xạ bước sóng hồng ngoại được gọi là gương nóng. Những gương này, thường được chế tạo dạng đĩa phẳng hoặc gương phản xạ lõm, rất có ích trong các hệ thống chiếu và rọi sáng thường phải chịu tình trạng quá nhiệt do các đèn cường độ cao. Dải bước sóng phản xạ trong vùng hồng ngoại tăng lên đối với các gương nóng mở rộng, một phiên bản hiệu suất cao của gương phản xạ hồng ngoại chuẩn. Bước sóng hồng ngoại thường bị loại trừ khỏi hệ thống quang trong một lần phản xạ bởi gương nóng hoặc gương nóng mở rộng. Hoặc bước sóng hồng ngoại có thể bị làm lệch đi bởi một gương nóng đến vùng mà sự tiêu hao nhiệt thuận tiện hơn (ví dụ như có quạt làm mát hoặc là bể tản nhiệt). Các gương có liên quan được thiết kế nhằm phản xạ ánh sáng khả kiển đồng thời truyền qua ánh sáng hồng ngoại. Được gọi là gương lạnh, các gương phản xạ lưỡng cực này có thể dùng để loại trừ nhiệt khỏi hệ quang bằng cách truyền nó ra khỏi gương. Gương nóng và gương lạnh được dùng trong các tế bào Mặt Trời và dùng trong mũ chụp và kính che mặt của bộ đồ du hành vũ trụ nhằm bảo vệ du hành gia khỏi bức xạ hồng ngoại của Mặt Trời.
Quang sai gương
Khi tia sáng bên trục bị phản xạ khỏi mặt gương cầu hoặc không cầu, thì ảnh tạo ra hội tụ rõ nét. Tuy nhiên, các tia sáng tập hợp từ tất cả các điểm phân bố trên vật và lệch nhiều khỏi trục chính thường tạo ra các tiêu điểm khác nhau (phụ thuộc vào hình dạng gương) có nguyên nhân do một hiện tượng đã được ghi nhận kĩ lưỡng là sự quang sai. Hiện tượng này được minh họa trong hình 7 cho đa số các khuyết điểm phổ biến, sự quang sai cầu, trong đó các tia tới song song ở khoảng cách càng xa trục chính đem lại tiêu điểm càng gần mặt gương. Khi đặt một màn hứng nhỏ tại mặt phẳng tiêu bên trục và rời dời nó về phía gương, thì sẽ tìm được một điểm, nơi đó kích thước ảnh hội tụ đến nhỏ nhất. Vùng này được gọi là vòng sai lạc ít nhất.
Sự quang sai cầu có thể làm giảm hoặc loại trừ bằng cách thay đổi thiết kế gương. Chẳng hạn, gương parabol sẽ tạo ra mẫu phản xạ tương tự như gương cầu lõm, nhưng hình học gương parabol có điều chỉnh để mang tất cả các tia phản xạ tới một tiêu điểm chung. Một phương pháp nữa là phủ chất lên mặt sau của thấu kính mặt khum cầu và sử dụng sự khúc xạ ánh sáng qua nguyên tố thấu kính thủy tinh để làm giảm quang sai cầu. Gương hình elip vốn dĩ không có quang sai cầu tại các tiêu điểm của elipsoid, và với gương hyperbol cũng tương tự.
Sự quang sai ngoài trục, chẳng hạn loạn thị (xem hình 7) xảy ra khi vật nằm xa trục chính của gương. Các tia tới phát ra từ vật chạm tới gương ở góc xiên và kết quả là hình thành hai đường vuông góc nhau thay vì là một ảnh điểm. Gương parabol, không có quang sai cầu, thường chứng tỏ một mức độ loạn thị đáng kể đối với các ảnh nằm ở vị trí xa trục. Vì lí do này nên gương phản xạ parabol chỉ hạn chế ứng dụng của chúng cho những dụng cụ, ví dụ kính thiên văn và đèn pha rọi, dùng để chiếu ra hoặc thu thập các tia sáng song song.
Giống như thấu kính, gương cầu và gương không cầu chịu những quang sai phổ biến khác, như coma, cong trường, và méo mó, nhưng chúng không bị quang sai màu, một trong những nhược điểm quang nghiêm trọng nhất xảy ra với thấu kính mỏng. Thực tế này được một số nhà chế tạo khai thác để sản xuất vật kính của kính hiển vi chế tạo từ gương hoàn toàn không bị quang sai màu.
Ứng dụng của gương
Kính hiển vi quang học khai thác công dụng về diện tích của gương phẳng, cả cho việc lái chùm tia chiếu sáng qua đường truyền quang học và rọi lên mẫu vật, và để chiếu ảnh lên thị kính hoặc bộ cảm biến ảnh. Trong số những ứng dụng khác của gương phẳng là hướng ánh sáng qua đường dẫn trong những hệ quang đơn giản và phức tạp, và làm những công việc quen thuộc như bộ làm lệch chùm tia, rotato ảnh. Gương phẳng elip có trục chính kéo dài và được dùng cho việc bẻ cong hoặc làm gãy khúc ánh sáng ở góc chính xác với sự méo đầu sóng ít nhất.
Gương hình trụ, hội tụ ánh sáng vào một trục, được dùng máy trải chùm tia, máy phát thẳng, và dùng cho việc phóng đại ảnh dọc theo một trục. Trái lại, gương lồi phổ biến hơn thực tế thấy ở mọi nơi, từ những vật trang trí cây thông giáng sinh cho tới những chiếc gương an ninh góc nhìn rộng trong các cửa hàng. Gương parabol khổng lồ dùng trong kính thiên văn thu thập ánh sáng từ những góc xa xôi của vũ trụ, còn những mẫu nhỏ hơn phát ánh sáng vào trong không gian dưới dạng đèn pha. Thiết kế gương hyperbol còn được dùng máy thu ánh sáng chính cho Kính thiên văn không gian Hubble.
Gần gũi hơn, gương đóng một vai trò quan trọng trong các hệ rọi sáng kính hiển vi trường tối chuyên dụng và ánh sáng phản xạ. Gương parabol không cầu được sử dụng để tạo ra một nón chiếu sáng ngược, rỗng ở khẩu độ số cao cho việc ghi ảnh vùng tối, còn gương elip được dùng để hướng ánh sáng từ bộ rọi sáng dọc qua vật kính trong hệ ánh sáng phản xạ. Các vật kính chuyên dụng, gọi là vật phản xạ (hình 8), được dùng trong kính hiển vi phản xạ ánh sáng và có hai thuận lợi cơ bản so với người anh em trên cơ sở thấu kính của chúng. Vật kính phản xạ không bị quang sai màu và không hấp thụ nhiều ánh sáng cực tím và hồng ngoại. Nhân tố thứ hai trên dẫn tới sự phát triển vật kính phản xạ dùng cho cả kính hiển vi cực tím và hồng ngoại, ngoài các ứng dụng vi quang phổ kế.
Một lợi thế nữa của vật kính phản xạ là chúng có thể được thiết kế và chế tạo sao cho có khoảng cách làm việc dài hơn so với vật kính khúc xạ có độ phóng đại và khẩu độ số tương đương. Ngoài vật kính phản xạ, gương còn đóng vai trò quan trọng trong kính hiển vi huỳnh quang, trong đó chúng hoạt động với vai trò bộ tách chùm tia lưỡng sắc hướng bước sóng kích thích về phía mẫu vật, và rồi chặn lượng ánh sáng đó lại sau khi nó bị phản xạ trở lại qua vật kính. Những bộ phận khác của kính hiển vi cũng kết hợp với gương. Các bóng đèn gia dụng phóng điện hồ quang và đèn volram-halogen thường có gương phản xạ parabol giúp tập trung sự rọi sáng qua thấu kính góp và đi vào đường truyền quang kính hiển vi. Ngoài ra, các đầu quét kính hiển vi đồng tiêu sử dụng các gương được bố trí cẩn thận để quét chùm tia laser qua mẫu vật và những ứng dụng tiên tiến làm cho gương trở thành một trong những thành phần quang quan trọng nhất trong hộp công cụ của các nhà vật lí.
Tác giả: Kenneth R.Spring, Michael Davidson
