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导语
在搭建激光系统时，你是否也曾陷入这样的纠结： 为了保证光束质量，是不是必须咬牙上λ/20甚至更高精度的反射镜？ 如果把规格放宽到λ/10甚至λ/4，系统性能真的会“崩塌"吗？
很多工程师习惯性地追求“更高指标"，却忽略了“适用性"。事实上，盲目追求高平面度不仅增加成本，有时甚至是一种资源浪费。
今天，我们结合Zemax仿真数据和曲率计算公式，为你硬核拆解：反射镜的表面平面度（Surface Flatness）究竟是如何影响激光聚焦光斑的？ 答案可能比你想象的更反直觉。
01 平面度误差的本质：不仅仅是“不平"
当我们谈论反射镜的平面度（例如λ/10）时，我们到底在谈论什么？
在工业界，高反射率反射镜通常采用离子束溅射（IBS）镀膜。这种工艺虽然能带来较高的光谱性能，但也会给镜片表面带来巨大的应力。这种应力通常会导致镜片表面发生球形弯曲。
所以，平面度误差不仅仅是表面的随机起伏，更可以被近似为一个具有极大曲率半径的球面。
这里有一个极其重要的反直觉公式：
如果我们用抛物线近似来计算曲率半径 R，公式如下：
• ρ：反射镜的有效半孔径
• SF：平面度规格（如 1/10）
• λ：测试波长（通常为632.8nm）
划重点： 从公式中可以看出，在平面度规格（SF）相同的情况下，镜片尺寸（ρ）越大，曲率半径 R 越大，意味着镜片越“平"！
举个例子：
• 镜片A（直径50.8mm）： λ/10 平面度，计算出的曲率约为 1.2 x 10-7 mm-1。
• 镜片B（直径38.1mm）： 同样的 λ/10 平面度，曲率却达到了 2.2 x 10-7 mm-1。
结论： 小尺寸镜片在相同指标下，其绝/对几何误差其实比大尺寸镜片更大（约为1.8倍）。但在实际应用中，这真的重要吗？
02 致命的像散：当光束遇到90°折叠
在激光光路中，我们通常使用45°放置的反射镜来通过90°折叠光路。当一束高斯光束打在具有微小球形弯曲（平面度误差）的镜面上时，灾难发生了——像散（Astigmatism）。
图 1：光束在代表平面度误差的球面上发生 90° 反射的示意图（代表被极度放大的平面度误差）。与折叠轴垂直（ꓕ）的光束轴比与折叠轴平行（||）的光束轴经历更强的反射镜曲率，从而在出射光束中产生像散。
• 垂直于折叠轴的方向： 光束“跨越"了镜片的弯曲面，感受到了镜片的“光焦度"。
• 平行于折叠轴的方向： 光束感受到的弯曲较小。
这种不平衡导致光束在两个方向上的聚焦能力不同，最终输出的光斑不再是没有缺陷的圆形，而是发生了畸变。这种像散在多面反射镜系统中是累加的！
03 仿真实测：λ/10 到底够不够用？
为了验证影响程度，我们使用 Ansys Zemax OpticStudio 搭建了一个包含7面反射镜的扩束系统模型。
图 2：具有六个相同反射镜且带有相同平面度误差的模拟扩束器系统。透射元件为近轴元件，用于隔离仅由反射镜平面度引起的误差。
我们对比了不同平面度规格（从 λ/4 到 λ/20）对最终聚焦光斑大小的影响。结果令人惊讶：
1. 镜片尺寸的影响微乎其微 虽然前面提到小镜片的绝/对曲率误差更大，但在仿真中，无论是使用12.7mm的小镜片处理3mm光束，还是用50.8mm的大镜片处理15mm光束，只要平面度规格相同（如都是λ/10），它们对光斑扩大的影响几乎是一样的。
2. λ/10 是一个较佳的平衡点
图 3：经过七次反射后，平均光斑直径与衍射极限光斑直径之比（Ø ÷ diffraction limited Ø）随平面度指标变化的关系曲线，左侧按输入光束直径分类，右侧按聚焦光斑尺寸分类。较大的光束需要更大的反射镜；因此，每个系统的绝/对反射镜平面度要求是不同的。在这两种情况下，当平面度达到 λ/5 时，误差比接近 1（即接近衍射极限），而在 λ/10 以内实际上已达到衍射极限。在本示例系统中，平面度优于 λ/10 所带来的增益非常小。
从数据图中可以看到：
• 当平面度优于λ/10 时，光斑大小几乎不再随平面度提升而显著改善（曲线趋于平缓）。
• 只有当你的应用敏感，需要将误差控制在衍射极限的微小分毫内，λ/20 才有意义。
04 警惕波长陷阱：紫外与红外的区别
千万不要忽略波长的影响！
平面度通常是在 632.8nm (HeNe激光) 下测试的。
• 如果你使用的是 1064nm (红外) 激光，波长更长，对表面误差的敏感度降低，λ/10 的效果甚至相当于可见光下的 λ/20。
• 但如果你使用的是 355nm (紫外) 激光，波长变短，表面误差的影响会被放大。
图 4：经过七次反射后，聚焦光斑平均直径与衍射极限光斑直径之比随平面度指标（以 λ/x 表示）的变化关系，数据按波长整理。虽然短波长对平面度误差的敏感度显著更高，但在给定波长下，反射镜尺寸和光束直径并非显著影响因素。
数据说话： 在355nm波长下，要达到与1064nm下 λ/5 镜片相同的系统性能，你可能需要用到 λ/20 的镜片！
05 总结与选型建议
回到最初的问题：你需要多平的镜子？
1. λ/10 是行业“万金油"： 对于绝大多数激光材料加工、光束传输系统，λ/10 的平面度已经足够好，其引入的像散几乎可以忽略不计。
2. 不要过度迷信小光斑： 除非你的系统对光斑圆度有极度苛刻的要求（如超精密光刻），否则盲目升级到 λ/20 带来的性能提升极小，但成本却会飙升。
3. 关注波长： 如果你在做紫外（UV）系统，请务必提高对平面度的要求；如果是红外（IR）系统，则可以适当放宽。
4. 大光束用大镜子： 虽然大镜子“更平"，但选择镜片尺寸主要还是看光束直径（避免削波和损伤阈值问题），而非为了追求平面度。
选型金句：
理解哪些性能指标是“关键的"，哪些是“锦上添花但非必须的"，是区分优秀光路设计师与普通设计师的分水岭。
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无论您是需要标准的 λ/10 高性价比反射镜，还是针对紫外应用的 λ/20 超精密光学元件，我们都能为您提供专业的解决方案和Zemax模拟支持。
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