これらの多様な要求に応えるため、光学ミラーは反射のメカニズムに基づいて大きく二つの系統に分類されます。

 

金属ミラー：
アルミニウム（Al）や銀（Ag）などの金属の表面反射を利用する最も伝統的なタイプです。金属内の自由電子が光（電磁場）によって振動し、そのエネルギーを再放出することで光を反射させます。

 

誘電体ミラー（多層膜ミラー）:
石英などの透明な誘電体材料の薄膜を、高屈折率と低屈折率の層として何層も積み重ねることで作られます。各層の界面で反射した光の多光束干渉を利用し、特定の波長で極限まで反射率を高めた高性能なタイプです。

 

金属ミラーと誘電体ミラーの技術的な原理、それぞれの長所・短所、そして産業用途における具体的な使い分けについて深く掘り下げて解説します。

 

金属ミラー：反射の基本と特徴

金属ミラーは、最も古くから使われているシンプルな光学ミラーであり、その反射原理は金属の自由電子の特性に基づいています。

✅原理と構造

反射原理
ミラー表面を構成する金属（主にアルミニウム (Al)、銀 (Ag)、金(Au)など）には、自由に動き回る自由電子が存在します。光（電磁波）がこの表面に入射すると、電磁場の影響で自由電子が集団的に振動します。この振動が新たな電磁波として再放出される現象が反射であり、これを表面反射と呼びます。

構造
通常、ガラスやセラミックなどの基板上に、単層の金属薄膜を蒸着して作られます。金属膜は酸化や傷から保護するために、その上から誘電体の保護膜（例：SiO2、MgF2など）が施されることが一般的です。

✅長所（メリット）

①広帯域な反射特性
波長への依存性が比較的低いため、紫外線 (UV) から可視光、赤外線 (IR) に至る非常に広い波長範囲で高い反射率を維持します。これは、特定の波長に限定されないアプリケーションにおいて大きな利点です。

②入射角依存性の低さ
誘電体ミラーと比較して、光の入射角が変化しても反射率や偏光特性が大きく変動しにくいため、光路が複雑な光学系や広角での利用に適しています。

③コスト効率と加工性
構造が単層であるため、製造プロセスが単純であり、比較的安価に大量生産が可能です。また、大面積化や非球面形状への加工も容易です。

✅短所（デメリット）

①反射率の限界
反射の際、入射光の一部が金属内部に侵入し、自由電子に吸収され熱エネルギーとして失われます。この光吸収の存在により、金属ミラーの反射率は原理的に100%に達することはなく、通常は90%台に留まります。特に、紫外光や特定の波長域ではさらに反射率が低下します。

②化学的耐性
金属表面は、銀の硫化やアルミニウムの酸化など、大気中の化学物質によって劣化しやすい性質があります。この欠点を補うため、通常は保護膜を積層します。

③損傷閾値 (LIDT) の低さ
光吸収が原因で、高出力レーザーが入射すると、その熱により膜が溶解・蒸発しやすく、レーザー誘起損傷閾値（LIDT）が誘電体ミラーに比べて著しく低いという決定的な欠点があります。

✅主要な用途例

金属ミラーは、その広帯域な特性とコストの優位性から、高い反射率が必須ではない、あるいは広範囲の光を扱う用途で広く使用されます。

一般的な光路変更：レーザー光や照明光の方向を、単に曲げたり集光したりするための一般的な光学系。
分光器・計測機器：様々な波長の光を同時に扱う分光器の内部ミラー。広い波長範囲をカバーできる特性が活かされます。
照明・集光系：太陽光シミュレータやプロジェクターなどの照明系において、光源からの光を反射・集光させる用途。
保護膜付き銀(Ag)ミラー：可視光〜赤外光領域で非常に高い反射率が必要な、望遠鏡の主鏡など。（ただし、高出力レーザーには不向き）
保護膜付きアルミニウムミラー（Al）：紫外線領域まで反射率を確保したいUV-Vis分光の光学系。

誘電体ミラー：高反射率を実現する技術

誘電体ミラーは、光の波の性質を最大限に利用して、鏡としての能力を極限まで高めた特別なミラーです。

✅反射原理

光の「波」を重ねて反射力をアップ金属ミラーが光を「表面で弾き返す」のに対し、誘電体ミラーは、光の「干渉」という現象を利用します。

積層構造
性質の異なる透明な薄い膜（誘電体）を、何十層も交互に、正確な厚みで重ねて作られています。例えるなら、セラミックの板を交互にミルフィーユのように積み重ねるイメージです。

反射の連鎖
入ってきた光は、このミルフィーユ状の層の境界面（境目）を通るたびに、少しずつ反射されます。一番重要なのは、この「少しずつ反射された光の波」の足並み（タイミング）を完璧に揃えることです。誘電体ミラーは、膜の厚みを非常に精密に制御することで、全ての反射光が波の山と山、谷と谷が重なり合うように設計されています。

超反射力の誕生
何十層もの層から反射された光の波が、全て完璧に重なり合い、合体して大きな一つの波になることで、全体としてほぼ100%に近い、信じられないほどの高い反射率が生まれます。

✅構造

重ねられた「四分の一」の構造の基本
基板（土台）の上に、高屈折率（光を大きく曲げる力）の材料と、低屈折率（光をあまり曲げない力）の材料を、交互に積層した構造です。

「四分の一」のルール
高い反射率を生み出す鍵は、それぞれの薄膜の厚みにあります。膜の厚みは、反射させたい光の波長のちょうど四分の一（1/4）になるように精密に調整されます。この「1/4の厚み」にすることで、前述の「波の足並みを揃える」という干渉の条件が成立します。

✅長所（メリット）：高性能を支える誘電体技術

誘電体ミラーの最大の利点は、その高反射率と高い損傷閾値にあります。

まず、反射率について、誘電体多層膜は光の干渉を利用するため、特定の波長帯において99%以上という金属ミラーでは達成不可能な超高反射率を実現できます。これは、レーザー共振器のようにわずかな光の損失も許されない用途で極めて重要です。

次に、高い損傷閾値（LIDT）が挙げられます。膜を構成する誘電体材料は、光をほとんど吸収しない透明な物質であるため、高出力レーザーが入射しても熱に変換されるエネルギーが極めて少なく、金属ミラーのように熱損傷を受けることが非常に稀です。このため、高出力レーザー加工機や科学研究用の高強度レーザーシステムに最適です。

さらに、分光特性の設計自由度も大きな魅力です。層の数や厚さ、材料の屈折率を精密に制御することで、反射帯域や透過帯域を自由に調整できます。この特性を活かし、特定の波長だけを透過させ、別の波長を反射させるダイクロイックミラーなど、高度な波長分離・合成を行う光学素子の設計が可能です。

✅短所（デメリット）：設計の複雑さと制約

誘電体ミラーの高性能は、構造の複雑さに起因するいくつかの制約を伴います。

最大の欠点は狭帯域性です。反射率を極限まで高める干渉条件は、設計された特定の狭い波長範囲でのみ成立します。このため、広範囲の光を扱いたい用途には適していません。

また、入射角依存性が非常に高いことも欠点です。入射角が変わると、層内部での光の経路長が変わってしまうため、これまで完璧に強め合っていた反射光の干渉条件が崩れ、反射率や中心波長が大きく変動してしまいます。特に、斜め入射で使用する際は、設計段階でその角度を厳密に考慮する必要があります。

最後に、コストと製造難易度が挙げられます。高反射率を実現するためには、何十層もの薄膜を、高い精度とクリーン度のもとで積層する必要があります。この製造プロセスの複雑さと厳密な品質管理により、金属ミラーに比べて製造コストが高くなり、納期や歩留まりの管理も難しくなります。

✅主要な用途例

誘電体ミラーは、その超高反射率と高い損傷閾値、波長選択性から、光のエネルギー損失や損傷が許されない最先端の分野で不可欠です。

レーザー共振器：レーザー光を往復させて増幅させるための反射鏡として使用され、光の損失を最小限に抑え、高効率なレーザー発振を可能にします。
高出力レーザー装置：レーザー加工機や医療用レーザーなど、ギガワット級の高出力レーザーを扱う光学系。熱による損傷を防ぐため必須です。
ダイクロイックミラー：特定の波長帯（例：赤色光）だけを反射させ、それ以外の波長（例：緑色光）を透過させる波長選択的な分離に利用されます（例：プロジェクター、蛍光観察）。
超短パルスレーザー：フェムト秒レーザーのパルス幅を制御するためのチャープドミラーなど、高度な分散制御が求められる光学系。

比較表：金属ミラーと誘電体ミラーの対比

金属ミラーと誘電体ミラーの主要な特性と、それに基づいた推奨される用途を以下の表にまとめました。

特性	金属ミラー	誘電体ミラー
反射率	90%〜98%程度	99%超 (特定波長)
反射帯域	広帯域	狭帯域 (設計波長依存)
損傷閾値	低い (高出力レーザーに不向き)	高い (高出力レーザーに最適)
入射角依存性	低い	高い
構造	単層の金属膜	多層の誘電体膜
コスト	比較的安価	比較的高価