99,99%-os reflexiós lézeres nagy tükröződésű tükrök: az alapelvek, a gyártási folyamatok és a mérések átfogó elemzése

Egyik barátom hozott nekem egy nagy fényvisszaverő képességű lézertükröt, és megkérdezte: 'A műszaki adatlapon R > 99,99%, de a spektrofotométerem 99,8%-ot mér. Hamisítványt kaptam?'

Mondtam neki, hogy ez nem feltétlenül hamisítvány. Lehet, hogy maga a tükör is hibás, de sokkal valószínűbb, hogy a spektrofotométer egyszerűen nem képes ilyen értéket mérni.

A legtöbb spektrofotométer pontossági tartománya ±0,1% és ±0,3% között van; 99,99%-os fényvisszaverő képesség mérésére egyet használni olyan, mintha egy normál mérőszalaggal próbálnánk megmérni az emberi haj átmérőjét.

A '99,99%' adatlapra való felírása egyszerű – de valójában ennek a teljesítményszintnek az elérése és ellenőrzése komoly technikai szakértelmet igényel minden szakaszban.

Ma átfogó pillantást vetünk a nagy fényvisszaverő képességű lézertükrökre – a bevonási folyamattól a végső mérésig.

Hogyan kell felvinni a 99,99%-os tisztaságú bevonatot?

A 99,99%-os reflexiós, rendkívül nagy visszaverőképességű lézertükrök ionsugárporlasztással (IBS) leválasztott, teljesen dielektromos bevonattal készülnek. A szabványos fémbevonatok (például arany, ezüst vagy alumínium) nem érik el a 99,99%-os reflexiót; ez a teljesítményszint csak többrétegű, alacsony veszteségű dielektromos bevonatokkal lehetséges. Az ilyen tükröket általában lézerrezonátorokban, üreges gyűrűs lefelé (CRD) spektroszkópiában, Fabry-Pérot (FP) interferométerekben, gyűrűs lézergiroszkópokban és ultrastabil optikai üregekben használják.

Röviden: a kialakítás magas és alacsony törésmutatójú anyagok váltakozó rétegeiből áll, mindegyik réteg optikai vastagsága egynegyed hullámhossz, több tucat rétegben egymásra rakva.

1064 nm-en a közös kombináció a Ta2O5/SiO2, körülbelül 2,1 és 1,45 törésmutatókkal. Mindegyik magas-alacsony (HL) interfészen a visszavert fényhullámok konstruktívan (fázisban) interferálnak, míg az áteresztett fény intenzitása exponenciálisan csökken.

A matematika egyszerű: körülbelül 16 pár 99,9%-os elméleti visszaverődést eredményez, míg 20 pár 99,999% felé tolja az elméleti értéket.

Matematikailag 20 párnak elegendőnek kell lennie.

Tehát miért érik el a ténylegesen gyártott bevonatok gyakran csak a 99,9%-ot? Mert a korlátozó tényező ritkán a rétegek száma; az abszorpció és a szóródás.

A 99,99%-os visszaverőképesség 100 ppm-nél kisebb teljes veszteséget jelent. Az anyagokból, az interfészekből való felszívódással és az egyes ppm-ek szóródásával a 'veszteség költségvetése' gyorsan kimerül.

Egyszerűen több réteg hozzáadása csak növeli az abszorpciót és a szórást; feszültség felhalmozódását is okozza, ami a bevonatrétegek megrepedéséhez vezethet.

A csúcskategóriás gyártók ionsugaras porlasztást (IBS) alkalmaznak az egyes rétegek sűrűségének és az interfészek minőségének maximalizálására – jellemzően körülbelül 20 pár tartományon belül –, majd a leválasztás utáni lágyítást az abszorpció minimalizálása érdekében. Nem hagyatkoznak arra a nyers megközelítésre, hogy több réteget raknak egymásra.

Ami a sávszélességet illeti:

A szabványos negyedhullámú köteg korlátozott nagy reflexiós sávszélességgel rendelkezik, jellemzően a középső hullámhossznak csak körülbelül ±12%-át fedi le.

A szélessávú visszaverődés eléréséhez (pl. teljes visszaverődés 450–650 nm-en) nem negyedhullámú tervezésre van szükség, vagy több periodikus köteg egymásra helyezésére van szükség, ami jelentősen növeli a komplexitást és a költségeket.

Optikai bevonatok vásárlásakor feltétlenül adja meg a szükséges sávszélességet – ne csak egyetlen középső hullámhosszt adjon meg.

LDT: A nagy fényvisszaverő képességű tükrök gyártási vagy törési küszöbe

Még nagy fényvisszaverő képesség esetén is egyetlen lézerütés károsítja az egész filmet, ami használhatatlanná teszi.

A lézersérülési küszöböt (LDT/LIDT) az ISO 21254 szabvány szerint mérik, általában két eljárással: 1 az 1-re (pontonként egy ütés) és S-on-1 (ugyanaz a pont, ismételt ütések).

1064 nm-es nanoszekundumos impulzusoknál a hagyományos, elektronsugárral elpárologtatott filmek hozama hozzávetőlegesen néhány és egy tucat J/cm² közötti; Az ionsugaras porlasztás optimalizált kialakítással elérheti a 40 J/cm²-t.

Ez a jelentős különbség elsősorban a hibáknak köszönhető.

Az aljzaton lévő csomók, por és polírozási maradékok mind energiafelhalmozódási pontok.

A lézer ütésekor a hibás terület először felrobban, és a keletkező gödör szélei új halmozódási pontokká válnak, amelyek minden ütéssel egyre nagyobbak és nagyobbak lesznek.

Ezért magas LDT-tartalmú filmeket állítanak elő: ultra-tiszta környezetbevonattal, kemence előtti szubsztrátum-ellenőrzéssel, félhullámhosszú SiO2 pufferréteggel a határfelületen, hogy megszakítsák a hibák terjedését, és lerakódás utáni lágyítással az oxigénhiányok kiküszöbölésére.

Ezek a folyamat részletei jobban meghatározzák a tükör sorsát, mint maga a filmrendszer kialakítása.

Még egy tapasztalat, amit hozzá kell tenni: a sérülési küszöb erősen korrelál a folt méretével.

Minél nagyobb a folt, annál nagyobb a valószínűsége a hiba elfedésének, és annál alacsonyabb a mért küszöb.

Az LDT adatok összehasonlításakor először ellenőrizze a tesztkörülményeket, az impulzusszélességet és a foltméretet.

Az üreges tükrök, a kimeneti csatlakozók és az összecsukható tükrök – mindegyik nagy visszaverőképességű tükörnek minősül, ám különleges követelményeik jelentősen eltérnek egymástól.

Üreges tükrök (nagy reflexiós végtükrök) : A fény oda-vissza terjed az üregben, többszörös visszaverődésen megy keresztül – valójában a fény több tízezer alkalommal halad át a rezonáns üregen.

Ha egy tükör fényvisszaverő képessége 99,9% (ami visszaverődésenként 1000 ppm veszteséget jelent), az üreg nem éri el az oszcilláció küszöbét.

Ezért az üreges tükrök fényvisszaverő képessége (R) ≥99,99%, míg a csúcskategóriás változatok elérik a 99,995%-ot vagy nagyobbat.

A fényvisszaverő képességnél is kritikusabb az abszorpció: nagy teljesítményű folyamatos hullámú (CW) működés mellett néhány tíz ppm abszorpciós szintje felmelegítheti a tükröt, 'termikus lencse' hatást váltva ki, amely torzítja a sugárfoltot és rontja az optikai módot.

A három kategória közül az üreges tükrök gyártása jelenti a legnagyobb kihívást.

Kimeneti tükör (OC) : A kialakítás szándékosan hagy nyílást a fény számára. Az áteresztőképesség (T) néhány tized százaléktól több tíz százalékig terjed, az üreggyarapodásból és -veszteségből számítva.

A kihívások két területen jelentkeznek: a pontos transzmisszió (±0,5%-on belül) és a jó síkbeli egyenletesség; ellenkező esetben a csatolási arány megváltozik, ahol a fényfolt söpör.

Ezenkívül a szubsztrát jellemzően ék alakú, hogy elkerülje a két párhuzamos felület által létrehozott etalon hatást, amely nagy teljesítmény mellett olvasási instabilitást okozhat.

Forgótükör : Az üregen kívül használják a sugár 45°-os eltérítésére.

Két dolgot tartson szem előtt: Először is, 45°-os beesési szögnél az S-polarizált és a P-polarizált fény visszaverőképessége különbözik – a P-polarizáció nagy reflexiós sávszélessége általában szűkebb. Mindig ellenőrizze, hogy az adatlapon megadott 'R' (reflexiósság) érték S-polarizációra, P-polarizációra vagy átlagra vonatkozik-e. Másodszor, a forgó tükörben az abszorpció közvetlenül hővé alakul, ami optikai úteltolódást okozhat; hosszú optikai utakkal vagy magas stabilitási követelményekkel rendelkező rendszerek esetében nem engedheti meg magának, hogy kompromisszumot kössön ezeknek a tükröknek a minőségét illetően.

Míg az abszolút visszaverőképességre vonatkozó követelmények viszonylag enyhék (99,5% általában elegendő), a felületi alakra és a bevonat egyenletességére vonatkozó követelmények rendkívül szigorúak.

Az alkatrészek kiválasztásánál a tanulság a következő: először is világosan határozza meg a kívánt helyet, beesési szöget, polarizációt és teljesítménysűrűséget – csak ezután tekintse meg a specifikációs lapot. Ha egy specifikációs lap nem tartalmazza a vizsgálati feltételeket, akkor az is lehet, hogy nem létezik.

Mérés: A 99,99%-os adatot nem közvetlenül mérik, hanem származtatott.

Térjünk vissza az elején feltett kérdéshez.

A 99,99%-os mérés lényegében azt jelenti, hogy 10 000-hez egy rész veszteséget mérünk; ilyen reflexiós szintet közvetlenül egyetlen műszer sem képes mérni.

Az iparági megközelítés szerint a teljes veszteséget lebontják, az egyes összetevőket külön-külön mérik, majd az eredményeket összevonják.

Kalorimetriás abszorpciómérés:

Az ISO 11551 szabványnak megfelelően egy ismert teljesítményszintű lézert egy optikai elemre (például lencsére vagy tükörre) irányítanak. A hőmérséklet-emelkedést figyelik – jellemzően hőelem vagy infravörös hőmérő segítségével –, és az abszorpciós sebességet a kapott hőmérséklet-emelkedési görbe alapján számítják ki. Ezzel a módszerrel ppm (rész per millió) nagyságrendű érzékenységet lehet elérni.

Ez a legszélesebb körben használt technika az abszorpció mérésére. Korlátozása egyértelmű: csak az elnyelt energia mennyiségét méri, figyelmen kívül hagyva a szórást és az átvitelt.

A teljes veszteség üreges legyűrűzése:

Lineáris optikai üreget alakítanak ki két erősen visszaverő tükör segítségével. A lézerforrás kikapcsolása után a fény intenzitása az üregben exponenciálisan csökken; ezután egy detektort használunk a τ csillapítási időállandó rögzítésére.

A nagyobb veszteségek rövidebb τ-t eredményeznek. A lépték érzékeltetéséhez: 0,5 m-es üreghosszúság és 200 ppm (100 ppm/tükör) teljes oda-vissza veszteség esetén a τ körülbelül 8 mikroszekundum. Egy újabb '9' hozzáadásával (azaz növelésével) a τ tízszeresére bővül.

Az üreges gyűrűs spektroszkópia ppm szintű érzékenységet kínál, így egyike azon kevés módszereknek, amelyek képesek a 99,999%-os (öt-kilenc) tartományban ellenőrizni a teljesítményt.

Egy korlátozás az, hogy az üregben lévő összes veszteség összegét méri; az egyes tükrök vagy specifikus veszteségmechanizmusok hozzájárulásának elkülönítése gondos kísérleti tervezést és kalibrálást igényel.

A kirakós játék többi darabjának címzése a következő: az áteresztőképesség (T) mérése közvetlenül egy teljesítménymérővel történik (a szabványos műszerek elegendőek ehhez a tartományhoz), míg a szórást (S) egy integráló gömb segítségével rögzítjük. Végül egyeztetjük a teljes veszteség-költségvetést:

R = 1 − T − A − S

Mind a négy paramétert egymástól függetlenül mérik; csak kombinálva adnak hiteles 99,99%-os adatot.

Őszintén szólva – amint az az iparban jól ismert – néhány '99,99%' jelzésű optikai alkatrészt csak meghatározott körülmények között teszteltek: egy meghatározott tervezett hullámhossz, 0°-os beesési szög és egy kis nyalábfolt. Miután alkalmazza őket a saját beállításához – 45°-os beesési szöggel, meghatározott sávszélességgel és meghatározott teljesítménysűrűséggel – a tényleges teljesítmény teljesen más lehet. A specifikációk statikusak, de a tesztelési feltételek dinamikusak.

Összegzés

A 99,99%-os reflexiós képesség elérését nem korlátozza a vékonyréteg-kötegkialakítás – elméletileg 20 pár negyedhullámú réteg is elegendő –, hanem a folyamattal kapcsolatos tényezők, mint például az abszorpció, a szórás és a hibák. Ezenkívül egyetlen műszer sem képes közvetlenül mérni ezt az értéket; ehelyett az áteresztőképességet (T), az abszorpciót (A) és a szórást (S) külön kell mérni, majd kombinálni. Ebben az összefüggésben a tesztelési feltételek még kritikusabbak, mint maga a megadott paraméter.

Forrás:shenduzhuiguang