かつて友人が私に高反射率のレーザーミラーを持ってきて、「仕様書には R > 99.99% と書かれていますが、分光光度計の測定値は 99.8% でした。偽物を手に入れたのですか?」と尋ねました。
私は彼に、それは必ずしも偽物ではないと言いました。ミラー自体に欠陥がある可能性もありますが、分光光度計が単純にそのような値を測定できない可能性の方がはるかに高くなります。
ほとんどの分光光度計の精度範囲は ±0.1% ～ ±0.3% です。 99.99% の反射率を測定するために測定器を使用するのは、標準的な巻き尺で人間の髪の毛の直径を測定しようとするようなものです。
スペックシートに「99.99%」と書くのは簡単ですが、実際にそのレベルのパフォーマンスを達成し、それを検証するには、あらゆる段階で高度な技術的専門知識が必要です。
今回は、コーティングプロセスから最終測定まで、高反射率レーザーミラーについて包括的に見ていきます。
99.99% 純度のコーティングはどのように施されるのでしょうか?
反射率 99.99% の超高反射率レーザー ミラーは、イオン ビーム スパッタリング (IBS) によって堆積された全誘電体コーティングを使用して製造されます。標準的な金属コーティング (金、銀、アルミニウムなど) では 99.99% の反射率を達成できません。このレベルの性能は、多層の低損失誘電体コーティングでのみ可能です。このようなミラーは、レーザー共振器、キャビティ リングダウン (CRD) 分光法、ファブリ ペロー (FP) 干渉計、リング レーザー ジャイロスコープ、および超安定光キャビティで一般的に使用されます。
つまり、この設計は高屈折率材料と低屈折率材料の交互の層で構成されており、各層の光学的厚さは 4 分の 1 波長で、数十層に積み重ねられています。
1064 nm の場合、一般的な組み合わせは Ta2O5/SiO2 で、屈折率は約 2.1 と 1.45 です。各高低 (HL) 境界面では、反射光波が強めに (同位相で) 干渉しますが、透過光の強度は指数関数的に減少します。
計算は簡単です。約 16 ペアでは理論上の反射率 99.9% が得られ、20 ペアでは理論値が 99.999% に近づきます。
数学的に言えば、20 ペアあれば十分です。
では、なぜ実際に製造されたコーティングは 99.9% にしか達しないことが多いのでしょうか?レイヤーの数が制限要因となることはほとんどないためです。それは吸収と散乱です。
99.99% の反射率は、総損失が 100 ppm 未満であることを意味します。材料、界面、および散乱からの吸収により、それぞれ数十 ppm が寄与し、「損失バジェット」はすぐに使い果たされます。
単に層を追加するだけでは、吸収と散乱が増加するだけです。また、応力が蓄積し、コーティング層に亀裂が生じる可能性があります。
一流メーカーは、イオン ビーム スパッタリング (IBS) を使用して、各層の密度と界面の品質 (通常は約 20 ペアの範囲内) を最大化し、その後、吸収を最小限に抑えるために堆積後のアニーリングを行っています。彼らは、単により多くの層を積み重ねるという粗雑なアプローチには依存しません。
帯域幅について:
標準の 1/4 波長スタックの高反射帯域幅は限られており、通常は中心波長の約 ±12% のみをカバーします。
広帯域反射（たとえば、450 ～ 650 nm にわたる全反射）を実現するには、非 4 分の 1 波長設計または複数の周期的スタックの重ね合わせが必要となり、複雑さとコストの両方が大幅に増加します。
光学コーティングを購入するときは、単一の中心波長を提供するだけでなく、必ず必要な帯域幅を指定してください。
LDT: 高反射率ミラーの成否の閾値
反射率が高くても、レーザーを 1 回照射するとフィルム全体が損傷し、使用できなくなります。
レーザー損傷しきい値 (LDT/LIDT) は ISO 21254 に従って測定され、一般に 1-on-1 (1 点あたり 1 回の攻撃) と S-on-1 (同じ点、繰り返し攻撃) の 2 つの手順を使用します。
1064nm ナノ秒パルスでは、電子ビームによって蒸着された従来の膜の収量は約数 J/cm2 から十数 J/cm2 です。最適化された設計によるイオンビームスパッタリングは 40 J/cm² に達します。
この大きな違いは主に欠陥によるものです。
基板上のノジュール、ダスト、研磨残留物はすべてエネルギーの蓄積点です。
レーザーが照射されると、欠陥領域が最初に爆発し、その結果生じたピットの端が新たな蓄積点となり、照射のたびにどんどん大きくなっていきます。
したがって、高LDT膜は、超クリーン環境コーティング、炉前の基板検査、欠陥の伝播を遮断するための界面への半波長SiO2バッファ層の挿入、および酸素欠損を除去するための成膜後のアニーリングを通じて製造されます。
これらのプロセスの詳細は、フィルム システムの設計そのものよりもミラーの運命を決定します。
もう 1 つの経験を追加します。損傷しきい値はスポット サイズと強く相関しています。
スポットが大きいほど、欠陥をカバーする確率が高くなり、測定されるしきい値が低くなります。
LDTデータを比較する場合は、まず試験条件、パルス幅、スポットサイズを確認してください。
キャビティミラー、出力カプラ、および折り返しミラーはすべて高反射率ミラーとして分類されますが、それぞれの具体的な要件は大きく異なります。
キャビティミラー (高反射率エンドミラー) : 光はキャビティ内を往復し、複数の反射を受けます。実際、光は共振キャビティを数万回横断します。
ミラーの反射率が 99.9% の場合 (反射ごとに 1000 ppm の損失が生じることを意味します)、キャビティは発振のしきい値に到達できません。
したがって、キャビティミラーには 99.99% 以上の反射率 (R) が必要で、ハイエンドバージョンでは 99.995% 以上に達します。
反射率よりもさらに重要なのは吸収です。高出力の連続波 (CW) 動作下では、わずか数十 ppm の吸収レベルでミラーが加熱され、ビーム スポットを歪め、光学モードを劣化させる「熱レンズ」効果を引き起こす可能性があります。
3 つのカテゴリの中で、キャビティミラーは製造が最も困難です。
出力ミラー (OC) : 光が逃げるための開口部を意図的に残す設計です。透過率 (T) は、キャビティの利得と損失から計算され、数十分の 1 パーセントから数十パーセントの範囲になります。
課題は 2 つの領域にあります。正確な透過率 (±0.5% 以内) と良好な面内均一性です。そうしないと、光スポットがどこを走っても結合比が変化します。
さらに、基板は通常、高出力で読み取りが不安定になる可能性がある 2 つの平行な表面によって形成されるエタロン効果を避けるためにくさび形になっています。
回転ミラー: 45° ビーム偏向のためにキャビティの外側で使用されます。
2 つの点に留意してください。まず、45°の入射角では、S 偏光と P 偏光の反射率が異なります。通常、P 偏光の高反射率帯域幅はより狭いです。データシートに指定されている「R」（反射率）値が S 偏光、P 偏光、または平均のいずれを指しているのかを必ず確認してください。第二に、回転ミラーでの吸収が直接熱に変換され、光路ドリフトが発生する可能性があります。長い光路や高い安定性が要求されるシステムの場合、これらのミラーの品質に妥協するわけにはいきません。
絶対反射率の要件は比較的緩やかですが (通常は 99.5% で十分です)、表面形状とコーティングの均一性の要件は非常に厳しいです。
コンポーネントを選択する際の教訓は、 まず、意図する位置、入射角、偏光、および電力密度を明確に定義し、それから初めて仕様書を参照する必要があるということです。仕様書にテスト条件が記載されていない場合、仕様書は存在しないも同然です。
測定: 99.99% という数値は直接測定されたものではなく、導き出されたものです。
冒頭の質問に戻りましょう。
99.99% を測定するということは、本質的には 10,000 個に 1 つの部品の損失を測定することを意味します。このような反射率レベルを直接測定できる機器はありません。
業界のアプローチは、総損失を分析し、個々のコンポーネントを個別に測定し、結果を組み合わせるというものです。
熱量吸収測定:
ISO 11551 に従って、既知の出力レベルのレーザーが光学要素 (レンズやミラーなど) に向けられます。温度上昇は通常、熱電対または赤外線温度計を使用して監視され、結果として得られる温度上昇曲線に基づいて吸収率が計算されます。この方法では、ppm (100 万分の 1) レベルの感度を達成できます。
これは、吸収を測定するために最も広く使用されている技術です。その限界は明らかです。散乱と透過は無視され、吸収されるエネルギーの量のみが定量化されます。
総損失のキャビティリングダウン測定:
2 つの高反射ミラーを使用して線形の光キャビティが形成されます。レーザー源のスイッチがオフになると、キャビティ内の光の強度は指数関数的に減衰します。次に、検出器を使用して減衰時定数 τ を記録します。
損失が大きくなると、τ が短くなります。スケールの感覚を得るために、共振器長が 0.5 m、総往復損失が 200 ppm (ミラーあたり 100 ppm) の場合、τ は約 8 マイクロ秒です。反射率にさらに「9」を追加すると (つまり増加すると)、τ は 10 倍に拡張されます。
キャビティリングダウン分光法は ppm レベルの感度を提供し、99.999% (ファイブナイン) の範囲で性能を検証できる数少ない方法の 1 つです。
制限は、キャビティ内のすべての損失の合計を測定することです。個々のミラーまたは特定の損失メカニズムの寄与を分離するには、慎重な実験計画とキャリブレーションが必要です。
パズルの残りのピースは次のように処理されます。透過率 (T) はパワー メーターを使用して直接測定されます (この範囲には標準的な機器で十分です)。一方、散乱 (S) は積分球を使用して取得されます。最後に、合計損失予算が調整されます。
R = 1 − T − A − S
4 つのパラメータはそれぞれ独立して測定されます。これらを組み合わせた場合にのみ、信頼できる 99.99% という数字が得られます。
率直に言って、業界ではよく知られているように、「99.99%」とラベル付けされた一部の光学コンポーネントは、指定された設計波長、0°の入射角、小さなビームスポットなどの特定の条件下でのみテストされています。これらを、45 度の入射角、特定の帯域幅、特定の電力密度を使用した独自のセットアップに適用すると、実際のパフォーマンスはまったく異なるものになる可能性があります。仕様は静的ですが、テスト条件は動的です。
まとめ
99.99% の反射率の達成は、薄膜スタックの設計によって制限されるのではなく (理論的には 20 ペアの 4 分の 1 波長層で十分です)、むしろ吸収、散乱、欠陥などのプロセス関連の要因によって制限されます。さらに、この値を直接測定できる機器はありません。代わりに、透過率 (T)、吸収 (A)、および散乱 (S) を個別に測定してから組み合わせる必要があります。この文脈では、テスト条件は、指定されたパラメーター自体よりもさらに重要です。
出典:神都瑞光
