한 친구가 나에게 고반사율 레이저 거울을 가져와서 '사양 시트에는 R > 99.99%라고 나와 있는데 내 분광 광도계는 99.8%로 측정합니다. 제가 위조품을 받았나요?'라고 물은 적이 있습니다.
나는 그것이 반드시 가짜는 아니라고 그에게 말했습니다. 거울 자체에 결함이 있을 수 있지만 분광 광도계가 그러한 값을 측정할 수 없을 가능성이 훨씬 더 높습니다.
대부분의 분광 광도계의 정확도 범위는 ±0.1% ~ ±0.3%입니다. 99.99% 반사율을 측정하기 위해 하나를 사용하는 것은 표준 줄자를 사용하여 사람의 머리카락 직경을 측정하는 것과 같습니다.
사양 시트에 '99.99%'라고 적는 것은 쉽지만 실제로 해당 수준의 성능을 달성하고 이를 검증하려면 모든 단계에서 심각한 기술 전문 지식이 필요합니다.
오늘은 코팅 공정부터 최종 측정까지 고반사율 레이저 미러에 대해 포괄적으로 살펴보겠습니다.
99.99% 순도 코팅은 어떻게 적용되나요?
반사율이 99.99%인 초고반사 레이저 미러는 IBS(이온 빔 스퍼터링)를 통해 증착된 전체 유전체 코팅을 사용하여 생산됩니다. 표준 금속 코팅(예: 금, 은 또는 알루미늄)은 99.99% 반사율을 달성할 수 없습니다. 이러한 수준의 성능은 다층 저손실 유전체 코팅을 통해서만 가능합니다. 이러한 미러는 레이저 공진기, CRD(공동 링다운) 분광학, FP(Fabry-Pérot) 간섭계, 링 레이저 자이로스코프 및 매우 안정적인 광학 공동에 일반적으로 사용됩니다.
간단히 말해서, 디자인은 고굴절률 재료와 저굴절률 재료의 교번 층으로 구성되며, 각 층은 1/4 파장의 광학적 두께를 가지며 수십 개의 층으로 쌓여 있습니다.
1064nm의 경우 일반적인 조합은 Ta2O₅/SiO2이며 굴절률은 약 2.1과 1.45입니다. 각 HL(하이-로우) 인터페이스에서 반사된 광파는 보강적으로(동위상) 간섭하는 반면, 투과된 광 강도는 기하급수적으로 감소합니다.
계산은 간단합니다. 약 16쌍은 이론적 반사율 99.9%를 산출하는 반면, 20쌍은 이론적 값을 99.999%로 끌어올립니다.
수학적으로 말하면 20쌍이면 충분합니다.
그렇다면 실제 제조된 코팅은 왜 종종 99.9%에 도달합니까? 제한 요소가 레이어 수인 경우는 거의 없기 때문입니다. 그것은 흡수와 산란이다.
99.99%의 반사율은 총 손실이 100ppm 미만임을 의미합니다. 재료, 인터페이스 및 산란으로부터의 흡수로 인해 각각 수십ppm이 발생하므로 '손실 예산'은 빠르게 소진됩니다.
단순히 더 많은 레이어를 추가하면 흡수와 산란만 증가합니다. 또한 응력이 축적되어 코팅층이 깨질 수 있습니다.
일류 제조업체에서는 IBS(이온빔 스퍼터링)를 사용하여 각 층의 밀도와 인터페이스 품질을 최대화하고(일반적으로 약 20쌍 범위 내), 증착 후 어닐링을 통해 흡수를 최소화합니다. 그들은 단순히 더 많은 레이어를 쌓는 조잡한 접근 방식에 의존하지 않습니다.
대역폭 관련:
표준 1/4 파장 스택은 제한된 고반사 대역폭을 가지며 일반적으로 중심 파장의 약 ±12%만 커버합니다.
광대역 반사(예: 450~650nm에 걸친 완전 반사)를 달성하려면 1/4파가 아닌 설계 또는 여러 주기적 스택의 중첩이 필요하며, 이로 인해 복잡성과 비용이 크게 증가합니다.
광학 코팅을 구매할 때 단일 중심 파장만 제공하지 말고 필요한 대역폭을 지정하십시오.
LDT: 고반사 미러의 개폐 임계값
반사율이 높더라도 단일 레이저 공격으로 필름 전체가 손상되어 사용할 수 없게 됩니다.
레이저 손상 임계값(LDT/LIDT)은 ISO 21254에 따라 측정되며 일반적으로 1-on-1(점당 1회 타격) 및 S-on-1(동일 지점, 반복 타격)의 두 가지 절차를 사용합니다.
1064nm 나노초 펄스에서 전자빔에 의해 증발된 기존 필름의 수율은 대략 수십 J/cm²입니다. 최적화된 설계를 갖춘 이온빔 스퍼터링은 40J/cm²에 도달할 수 있습니다.
이러한 중요한 차이는 주로 결함으로 인해 발생합니다.
기판의 결절, 먼지 및 연마 잔여물은 모두 에너지 축적 지점입니다.
레이저에 부딪히면 결함이 있는 부분이 먼저 폭발하고, 결과로 발생한 구덩이의 가장자리가 새로운 축적 지점이 되어 공격할 때마다 점점 더 커집니다.
따라서 초청정 환경 코팅, 노 전 기판 검사, 결함 전파를 차단하기 위한 인터페이스에 반파장 SiO2 버퍼층 삽입, 산소 결손 제거를 위한 증착 후 어닐링을 통해 높은 LDT 필름이 생산됩니다.
이러한 프로세스 세부 사항은 필름 시스템 설계 자체보다 거울의 운명을 더 결정합니다.
추가할 또 다른 경험: 손상 임계값은 스팟 크기와 밀접한 상관관계가 있습니다.
스폿이 클수록 결함을 덮을 가능성이 높아지고 측정된 임계값이 낮아집니다.
LDT 데이터를 비교할 때 먼저 테스트 조건, 펄스 폭 및 스폿 크기를 확인하십시오.
캐비티 미러, 출력 커플러 및 접이식 미러는 모두 고반사 미러로 분류되지만 구체적인 요구 사항은 크게 다릅니다.
캐비티 미러(고반사율 엔드 미러) : 빛은 캐비티 내에서 앞뒤로 이동하면서 여러 번 반사됩니다. 실제로 빛은 공진 캐비티를 수만 번 통과합니다.
거울의 반사율이 99.9%(반사당 1000ppm 손실을 의미)인 경우 공동은 진동 임계값에 도달하지 못합니다.
따라서 캐비티 미러에는 99.99% 이상의 반사율(R)이 필요하며 고급 버전은 99.995% 이상에 도달합니다.
반사율보다 훨씬 더 중요한 것은 흡수입니다. 고전력 CW(연속파) 작동에서는 흡수 수준이 수십ppm에 불과해도 미러를 가열하여 '열 렌즈' 효과를 유도하여 빔 스폿을 왜곡하고 광학 모드를 저하시킬 수 있습니다.
세 가지 범주 중에서 캐비티 미러는 제조가 가장 까다롭습니다.
출력 거울(OC) : 빛이 빠져나갈 수 있도록 의도적으로 개구부를 남겨두도록 설계되었습니다. 투과율(T)의 범위는 캐비티 이득 및 손실로부터 계산된 수십 퍼센트에서 수십 퍼센트까지입니다.
과제는 정확한 투과율(±0.5% 이내)과 우수한 면내 균일성이라는 두 가지 영역에 있습니다. 그렇지 않으면 광점이 스윕할 때마다 결합 비율이 변경됩니다.
또한 기판은 두 개의 평행한 표면에 의해 형성되는 에탈론 효과를 방지하기 위해 일반적으로 쐐기 모양입니다. 이는 고전력에서 판독 불안정을 유발할 수 있습니다.
회전 거울 : 45° 빔 편향을 위해 캐비티 외부에서 사용됩니다.
두 가지 사항을 염두에 두십시오. 첫째, 45° 입사각에서 S 편광과 P 편광의 반사율은 다릅니다. 즉, P 편광의 고반사 대역폭은 일반적으로 더 좁습니다. 데이터시트에 지정된 'R'(반사율) 값이 S-편광, P-편광 또는 평균을 나타내는지 항상 확인하십시오. 둘째, 회전 거울의 흡수는 열로 직접 변환되어 광학 경로 드리프트를 일으킬 수 있습니다. 광학 경로가 길거나 안정성이 요구되는 시스템의 경우 이러한 미러의 품질을 타협할 여유가 없습니다.
절대 반사율에 대한 요구 사항은 상대적으로 완화되어 있지만(보통 99.5%면 충분함), 표면 형상 및 코팅 균일성에 대한 요구 사항은 매우 엄격합니다.
구성 요소를 선택할 때 얻을 수 있는 교훈은 먼저 의도한 위치, 입사각, 편광 및 전력 밀도를 명확하게 정의한 다음 사양 시트를 참조해야 한다는 것입니다. 사양 시트에 테스트 조건이 명시되어 있지 않으면 존재하지 않는 것일 수도 있습니다.
측정: 99.99% 수치는 직접 측정되지 않고 파생됩니다.
처음에 던진 질문으로 돌아가 보겠습니다.
99.99%를 측정한다는 것은 본질적으로 10,000개 중 한 부품의 손실을 측정한다는 의미입니다. 이러한 반사율 수준을 직접 측정할 수 있는 장비는 없습니다.
업계의 접근 방식은 총 손실을 세분화하고 개별 구성 요소를 별도로 측정한 다음 결과를 결합하는 것입니다.
열량 흡수 측정:
ISO 11551에 따라 알려진 출력 수준의 레이저는 광학 요소(예: 렌즈 또는 거울)를 향합니다. 일반적으로 열전대 또는 적외선 온도계를 사용하여 온도 상승을 모니터링하고 결과 온도 상승 곡선을 기반으로 흡수율을 계산합니다. 이 방법은 ppm(백만분율) 정도의 감도를 달성할 수 있습니다.
이것은 흡수를 측정하는 데 가장 널리 사용되는 기술입니다. 한계는 분명합니다. 흡수된 에너지의 양만 정량화하고 산란과 전달은 무시합니다.
총 손실의 캐비티 링다운 측정:
반사율이 높은 두 개의 거울을 사용하여 선형 광학 공동이 형성됩니다. 레이저 소스의 스위치가 꺼지면 공동 내 광도가 기하급수적으로 감소합니다. 그런 다음 검출기를 사용하여 감쇠 시간 상수 τ를 기록합니다.
손실이 높을수록 τ가 짧아집니다. 규모를 이해하려면 캐비티 길이가 0.5m이고 총 왕복 손실이 200ppm(미러당 100ppm)인 경우 τ는 약 8마이크로초입니다. 반사율에 또 다른 '9'를 추가하면(즉, 증가시키면) τ가 10배로 확장됩니다.
캐비티 링다운 분광법은 ppm 수준의 감도를 제공하므로 99.999%(파이브나인) 범위에서 성능을 검증할 수 있는 몇 안 되는 방법 중 하나입니다.
제한 사항은 캐비티 내 모든 손실의 합계를 측정한다는 것입니다. 각 개별 거울 또는 특정 손실 메커니즘의 기여도를 분리하려면 신중한 실험 설계 및 보정이 필요합니다.
퍼즐의 나머지 조각은 다음과 같이 처리됩니다. 투과율(T)은 파워 미터를 사용하여 직접 측정하고(이 범위에는 표준 기기로 충분함) 산란(S)은 적분구를 사용하여 캡처합니다. 마지막으로 총 손실 예산이 조정됩니다.
R = 1 − T − A − S
네 가지 매개변수는 각각 독립적으로 측정됩니다. 결합된 경우에만 신뢰할 수 있는 99.99% 수치를 얻을 수 있습니다.
솔직히 말해서 업계에서 잘 알려진 바와 같이 '99.99%'라고 표시된 일부 광학 구성 요소는 지정된 설계 파장, 0° 입사각 및 작은 빔 스폿과 같은 특정 조건에서만 테스트되었습니다. 45° 입사각, 특정 대역폭 및 특정 전력 밀도를 사용하여 자체 설정에 적용하면 실제 성능이 완전히 달라질 수 있습니다. 사양은 정적이지만 테스트 조건은 동적입니다.
요약
99.99% 반사율을 달성하는 것은 이론적으로 20쌍의 1/4파장이면 충분하는 박막 스택 설계에 의해 제한되는 것이 아니라 흡수, 산란, 결함과 같은 공정 관련 요인에 의해 제한됩니다. 게다가 어떤 장비도 이 값을 직접 측정할 수 없습니다. 대신 투과도(T), 흡수(A), 산란(S)을 별도로 측정한 후 결합해야 합니다. 이러한 맥락에서 테스트 조건은 지정된 매개변수 자체보다 훨씬 더 중요합니다.
출처:신두주회광
