99,99% reflecterende laserspiegels met hoge reflectie: een uitgebreide analyse van principes, productieprocessen en metingen

Een vriend bracht me ooit een laserspiegel met hoge reflectiviteit en vroeg: 'Op het specificatieblad staat R > 99,99%, maar mijn spectrofotometer meet deze op 99,8%. Heb ik een vervalsing gekregen?'

Ik vertelde hem dat het niet noodzakelijkerwijs nep was. De spiegel zelf is misschien gebrekkig, maar het is veel waarschijnlijker dat de spectrofotometer eenvoudigweg niet in staat is een dergelijke waarde te meten.

De meeste spectrofotometers hebben een nauwkeurigheidsbereik van ±0,1% tot ±0,3%; proberen er een te gebruiken om de reflectiviteit van 99,99% te meten, is hetzelfde als proberen de diameter van een mensenhaar te meten met een standaard meetlint.

Het is eenvoudig om '99,99%' op een specificatieblad te schrijven, maar om dat prestatieniveau daadwerkelijk te bereiken en te verifiëren, is in elke fase serieuze technische expertise vereist.

Vandaag zullen we uitgebreid kijken naar laserspiegels met een hoog reflectievermogen, van het coatingproces tot de uiteindelijke meting.

Hoe wordt een 99,99% zuivere coating aangebracht?

Laserspiegels met ultrahoge reflectiviteit en een reflectievermogen van 99,99% worden geproduceerd met behulp van volledig diëlektrische coatings die zijn afgezet via Ion Beam Sputtering (IBS). Standaard metalen coatings (zoals goud, zilver of aluminium) kunnen geen reflectievermogen van 99,99% bereiken; dit prestatieniveau is alleen mogelijk met meerlaagse, verliesarme diëlektrische coatings. Dergelijke spiegels worden vaak gebruikt in laserresonatoren, Cavity Ring-Down (CRD) spectroscopie, Fabry-Pérot (FP) interferometers, ringlasergyroscopen en ultrastabiele optische holten.

Kortom: het ontwerp bestaat uit afwisselende lagen materialen met een hoge en een lage brekingsindex, waarbij elke laag een optische dikte heeft van een kwart golflengte, gestapeld in tientallen lagen.

Voor 1064 nm is een gebruikelijke combinatie Ta₂O₅/SiO₂, met brekingsindices van ongeveer 2,1 en 1,45. Bij elk hoog-laag (HL) grensvlak interfereren de gereflecteerde lichtgolven constructief (in fase), terwijl de intensiteit van het doorgelaten licht exponentieel afneemt.

De wiskunde is eenvoudig: ongeveer 16 paren leveren een theoretische reflectiviteit op van 99,9%, terwijl 20 paren de theoretische waarde richting 99,999% duwen.

Wiskundig gezien zouden 20 paren voldoende moeten zijn.

Waarom bereiken feitelijk vervaardigde coatings vaak slechts 99,9%? Omdat de beperkende factor zelden het aantal lagen is; het is absorptie en verstrooiing.

Een reflectiviteit van 99,99% impliceert een totaal verlies van minder dan 100 ppm. Omdat de absorptie door de materialen, de grensvlakken en de verstrooiing elk tientallen ppm bijdragen, is het 'verliesbudget' snel uitgeput.

Het simpelweg toevoegen van meer lagen verhoogt alleen maar de absorptie en verstrooiing; het zorgt er ook voor dat spanningen zich ophopen, wat ertoe kan leiden dat de coatinglagen barsten.

Topfabrikanten gebruiken Ion Beam Sputtering (IBS) om de dichtheid van elke laag en de kwaliteit van de interfaces te maximaliseren – doorgaans binnen een bereik van ongeveer 20 paren – gevolgd door uitgloeien na depositie om de absorptie te minimaliseren. Ze vertrouwen niet op de ruwe aanpak van alleen maar meer lagen stapelen.

Wat betreft bandbreedte:

Een standaard kwartgolfstapel heeft een beperkte bandbreedte met hoge reflectie, die doorgaans slechts ongeveer ±12% van de centrale golflengte bestrijkt.

Het bereiken van breedbandreflectie (bijvoorbeeld volledige reflectie over 450–650 nm) vereist niet-kwartgolfontwerpen of de superpositie van meerdere periodieke stapels, wat zowel de complexiteit als de kosten aanzienlijk verhoogt.

Wanneer u optische coatings aanschaft, zorg er dan voor dat u de vereiste bandbreedte specificeert; geef niet slechts één centrale golflengte op.

LDT: de make-or-break-drempel voor spiegels met hoge reflectie

Zelfs bij een hoge reflectiviteit zal een enkele laseraanval de hele film beschadigen, waardoor deze onbruikbaar wordt.

De laserschadedrempel (LDT/LIDT) wordt gemeten volgens ISO 21254, waarbij gewoonlijk twee procedures worden gebruikt: 1-op-1 (één slag per punt) en S-op-1 (hetzelfde punt, herhaalde slagen).

Bij pulsen van nanoseconden van 1064 nm hebben conventionele films die zijn verdampt door een elektronenbundel een opbrengst van ongeveer enkele tot tientallen J/cm²; ionenbundelsputteren met geoptimaliseerd ontwerp kan 40 J/cm² bereiken.

Dit significante verschil is voornamelijk te wijten aan defecten.

Noduli, stof en polijstresten op de ondergrond zijn allemaal energieaccumulatiepunten.

Wanneer het door een laser wordt getroffen, explodeert het defecte gebied eerst en worden de randen van de resulterende put nieuwe verzamelpunten, die bij elke aanval groter en groter worden.

Daarom worden films met een hoog LDT-gehalte geproduceerd door middel van: coating in een ultraschone omgeving, substraatinspectie vóór de oven, plaatsing van een SiO2-bufferlaag met halve golflengte op het grensvlak om de voortplanting van defecten te onderbreken, en uitgloeien na depositie om zuurstofvacatures te elimineren.

Deze procesdetails bepalen meer het lot van een spiegel dan het ontwerp van het filmsysteem zelf.

Nog een stukje ervaring om toe te voegen: de schadedrempel hangt sterk samen met de vlekgrootte.

Hoe groter de vlek, hoe groter de kans dat het defect wordt afgedekt en hoe lager de gemeten drempel.

Controleer bij het vergelijken van LDT-gegevens eerst de testomstandigheden, pulsbreedte en spotgrootte.

Holtespiegels, uitgangskoppelingen en inklapbare spiegels: ze worden allemaal geclassificeerd als spiegels met een hoog reflectievermogen, maar hun specifieke vereisten verschillen aanzienlijk.

Holtespiegels (eindspiegels met hoog reflectievermogen) : Licht reist heen en weer in de holte en ondergaat meerdere reflecties - het licht doorkruist de resonantieholte zelfs tienduizenden keren.

Als een spiegel een reflectiviteit heeft van 99,9% (wat een verlies van 1000 ppm per reflectie impliceert), zal de holte de drempel voor oscillatie niet bereiken.

Daarom vereisen holle spiegels een reflectiviteit (R) van ≥99,99%, terwijl hoogwaardige versies 99,995% of meer bereiken.

Nog belangrijker dan de reflectiviteit is de absorptie: bij een krachtige continue golf (CW) werking kan een absorptieniveau van slechts enkele tientallen ppm de spiegel opwarmen, waardoor een 'thermisch lens'-effect ontstaat dat de bundelvlek vervormt en de optische modus verslechtert.

Van de drie categorieën zijn holle spiegels het meest uitdagend om te vervaardigen.

Uitgangsspiegel (OC) : Het ontwerp laat opzettelijk een opening open waardoor licht kan ontsnappen. De transmissie (T) varieert van enkele tienden van een procent tot enkele tientallen procenten, berekend op basis van de winst en het verlies in de holte.

De uitdagingen liggen op twee gebieden: nauwkeurige transmissie (binnen ±0,5%) en goede uniformiteit in het vlak; anders zal de koppelingsverhouding veranderen waar de lichtvlek ook beweegt.

Bovendien is het substraat doorgaans wigvormig om het etaloneffect te vermijden dat wordt gevormd door twee parallelle oppervlakken, wat bij hoog vermogen leesinstabiliteit kan veroorzaken.

Draaispiegel : gebruikt buiten de spouw voor een straalafbuiging van 45°.

Houd twee punten in gedachten: ten eerste verschillen de reflectiviteiten voor S-gepolariseerd en P-gepolariseerd licht bij een invalshoek van 45°; de bandbreedte met hoge reflectiviteit voor P-polarisatie is doorgaans smaller. Controleer altijd of de 'R'-waarde (reflectiviteit) die in het gegevensblad wordt vermeld, verwijst naar S-polarisatie, P-polarisatie of een gemiddelde. Ten tweede wordt absorptie in een draaiende spiegel direct omgezet in warmte, wat optische padafwijking kan veroorzaken; voor systemen met lange optische paden of hoge stabiliteitseisen kunt u het zich niet veroorloven om concessies te doen aan de kwaliteit van deze spiegels.

Hoewel de vereisten voor absolute reflectiviteit relatief soepel zijn (99,5% is meestal voldoende), zijn de vereisten voor oppervlaktevorm en uniformiteit van de coating extreem streng.

De les bij het selecteren van componenten is deze: definieer eerst duidelijk de beoogde locatie, invalshoek, polarisatie en vermogensdichtheid – pas dan moet u het specificatieblad raadplegen. Als een specificatieblad de testomstandigheden niet vermeldt, kan het net zo goed niet bestaan.

Meting: Een cijfer van 99,99% wordt niet rechtstreeks gemeten, maar afgeleid.

Laten we terugkeren naar de vraag die aan het begin werd gesteld.

Het meten van 99,99% betekent in wezen het meten van een verlies van één deel op 10.000; geen enkel instrument is in staat een dergelijk reflectieniveau rechtstreeks te meten.

De industriële aanpak is om het totale verlies op te splitsen, de afzonderlijke componenten afzonderlijk te meten en vervolgens de resultaten te combineren.

Calorimetrische absorptiemeting:

In overeenstemming met ISO 11551 wordt een laser met een bekend vermogensniveau gericht op een optisch element (zoals een lens of spiegel). De temperatuurstijging wordt gevolgd – meestal met behulp van een thermokoppel of een infraroodthermometer – en de absorptiesnelheid wordt berekend op basis van de resulterende temperatuurstijgingscurve. Deze methode kan een gevoeligheid bereiken in de orde van ppm (parts per million).

Dit is de meest gebruikte techniek om de absorptie te meten. De beperking ervan is duidelijk: het kwantificeert alleen de hoeveelheid geabsorbeerde energie, terwijl verstrooiing en transmissie buiten beschouwing worden gelaten.

Cavity Ring-Down-meting van totaal verlies:

Er wordt een lineaire optische holte gevormd met behulp van twee sterk reflecterende spiegels. Zodra de laserbron is uitgeschakeld, neemt de lichtintensiteit in de holte exponentieel af; een detector wordt vervolgens gebruikt om de vervaltijdconstante, τ, te registreren.

Hogere verliezen resulteren in een kortere τ. Om een ​​idee te krijgen van de schaal: voor een holtelengte van 0,5 m en een totaal retourverlies van 200 ppm (100 ppm per spiegel) is τ ongeveer 8 microseconden. Door nog een '9' aan de reflectiviteit toe te voegen (dat wil zeggen, deze te vergroten) wordt τ met een factor tien vergroot.

Cavity ring-down spectroscopie biedt gevoeligheid op ppm-niveau, waardoor het een van de weinige methoden is die prestaties in het bereik van 99,999% (vijf-negens) kan verifiëren.

Een beperking is dat het de som meet van alle verliezen in de holte; het isoleren van de bijdrage van elke individuele spiegel of specifiek verliesmechanisme vereist een zorgvuldig experimenteel ontwerp en kalibratie.

De resterende stukjes van de puzzel worden als volgt aangepakt: de transmissie (T) wordt rechtstreeks gemeten met behulp van een vermogensmeter (standaardinstrumenten zijn voldoende voor dit bereik), terwijl verstrooiing (S) wordt geregistreerd met behulp van een integrerende bol. Ten slotte wordt het totale verliesbudget afgestemd:

R = 1 − T − EEN − S

Elk van de vier parameters wordt onafhankelijk gemeten; alleen gecombineerd leveren ze een geloofwaardig cijfer van 99,99% op.

Om eerlijk te zijn, zoals algemeen bekend is binnen de industrie, zijn sommige optische componenten met het label '99,99%' alleen getest onder specifieke omstandigheden: een aangewezen ontwerpgolflengte, een invalshoek van 0° en een kleine bundelvlek. Als je ze eenmaal op je eigen opstelling toepast – met een invalshoek van 45°, een specifieke bandbreedte en een bepaalde vermogensdichtheid – kunnen de werkelijke prestaties heel anders zijn. Specificaties zijn statisch, maar testomstandigheden zijn dynamisch.

Samenvatting

Het bereiken van een reflectiviteit van 99,99% wordt niet beperkt door het ontwerp van de dunne filmstapel (theoretisch zijn 20 paar kwartgolflagen voldoende), maar eerder door procesgerelateerde factoren zoals absorptie, verstrooiing en defecten. Bovendien kan geen enkel instrument deze waarde rechtstreeks meten; in plaats daarvan moeten de transmissie (T), de absorptie (A) en de verstrooiing (S) afzonderlijk worden gemeten en vervolgens worden gecombineerd. In deze context zijn de testomstandigheden zelfs nog kritischer dan de gespecificeerde parameter zelf.

Bron: shenduzhuiguang