Лазерные зеркала с высоким коэффициентом отражения с коэффициентом отражения 99,99%: комплексный анализ принципов, производственных процессов и измерений

Однажды друг принес мне лазерное зеркало с высокой отражающей способностью и спросил: «В характеристиках указано R > 99,99%, но мой спектрофотометр показывает 99,8%. Неужели я получил подделку?»

Я сказал ему, что это не обязательно подделка. Само зеркало может быть неисправным, но гораздо более вероятно, что спектрофотометр просто не способен измерить такое значение.

Большинство спектрофотометров имеют диапазон точности от ±0,1% до ±0,3%; пытаться использовать его для измерения отражательной способности 99,99% — это все равно, что пытаться измерить диаметр человеческого волоса стандартной рулеткой.

Написать «99,99%» в спецификации легко, но на самом деле достижение такого уровня производительности и его проверка требуют серьезных технических знаний на каждом этапе.

Сегодня мы подробно рассмотрим лазерные зеркала с высокой отражающей способностью — от процесса нанесения покрытия до окончательных измерений.

Как наносится покрытие с чистотой 99,99%?

Лазерные зеркала со сверхвысокой отражательной способностью и коэффициентом отражения 99,99% производятся с использованием полностью диэлектрических покрытий, наносимых методом ионно-лучевого распыления (IBS). Стандартные металлические покрытия (например, золото, серебро или алюминий) не могут достичь коэффициента отражения 99,99%; такой уровень производительности возможен только при использовании многослойных диэлектрических покрытий с низкими потерями. Такие зеркала обычно используются в лазерных резонаторах, спектроскопии Cavity Ring Down (CRD), интерферометрах Фабри-Перо (FP), кольцевых лазерных гироскопах и сверхстабильных оптических резонаторах.

Вкратце: конструкция состоит из чередующихся слоев материалов с высоким и низким показателем преломления, причем каждый слой имеет оптическую толщину в четверть длины волны, уложенных в десятки слоев.

Для длины волны 1064 нм обычно используется комбинация Ta₂O₅/SiO₂ с показателями преломления примерно 2,1 и 1,45. На каждом интерфейсе «высокий-низкий» (HL) отраженные световые волны конструктивно интерферируют (синфазно), в то время как интенсивность прошедшего света уменьшается экспоненциально.

Математика проста: около 16 пар дают теоретическую отражательную способность 99,9%, а 20 пар увеличивают теоретическое значение до 99,999%.

С математической точки зрения, 20 пар должно быть достаточно.

Так почему же реально производимые покрытия часто достигают только 99,9%? Потому что ограничивающим фактором редко является количество слоев; это поглощение и рассеяние.

Отражательная способность 99,99% означает общие потери менее 100 ppm. Поглощение материалов, интерфейсов и рассеяние, каждый из которых составляет десятки частей на миллион, «бюджет потерь» быстро исчерпывается.

Простое добавление большего количества слоев только увеличивает поглощение и рассеяние; это также вызывает накопление напряжений, что может привести к растрескиванию слоев покрытия.

Производители высшего уровня используют ионно-лучевое распыление (IBS) для максимизации плотности каждого слоя и качества интерфейсов (обычно в пределах около 20 пар) с последующим отжигом после осаждения для минимизации поглощения. Они не полагаются на грубый подход, заключающийся в простом наложении большего количества слоев.

Что касается пропускной способности:

Стандартный четвертьволновый пакет имеет ограниченную полосу пропускания с высоким коэффициентом отражения, обычно охватывающую только около ±12% центральной длины волны.

Достижение широкополосного отражения (например, полного отражения в диапазоне 450–650 нм) требует нечетвертьволновой конструкции или суперпозиции нескольких периодических стопок, что значительно увеличивает как сложность, так и стоимость.

При покупке оптических покрытий обязательно укажите требуемую полосу пропускания, а не просто указывайте одну центральную длину волны.

LDT: порог успеха для зеркал с высокой отражающей способностью

Даже при высокой отражательной способности одиночный лазерный удар повредит всю пленку и сделает ее непригодной для использования.

Порог повреждения лазером (LDT/LIDT) измеряется в соответствии со стандартом ISO 21254, обычно с использованием двух процедур: 1-на-1 (один удар на точку) и S-на-1 (одна и та же точка, повторяющиеся удары).

При наносекундных импульсах 1064 нм обычные пленки, испаряемые электронным лучом, имеют выход примерно от нескольких до десятков Дж/см²; ионно-лучевое распыление с оптимизированной конструкцией может достигать 40 Дж/см².

Столь существенная разница обусловлена ​​прежде всего дефектами.

Наплывы, пыль и остатки полировки на подложке являются точками накопления энергии.

При попадании лазера сначала взрывается дефектный участок, а края образовавшейся ямки становятся новыми точками скопления, разрастаясь с каждым ударом все больше и больше.

Таким образом, пленки с высоким LDT производятся за счет: нанесения покрытия в сверхчистой среде, проверки подложки перед печью, введения полуволнового буферного слоя SiO2 на границе раздела для прекращения распространения дефектов и отжига после осаждения для устранения кислородных вакансий.

Эти детали процесса определяют судьбу зеркала больше, чем сама конструкция пленочной системы.

Еще один опыт, который хотелось бы добавить: порог повреждения сильно коррелирует с размером пятна.

Чем больше пятно, тем выше вероятность перекрытия дефекта и тем ниже измеряемый порог.

При сравнении данных LDT сначала проверьте условия испытаний, ширину импульса и размер пятна.

Резонаторные зеркала, выходные преобразователи и складные зеркала — все они классифицируются как зеркала с высокой отражающей способностью, однако их конкретные требования существенно различаются.

Зеркала резонатора (торцевые зеркала с высокой отражающей способностью) . Свет перемещается взад и вперед внутри резонатора, претерпевая многократные отражения - фактически, свет пересекает резонансную полость десятки тысяч раз.

Если зеркало имеет отражательную способность 99,9% (что означает потерю 1000 ppm на одно отражение), резонатор не сможет достичь порога колебаний.

Таким образом, для полых зеркал требуется коэффициент отражения (R) ≥99,99%, а в высококачественных версиях он достигает 99,995% или выше.

Еще более важным, чем отражательная способность, является поглощение: при работе в режиме непрерывного излучения высокой мощности уровень поглощения всего в несколько десятков частей на миллион может нагреть зеркало, вызывая эффект «тепловой линзы», который искажает пятно луча и ухудшает оптический режим.

Среди трех категорий зеркала полости являются наиболее сложными в производстве.

Выходное зеркало (OC) : конструкция намеренно оставляет отверстие для выхода света. Коэффициент пропускания (T) варьируется от нескольких десятых процента до нескольких десятков процентов и рассчитывается на основе усиления и потерь резонатора.

Проблемы лежат в двух областях: точный коэффициент пропускания (в пределах ±0,5%) и хорошая однородность в плоскости; в противном случае коэффициент связи будет меняться везде, где проходит световое пятно.

Кроме того, подложка обычно имеет клиновидную форму, чтобы избежать эталонного эффекта, создаваемого двумя параллельными поверхностями, который может вызвать нестабильность считывания при высокой мощности.

Поворотное зеркало : используется снаружи резонатора для отклонения луча на 45°.

Имейте в виду два момента: во-первых, при угле падения 45° коэффициенты отражения для S-поляризованного и P-поляризованного света различаются — полоса пропускания с высокой отражательной способностью для P-поляризации обычно уже. Всегда проверяйте, относится ли значение «R» (отражательная способность), указанное в таблице данных, к S-поляризации, P-поляризации или к среднему значению. Во-вторых, поглощение во вращающемся зеркале преобразуется непосредственно в тепло, что может вызвать дрейф оптического пути; для систем с длинными оптическими путями или высокими требованиями к стабильности вы не можете позволить себе идти на компромисс в отношении качества этих зеркал.

Хотя требования к абсолютной отражательной способности относительно мягкие (обычно достаточно 99,5%), требования к форме поверхности и однородности покрытия чрезвычайно строгие.

Урок при выборе компонентов таков: сначала четко определите предполагаемое расположение, угол падения, поляризацию и плотность мощности — только после этого вам следует обратиться к спецификации. Если в спецификации не указаны условия испытаний, возможно, ее не существует.

Измерение: показатель 99,99% не измеряется напрямую, а является производным.

Вернемся к вопросу, поставленному в начале.

Измерение 99,99% по сути означает измерение потери в размере одной части из 10 000; ни один прибор не способен напрямую измерить такой уровень отражения.

Отраслевой подход заключается в том, чтобы разбить общие потери, измерить отдельные компоненты по отдельности, а затем объединить результаты.

Калориметрическое измерение поглощения:

В соответствии со стандартом ISO 11551 лазер с известным уровнем мощности направляется на оптический элемент (например, линзу или зеркало). Повышение температуры контролируется — обычно с помощью термопары или инфракрасного термометра — и скорость поглощения рассчитывается на основе полученной кривой повышения температуры. Этот метод позволяет достичь чувствительности порядка ppm (частей на миллион).

Это наиболее широко используемый метод измерения поглощения. Его ограничение очевидно: он определяет только количество поглощенной энергии, игнорируя рассеяние и передачу.

Измерение общих потерь при понижении давления в полости:

Линейный оптический резонатор формируется с помощью двух высокоотражающих зеркал. После выключения лазерного источника интенсивность света внутри резонатора экспоненциально спадает; Затем детектор используется для регистрации постоянной времени затухания τ.

Более высокие потери приводят к более короткому τ. Чтобы понять масштаб: для длины резонатора 0,5 м и общих потерь в обоих направлениях 200 ppm (100 ppm на зеркало) τ составляет примерно 8 микросекунд. Добавление еще одной «9» к отражательной способности (т. е. увеличение ее) увеличивает τ в десять раз.

Спектроскопия с понижением частоты резонатора обеспечивает чувствительность на уровне ppm, что делает его одним из немногих методов, позволяющих проверить производительность в диапазоне 99,999% (пять девяток).

Ограничением является то, что он измеряет сумму всех потерь внутри полости; Выделение вклада каждого отдельного зеркала или конкретного механизма потерь требует тщательного планирования эксперимента и калибровки.

Остальные части головоломки решаются следующим образом: коэффициент пропускания (T) измеряется непосредственно с помощью измерителя мощности (для этого диапазона достаточно стандартных приборов), а рассеяние (S) фиксируется с помощью интегрирующей сферы. Наконец, общий бюджет потерь сверяется:

р знак равно 1 - Т - А - С

Каждый из четырех параметров измеряется независимо; только в совокупности они дают достоверную цифру 99,99%.

Честно говоря, как хорошо известно в отрасли, некоторые оптические компоненты с маркировкой «99,99%» тестировались только в определенных условиях: заданная расчетная длина волны, угол падения 0° и небольшое пятно луча. Как только вы примените их к своей собственной установке — с углом падения 45°, определенной полосой пропускания и определенной плотностью мощности — реальная производительность может быть совершенно иной. Спецификации статичны, но условия тестирования динамичны.

Краткое содержание

Достижение коэффициента отражения 99,99% не ограничивается конструкцией стопки тонких пленок (теоретически достаточно 20 пар четвертьволновых слоев), а скорее факторами, связанными с процессом, такими как поглощение, рассеяние и дефекты. Более того, ни один прибор не может напрямую измерить эту величину; вместо этого пропускание (T), поглощение (A) и рассеяние (S) необходимо измерять отдельно, а затем объединять. В этом контексте условия тестирования даже более критичны, чем сам заданный параметр.

Источник: Шендучжуйгуан