99,99% рефлектујућа ласерска огледала високог одраза: свеобухватна анализа принципа, производних процеса и мерења

Пријатељ ми је једном донео ласерско огледало високе рефлексије и упитао: „На листи са спецификацијама пише Р > 99,99%, али мој спектрофотометар мери то на 99,8%. Да ли сам добио фалсификат?“

Рекао сам му да то није нужно лажно. Само огледало може бити погрешно, али је много вероватније да спектрофотометар једноставно није у стању да измери такву вредност.

Већина спектрофотометара има опсег тачности од ±0,1% до ±0,3%; покушај да се користи за мерење 99,99% рефлексивности је као покушај мерења пречника људске косе стандардном траком.

Писање „99,99%“ на листу са спецификацијама је лако—али заправо постизање тог нивоа перформанси и његово верификовање захтева озбиљну техничку стручност у свакој фази.

Данас ћемо свеобухватно погледати ласерска огледала високе рефлексије — од процеса наношења премаза до коначног мерења.

Како се наноси 99,99% чист премаз?

Ласерска огледала ултра-високе рефлексије са рефлексијом од 99,99% производе се коришћењем потпуно диелектричних премаза нанесених распршивањем јонским снопом (ИБС). Стандардни метални премази (као што су злато, сребро или алуминијум) не могу постићи рефлексију од 99,99%; овај ниво перформанси је могућ само код вишеслојних диелектричних премаза са малим губицима. Таква огледала се обично користе у ласерским резонаторима, спектроскопији са прстенастим прстеном (ЦРД), интерферометрима Фабри-Перот (ФП), прстенастим ласерским жироскопима и ултра-стабилним оптичким шупљинама.

Укратко: дизајн се састоји од наизменичних слојева материјала са високим и ниским индексом преламања, при чему сваки слој има оптичку дебљину од једне четвртине таласне дужине, наслаганих у десетине слојева.

За 1064 нм, уобичајена комбинација је Та₂О₅/СиО₂, са индексима преламања од приближно 2,1 и 1,45. На сваком високо-ниском (ХЛ) интерфејсу, рефлектовани светлосни таласи конструктивно интерферирају (у фази), док се интензитет пропуштеног светла експоненцијално смањује.

Математика је једноставна: око 16 парова даје теоријску рефлексивност од 99,9%, док 20 парова гура теоријску вредност ка 99,999%.

Математички гледано, 20 парова би требало да буде довољно.

Дакле, зашто стварно произведени премази често достижу само 99,9%? Зато што је ограничавајући фактор ретко број слојева; то је упијање и расипање.

Рефлективност од 99,99% подразумева укупан губитак мањи од 100 ппм. Са апсорпцијом из материјала, интерфејса и расипањем од којих сваки доприноси десетинама ппм, 'буџет губитка' се брзо исцрпљује.

Једноставно додавање више слојева само повећава апсорпцију и расипање; такође узрокује накупљање стреса, што може довести до пуцања слојева премаза.

Врхунски произвођачи користе распршивање јонским снопом (ИБС) да максимизирају густину сваког слоја и квалитет интерфејса – обично у распону од око 20 парова – праћено жарењем након таложења да би се апсорпција свела на минимум. Не ослањају се на груб приступ само слагања више слојева.

Што се тиче пропусног опсега:

Стандардни четвртталасни стек има ограничен пропусни опсег високе рефлексије, који обично покрива само око ±12% централне таласне дужине.

Постизање широкопојасне рефлексије (нпр. пуна рефлексија преко 450–650 нм) захтева не-четвртталасне дизајне или суперпозицију више периодичних стекова, што значајно повећава и сложеност и цену.

Када купујете оптичке премазе, обавезно наведите потребну ширину опсега – немојте само обезбедити једну централну таласну дужину.

ЛДТ: Праг стварања или прекида за огледала високе рефлексије

Чак и уз високу рефлексивност, један ласерски удар ће оштетити цео филм, чинећи га неупотребљивим.

Праг оштећења ласера ​​(ЛДТ/ЛИДТ) се мери у складу са ИСО 21254, обично користећи две процедуре: 1-на-1 (један ударац по тачки) и С-он-1 (иста тачка, поновљени удари).

При наносекундним импулсима од 1064нм, конвенционални филмови испарени електронским снопом имају принос од отприлике неколико до десетина Ј/цм²; Распршивање јонским снопом са оптимизованим дизајном може да достигне 40 Ј/цм².

Ова значајна разлика је првенствено због недостатака.

Нодуле, прашина и остаци полирања на подлози су све тачке акумулације енергије.

Када га удари ласер, дефектно подручје прво експлодира, а ивице настале јаме постају нове тачке накупљања, које сваким ударцем постају све веће и веће.

Према томе, високи ЛДТ филмови се производе кроз: премаз ултра чистог окружења, инспекцију супстрата пре пећи, уметање пуферског слоја СиО2 полуталасне дужине на интерфејс да би се прекинуло ширење дефекта и жарење након таложења да би се елиминисала слободна места за кисеоник.

Ови детаљи процеса одређују судбину огледала више од самог дизајна филмског система.

Још једно искуство које треба додати: праг оштећења је у снажној корелацији са величином тачке.

Што је већа тачка, већа је вероватноћа покривања дефекта и нижи је измерени праг.

Када упоредите ЛДТ податке, прво проверите услове тестирања, ширину импулса и величину тачке.

Огледала са шупљином, излазне спојнице и преклопна огледала—сви су класификовани као огледала високог рефлекса, али се њихови специфични захтеви значајно разликују.

Огледала шупљине (крајња огледала високе рефлексије) : Светлост путује напред-назад унутар шупљине, пролазећи кроз вишеструке рефлексије - у ствари, светлост пролази кроз резонантну шупљину десетинама хиљада пута.

Ако огледало има рефлексивност од 99,9% (што подразумева губитак од 1000 ппм по рефлексији), шупљина неће успети да достигне праг за осциловање.

Због тога, огледала са шупљином захтевају рефлексивност (Р) од ≥99,99%, са врхунским верзијама које достижу 99,995% или више.

Чак и критичнија од рефлективности је апсорпција: у раду са континуираним таласима велике снаге (ЦВ), ниво апсорпције од само неколико десетина ппм може да загреје огледало, изазивајући ефекат „термалног сочива“ који изобличује тачку снопа и деградира оптички режим.

Међу три категорије, огледала са шупљином су најзахтевнија за производњу.

Излазно огледало (ОЦ) : Дизајн намерно оставља отвор за излазак светлости. Трансмитанс (Т) се креће од неколико десетина процента до неколико десетина процената, рачунато од повећања и губитка шупљине.

Изазови леже у две области: тачан пропуст (унутар ±0,5%) и добра униформност у равни; у супротном, однос спајања ће се променити где год се светлосна тачка повуче.

Поред тога, супстрат је типично клинастог облика да би се избегао ефекат еталона формиран од две паралелне површине, што може изазвати нестабилност читања при великој снази.

Огледало за окретање : Користи се изван шупљине за отклон зрака од 45°.

Имајте на уму две тачке: Прво, при упадном углом од 45°, рефлективности за С-поларизовану и П-поларизовану светлост се разликују - ширина опсега високе рефлексије за П-поларизацију је типично ужа. Увек проверите да ли се вредност 'Р' (рефлективности) наведена у табели са подацима односи на С-поларизацију, П-поларизацију или просек. Друго, апсорпција у огледалу који се окреће директно се претвара у топлоту, што може проузроковати померање оптичке путање; за системе са дугим оптичким путевима или високим захтевима за стабилност, не можете себи приуштити компромис у погледу квалитета ових огледала.

Док су захтеви за апсолутну рефлексивност релативно опуштени (обично је довољно 99,5%), захтеви за површинском фигуром и униформношћу премаза су изузетно строги.

Поука када бирате компоненте је следећа: прво јасно дефинишите намеравану локацију, упадни угао, поларизацију и густину снаге — тек онда треба да консултујете лист са спецификацијама. Ако спецификација не наводи услове тестирања, можда и не постоји.

Мерење: цифра од 99,99% се не мери директно – она је изведена.

Вратимо се на питање постављено на почетку.

Мерење 99,99% у суштини значи мерење губитка једног дела у 10.000; ниједан инструмент није у стању да директно измери такав ниво рефлексије.

Индустријски приступ је разбијање укупног губитка, мерење појединачних компоненти одвојено, а затим комбиновање резултата.

Калориметријско мерење апсорпције:

У складу са ИСО 11551, ласер са познатим нивоом снаге је усмерен на оптички елемент (као што је сочиво или огледало). Пораст температуре се прати — обично помоћу термоелемента или инфрацрвеног термометра — а брзина апсорпције се израчунава на основу резултујуће криве пораста температуре. Ова метода може постићи осетљивост реда величине ппм (делова на милион).

Ово је најчешће коришћена техника за мерење апсорпције. Његово ограничење је јасно: оно само квантификује количину апсорбоване енергије, док игнорише расипање и пренос.

Мерење укупног губитка шупљине:

Линеарна оптичка шупљина се формира помоћу два високо рефлектујућа огледала. Када се ласерски извор искључи, интензитет светлости унутар шупљине опада експоненцијално; детектор се затим користи за снимање временске константе распада, τ.

Већи губици резултирају краћим τ. Да бисте стекли осећај скале: за дужину шупљине од 0,5 м и укупан повратни губитак од 200 ппм (100 ппм по огледалу), τ је приближно 8 микросекунди. Додавање још једног '9' рефлексивности (тј. повећањем) продужава τ за фактор десет.

Спектроскопија ринг-довн шупљине нуди осетљивост на нивоу ппм, што је чини једном од ретких метода које могу да верификују перформансе у опсегу од 99,999% (пет-девет).

Ограничење је то што мери збир свих губитака унутар шупљине; изоловање доприноса сваког појединачног огледала или специфичног механизма губитка захтева пажљив експериментални дизајн и калибрацију.

Преостали делови слагалице су адресирани на следећи начин: пропусност (Т) се мери директно помоћу мерача снаге (стандардни инструменти су довољни за овај опсег), док се расејање (С) снима помоћу интегришуће сфере. Коначно, укупан буџет за губитак је усаглашен:

Р = 1 − Т − А − С

Сваки од четири параметра се мери независно; само када се комбинују дају веродостојну цифру од 99,99%.

Да будемо искрени — као што је добро познато у индустрији — неке оптичке компоненте означене као „99,99%“ су тестиране само под одређеним условима: назначена пројектована таласна дужина, упадни угао од 0° и мала тачка снопа. Једном када их примените на сопствено подешавање – са упадним углом од 45°, специфичним пропусним опсегом и одређеном густином снаге – стварне перформансе могу бити потпуно другачије. Спецификације су статичне, али услови тестирања су динамични.

Резиме

Постизање рефлективности од 99,99% није ограничено дизајном наслага танких филмова — теоретски, довољно је 20 пари четвртталасних слојева — већ факторима повезаним са процесом као што су апсорпција, расејање и дефекти. Штавише, ниједан инструмент не може директно да мери ову вредност; уместо тога, пропусност (Т), апсорпција (А) и расејање (С) морају се мерити одвојено и затим комбиновати. У овом контексту, услови тестирања су чак критичнији од самог наведеног параметра.

Извор:схендузхуигуанг