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High Reflectivity Mirrors

反射率:比表面上更為複雜

 

高反射率雷射光反射鏡是光束控制的關鍵元件

 

量測反射率的產業標準方法無法呈現完整情境

 

反射率表面上似乎很簡單,但實際上是難以量測的數值

 

孔腔內共振衰減光譜儀 (CRDS) 可量測總損耗,以判定反射率

高反射率反射鏡的反射率,介於 99.8% 至最高 99.999% 之間,在大部分雷射系統之中,是光束控制的必要元件,同時可達到最高光通量。使用分光光度計量測穿透,並假設剩餘光線均遭到反射,是判定反射鏡反射率的一般業界實務作法。不過在這項錯誤的假設中,並未考量散射或吸收等現象,導致產生過度樂觀的反射率數值。對於反射率達到 99.5% 以上的反射鏡,更準確判定反射率的方式,是透過孔腔內共振衰減光譜儀 (CRDS) 量測總損耗。瞭解供應商的度量方法,是預測實際效能的關鍵所在。

錯誤假設:量測穿透並不足夠

光學元件供應商驗證反射鏡反射率的標準業界實務作法,是使用分光光度計直接量測穿透。其中假設散射及吸收可忽略不計,但這些微小效應,會在需要非常高的反射率時產生重大影響。分光光度計可直接量測 99.5% 以下的反射率,但是在此之上的數值,就會到達分光光度計的訊噪比 (SNR) 限制。

錯誤結論: ∑強度 = 反射 + 穿透

真相:∑強度 = 反射 + 穿透 + 散射 + 吸收

解決方案:孔腔內共振衰減光譜儀 (CRDS)

對高反射率反射鏡而言,最精準的度量選項是孔腔內共振衰減光譜儀 (CRDS),其中可量測反射鏡總損耗,包括穿透、吸收及散射。雷射脈衝將送往共振腔;共振腔是由兩個高反射率的反射鏡組成(圖 1)。反射的雷射光在共振腔內振盪,每次反射都會損失少量的光。置於第二個反射鏡後方的偵測器,將量測反射光減少的強度。反射鏡總損耗是由反射光的衰減時間或「共振衰減」判定。

3D printed mechanics used for prototyping
圖 1:包含穿透、吸收及散射在內的雷射光反射鏡總損耗,可由 CRDS 判定

共振腔內雷射強度 (I) 是以下列方程式描述:

$$ I = I_0 \exp{ \left[ - \left( \frac{\tau \, t \, c}{2 \, L} \right) \right]} $$
I0: 初始雷射脈衝強度
τ: 共振腔反射鏡總損耗
t: 時間
c: 光速
L: 共振腔長度

真實範例

兩個高反射率反射鏡的穿透,是以穿透分光光度計量測(圖 2)。量測發現反射鏡 2 的穿透遠低於反射鏡 1,看起來反射鏡 2 的反射率似乎較高。如果沒有進行其他度量,就可能假設反射鏡 1 具有 99.9% 的標稱反射率,而反射鏡 2 具有 99.99% 的標稱反射率。

Mirror 2 appears to have a higher reflectivity than Mirror 1 when analyzing them both using transmission spectrophotometry
圖 2: 如果使用穿透分光光度計進行分析,反射鏡 2 的反射率似乎高於反射鏡 1

不過以 CRDS 量測兩個反射鏡後,發現情況並非如此。反射鏡 1 的損耗值,與分光光度計判定的標稱反射率一致,但反射鏡 2 的反射相當低,甚至無法在 CRDS 系統中產生共振。直接以反射分光光度計量測其反射後,顯示反射鏡 2 的效能大幅降低,而之後的反射則因為吸收和散射,比反射鏡 1 的反射率還低 0.5%(圖 3)。反射在較低波長特別低,是吸收及散射的特性。

Using CRDS and reflection spectrophotometry revealed that Mirror 2 actually has significantly lower reflectivity than Mirror 1, especially at lower wavelengths
圖 3:: 使用 CRDS 及反射分光光度計後,顯示反射鏡 2 的反射率實際上遠低於反射鏡 1,特別是在較低波長的情況下

此範例顯示對高反射率的雷射光反射鏡而言,使用適當的度量技術有多麼重要。如果相信反射鏡 2 具有 99.99% 的反射率,在系統中應用時就可能導致故障。事實上反射鏡 2 的反射率為 99.5%。不一致的測試值與真實值,可能造成效能退化、安全問題,甚至是災難性的系統損壞。

網路研討會:適合雷射應用的高反射率反射鏡

在此預錄的網路研討會之中,Chris Cook、Tony Karam、Ian Stevenson 及 Stefaan Vandendriessche 將協助您進一步瞭解 CRDS 及適合雷射應用的高反射率反射鏡。

愛特蒙特光學®的高反射率反射鏡

愛特蒙特光學®(EO) 利用 CRDS,針對高反射率及高穿透光學產品,進行高度靈敏的損耗量測。愛特蒙特光學的 CRDS 系統經過調校,適合一般 Nd:YAG 波長及諧波使用,包括 1064nm、532nm、355nm 及 266nm。系統可依要求調校為其他波長。

常見問題解答

FAQ  如果 CRDS 更為準確,為什麼不總是使用 CRDS 量測反射鏡反射率?
CRDS 只能用於量測反射率達到 99.5% 以上的反射鏡,因為較低的反射率會造成共振衰減時間,其速度太快系統無法偵測。最適合判定反射率的技術,需視反射率程度及應用需求而定。
FAQ  要如何量測 99.5% 以下的反射鏡反射率?

反射率在 99.5% 以下的反射鏡,可直接使用反射分光光度計量測。不過這項技術無法用於反射率較高的反射鏡,因為這類系統會達到訊噪比 (SNR) 限制。

FAQ  是否可能直接量測吸收或散射?

可以,吸收可直接以光熱偏離光譜儀量測,其中會量測折射指數變化,以判定光吸收量;散射可直接以散射儀或原子力顯微鏡 (AFM) 量測。AFM 可建立高度精確的樣本拓撲圖,並量測其粗糙度用於計算散射。

資源

應用說明

技術資訊及應用範例包括理論說明、方程式、圖示及其他各項。

Understanding and Specifying LIDT of Laser Components
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