高功率レーザーシステムレンズの光学コーティングの分析
高功率レーザーシステム (レーザー核融合装置,産業用レーザー加工機,科学用超強超高速レーザーなど)光学レンズは 光の経路を導くだけでなく エネルギー伝送の重要なノードとしても機能します. 塗布されていないレンズ表面は,エネルギーのかなりの部分を反射し,レーザーエネルギーを吸収し,熱を誘発し,熱レンズ効果を引き起こし,永久的な損傷さえします. したがって,高性能の光学コーティングは安定した高功率レーザーシステムの効率的かつ安全な操作
I. 光学レンズ基板:主要性能パラメータの定量選択
塗装の性能は基板の特性から切り離せない.基板は塗装の出発点だけでなく,その熱力学,光学,部品全体が高功率負荷に耐えられるかどうかの基礎です基板の選択には,以下の基本パラメータの定量的な考慮が必要です.
光学特性:屈折率と吸収係数は,コーティングスタックを設計し熱負荷を評価するための出発点です.10−3cm−1) は,高電力で有意な熱効果を生むことができる..
わかった熱力学特性:熱伝導性は散熱率を決定し,熱膨張係数 (CTE) は熱ストレスの大きさに影響する.基板のCTEとコーティング層の不一致は,故障の主な原因です..
わかったメカニカルプロパティ硬さと弾性モジュールは加工困難性と環境耐久性に影響します.
クォーツガラス
わかった高功率レーザー基板材料には,以下のようなものがあります.
ZMSH 溶けたクォーツ・ウェーフ
わかったボロシリケートガラス (BK7など):低コストで,中低功率のシナリオではよく使用されますが,熱伝導性が低下し,CTEが高くなります.
わかった
ZMSH 高ボロシリケートガラスウエフラー
結晶材料:シリコン (Si),ゲルマニウム (Ge) (中から遠IR),サファイア (極端な環境では非常に高い硬さ),CaF2/MgF2 (深紫外線) など.これらは通常高価で処理が困難です.
主流の高功率レーザー基板のキーパラメータの比較 (@1064nm)
| 材料 | 屈光指数 @1064nm | CTE (×10−7/K) | 熱伝導性 (W/m·K) | 吸収系数 (cm−1) | 典型的な応用と注記 |
| わかった溶融シリコンわかった | - 1つ45 | 5.5 | 1.38 | < 5 × 10−4 | 超紫外線からNIRまで 熱安定性も最高です |
| わかったBK7わかった | - 1つ51 | 71 | 1.1 | ~1 × 10−3 | 中低電源で 熱性能が悪い |
| わかった合成シリカわかった | - 1つ45 | 5.5 | 1.38 | < 2 × 10−4 | 超高純度,金属不純度 (<1ppm),LIDTは通常の溶融シリカよりも20〜30%高い. |
| わかったシリコン (Si)わかった | - 3つ55 | 26 | 149 | N/A | 主に3~5μmの中赤外線帯で,高熱伝導性が主な利点です. |
| わかったサファイア (Al2O3)わかった | - 1つ76 | 58 | 27.5 | 非常に低い | 非常に高硬さで 熱伝導性が良い 厳しい環境や紫外線や可視光に対応します |
データの解釈:
熱レンズ計算:100W連続波レーザーでは the thermal distortion generated in a BK7 substrate with an absorption coefficient of 1×10⁻³ cm⁻¹ can be several times greater than in a fused silica substrate with an absorption coefficient of 5×10⁻⁴ cm⁻¹.
わかった熱力ストレス分析:CTEの差は,コーティング・基板のインターフェースの熱ストレスを直接影響する.CTEの不一致は,高功率熱循環下でコーティングのクラッキングまたは脱laminationの主な原因である.
レーザーダメージ値
II.コーティング要件に関する定量指標
1レーザー誘導損傷限界 (LIDT):
測定基準:ISO 21254 規格に従っている.
性能レベル:
従来のEビーム蒸発コーティング: ~5-15 J/cm2 (ナノ秒パルス,1064nm)
イオン補助堆積 (IAD) コーティング: ~15-25 J/cm2
イオンビームスプッターリング (IBS) コーティング: > 30 J/cm2,上級プロセスは50 J/cm2を超えることができる.
2. 吸収及び散乱損失:
吸収:レーザーカロリメトリを用いて測定される. 高級型IBSコーティングでは,大量吸収損失 < 5ppm (0.0005%),表面吸収損失 < 1ppmが必要である.
散らばる統合散乱計を用いて測定する.総合散乱計 (TIS) は < 50 ppm になる.
3スペクトル性能精度:
わかった高反射 (HR) コーティング:反射性 R > 99.95% 中央波長で,上位レベルには R > 99.99% が必要である.帯域幅 Δλ は設計値 (例えば,Nd:YAGレーザーの 1064nm に対して ± 15nm) を満たさなければならない.
わかった抗反射 (AR) コーティング:残留反射性R < 0.1% (単面),上層層にはR < 0.05% ("超反射性コーティング") が必要である.超高速レーザーアプリケーションで使用されるブロードバンドARコーティングでは,R < 0.数百ナノメートルの帯域幅では 5%が必要です.
電子ビーム蒸発コーティング
コーティングプロセスとコアパラメータ比較
コーティングプロセスのパラメータの比較:
| パラメータ | 電子ビーム蒸発 (Eビーム) | イオン補助堆積 (IAD) | イオンビームスプッター (IBS) |
| わかった預金率わかった | 速さ (0.5〜5nm/s) | 中等 (0.2〜2nm/s) | 遅い (0.01 - 0.1 nm/s) |
| わかった基板の温度わかった | 高度 (200〜350 °C) | 中間 (100~300°C) | 低温 (< 100 °C) |
| わかったコーティング密度わかった | 比較的低密度 (孔状,約80~95%の密度) | 高度 (>95%の散布密度) | 非常に高い (ほぼ100%の散布密度) |
| わかった表面の荒さわかった | 高さ (~1-2 nm RMS) | 低 (~0.5-1 nm RMS) | 非常に低い (<0. 3 nm RMS) |
| わかったストレスのコントロールわかった | 通常の張力 | 調節可能 (圧迫力または拉伸力) | 通常制御可能な圧縮力 |
| わかった典型的なLIDTわかった | 低~中等 | 中高程度 | 非常に高い |
データ駆動プロセス選択:
IBS を選択します.システム要求がLIDT > 25 J/cm2と吸収量 < 10 ppmを求める場合,IBSは唯一の選択である.
IAD を選択します.予算が限られているが,LIDTは 15-20 J/cm2 の範囲で必要である場合,IADは最も費用対効果の高いソリューションです.
わかったE線を選択します.主に低ダメージスロージムの要件や初期プロトタイプのエネルギーレーザーに使用される.
IV.コーティングの適合の定量検証
わかった
1LIDT試験 (ISO 21254):
方法:テストビームスポット内の複数のサイトを 照射する1対1の方法を用いて 各サイトを1回だけ
データ分析損傷確率曲線は線形回帰によって設定され, 0% の損傷確率に対応するエネルギー密度の値は LIDT として定義される.
わかったビームスポットサイズ:通常は200-1000μmで,エネルギー密度を計算するために正確に測定する必要があります.
2. 吸収測定:
わかったレーザー熱測定:直接測定する 温度上昇のサンプル 吸収レーザーエネルギー 感度 0.1 ppm に達します.
わかった表面熱レンズ技術:極めて高い感度で 表面吸着と散布を区別できます
光スペクトロメーター
3スペクトル性能:
スペクトロフォトメーター:±0.05%までの精度,反射性/伝達性 (R/T) の測定に使用される.
わかった白光干渉計:厚さ制御の精度は<0.1%に達する.
NBP1064 ナローバンドレーザーフィルター
課題の定量的な説明
1欠陥による電気フィールド強化:結核欠陥はLIDTの最大の殺人者である.高さ100nmの結核欠陥は,レーザー電場が通常の領域と比較して2-3倍に局所的に強化される可能性があります.損傷の限界値と電場強度の逆平方関係を考えるとこの時点でLIDTは通常の領域の 1/4 から 1/9 に低下します.
2熱管理の課題の定量化10kWの連続波レーザーが鏡に反射されると仮定すると 吸収速度はわずか5ppmであっても 50mWの電力が吸収されます光学コンポーネント内の温度グラデーション (ΔT) と対応する熱変形 (光学経路差)OPDは以下のように計算できる: OPD = (dn/dT + α(n-1)) * ΔT * t,ここで dn/dTは熱光学係数,αは熱膨張係数,tは厚さである.この変形は,梁の質を著しく低下させる (M2因数を増やす).
3超高速レーザーの非線形効果フェムト秒レーザーダメージしきい値は,パルス幅 (~√τ) の平方根に比例する.理論上は,10nsパルス下ではLIDTが40 J/cm2であるコーティングは,LIDTが約0である..100 fs パルス下では 4 J/cm2 (実際のメカニズムは多光子吸収を含むより複雑である).
高功率レーザーシステムレンズの光学コーティングの分析
高功率レーザーシステム (レーザー核融合装置,産業用レーザー加工機,科学用超強超高速レーザーなど)光学レンズは 光の経路を導くだけでなく エネルギー伝送の重要なノードとしても機能します. 塗布されていないレンズ表面は,エネルギーのかなりの部分を反射し,レーザーエネルギーを吸収し,熱を誘発し,熱レンズ効果を引き起こし,永久的な損傷さえします. したがって,高性能の光学コーティングは安定した高功率レーザーシステムの効率的かつ安全な操作
I. 光学レンズ基板:主要性能パラメータの定量選択
塗装の性能は基板の特性から切り離せない.基板は塗装の出発点だけでなく,その熱力学,光学,部品全体が高功率負荷に耐えられるかどうかの基礎です基板の選択には,以下の基本パラメータの定量的な考慮が必要です.
光学特性:屈折率と吸収係数は,コーティングスタックを設計し熱負荷を評価するための出発点です.10−3cm−1) は,高電力で有意な熱効果を生むことができる..
わかった熱力学特性:熱伝導性は散熱率を決定し,熱膨張係数 (CTE) は熱ストレスの大きさに影響する.基板のCTEとコーティング層の不一致は,故障の主な原因です..
わかったメカニカルプロパティ硬さと弾性モジュールは加工困難性と環境耐久性に影響します.
クォーツガラス
わかった高功率レーザー基板材料には,以下のようなものがあります.
ZMSH 溶けたクォーツ・ウェーフ
わかったボロシリケートガラス (BK7など):低コストで,中低功率のシナリオではよく使用されますが,熱伝導性が低下し,CTEが高くなります.
わかった
ZMSH 高ボロシリケートガラスウエフラー
結晶材料:シリコン (Si),ゲルマニウム (Ge) (中から遠IR),サファイア (極端な環境では非常に高い硬さ),CaF2/MgF2 (深紫外線) など.これらは通常高価で処理が困難です.
主流の高功率レーザー基板のキーパラメータの比較 (@1064nm)
| 材料 | 屈光指数 @1064nm | CTE (×10−7/K) | 熱伝導性 (W/m·K) | 吸収系数 (cm−1) | 典型的な応用と注記 |
| わかった溶融シリコンわかった | - 1つ45 | 5.5 | 1.38 | < 5 × 10−4 | 超紫外線からNIRまで 熱安定性も最高です |
| わかったBK7わかった | - 1つ51 | 71 | 1.1 | ~1 × 10−3 | 中低電源で 熱性能が悪い |
| わかった合成シリカわかった | - 1つ45 | 5.5 | 1.38 | < 2 × 10−4 | 超高純度,金属不純度 (<1ppm),LIDTは通常の溶融シリカよりも20〜30%高い. |
| わかったシリコン (Si)わかった | - 3つ55 | 26 | 149 | N/A | 主に3~5μmの中赤外線帯で,高熱伝導性が主な利点です. |
| わかったサファイア (Al2O3)わかった | - 1つ76 | 58 | 27.5 | 非常に低い | 非常に高硬さで 熱伝導性が良い 厳しい環境や紫外線や可視光に対応します |
データの解釈:
熱レンズ計算:100W連続波レーザーでは the thermal distortion generated in a BK7 substrate with an absorption coefficient of 1×10⁻³ cm⁻¹ can be several times greater than in a fused silica substrate with an absorption coefficient of 5×10⁻⁴ cm⁻¹.
わかった熱力ストレス分析:CTEの差は,コーティング・基板のインターフェースの熱ストレスを直接影響する.CTEの不一致は,高功率熱循環下でコーティングのクラッキングまたは脱laminationの主な原因である.
レーザーダメージ値
II.コーティング要件に関する定量指標
1レーザー誘導損傷限界 (LIDT):
測定基準:ISO 21254 規格に従っている.
性能レベル:
従来のEビーム蒸発コーティング: ~5-15 J/cm2 (ナノ秒パルス,1064nm)
イオン補助堆積 (IAD) コーティング: ~15-25 J/cm2
イオンビームスプッターリング (IBS) コーティング: > 30 J/cm2,上級プロセスは50 J/cm2を超えることができる.
2. 吸収及び散乱損失:
吸収:レーザーカロリメトリを用いて測定される. 高級型IBSコーティングでは,大量吸収損失 < 5ppm (0.0005%),表面吸収損失 < 1ppmが必要である.
散らばる統合散乱計を用いて測定する.総合散乱計 (TIS) は < 50 ppm になる.
3スペクトル性能精度:
わかった高反射 (HR) コーティング:反射性 R > 99.95% 中央波長で,上位レベルには R > 99.99% が必要である.帯域幅 Δλ は設計値 (例えば,Nd:YAGレーザーの 1064nm に対して ± 15nm) を満たさなければならない.
わかった抗反射 (AR) コーティング:残留反射性R < 0.1% (単面),上層層にはR < 0.05% ("超反射性コーティング") が必要である.超高速レーザーアプリケーションで使用されるブロードバンドARコーティングでは,R < 0.数百ナノメートルの帯域幅では 5%が必要です.
電子ビーム蒸発コーティング
コーティングプロセスとコアパラメータ比較
コーティングプロセスのパラメータの比較:
| パラメータ | 電子ビーム蒸発 (Eビーム) | イオン補助堆積 (IAD) | イオンビームスプッター (IBS) |
| わかった預金率わかった | 速さ (0.5〜5nm/s) | 中等 (0.2〜2nm/s) | 遅い (0.01 - 0.1 nm/s) |
| わかった基板の温度わかった | 高度 (200〜350 °C) | 中間 (100~300°C) | 低温 (< 100 °C) |
| わかったコーティング密度わかった | 比較的低密度 (孔状,約80~95%の密度) | 高度 (>95%の散布密度) | 非常に高い (ほぼ100%の散布密度) |
| わかった表面の荒さわかった | 高さ (~1-2 nm RMS) | 低 (~0.5-1 nm RMS) | 非常に低い (<0. 3 nm RMS) |
| わかったストレスのコントロールわかった | 通常の張力 | 調節可能 (圧迫力または拉伸力) | 通常制御可能な圧縮力 |
| わかった典型的なLIDTわかった | 低~中等 | 中高程度 | 非常に高い |
データ駆動プロセス選択:
IBS を選択します.システム要求がLIDT > 25 J/cm2と吸収量 < 10 ppmを求める場合,IBSは唯一の選択である.
IAD を選択します.予算が限られているが,LIDTは 15-20 J/cm2 の範囲で必要である場合,IADは最も費用対効果の高いソリューションです.
わかったE線を選択します.主に低ダメージスロージムの要件や初期プロトタイプのエネルギーレーザーに使用される.
IV.コーティングの適合の定量検証
わかった
1LIDT試験 (ISO 21254):
方法:テストビームスポット内の複数のサイトを 照射する1対1の方法を用いて 各サイトを1回だけ
データ分析損傷確率曲線は線形回帰によって設定され, 0% の損傷確率に対応するエネルギー密度の値は LIDT として定義される.
わかったビームスポットサイズ:通常は200-1000μmで,エネルギー密度を計算するために正確に測定する必要があります.
2. 吸収測定:
わかったレーザー熱測定:直接測定する 温度上昇のサンプル 吸収レーザーエネルギー 感度 0.1 ppm に達します.
わかった表面熱レンズ技術:極めて高い感度で 表面吸着と散布を区別できます
光スペクトロメーター
3スペクトル性能:
スペクトロフォトメーター:±0.05%までの精度,反射性/伝達性 (R/T) の測定に使用される.
わかった白光干渉計:厚さ制御の精度は<0.1%に達する.
NBP1064 ナローバンドレーザーフィルター
課題の定量的な説明
1欠陥による電気フィールド強化:結核欠陥はLIDTの最大の殺人者である.高さ100nmの結核欠陥は,レーザー電場が通常の領域と比較して2-3倍に局所的に強化される可能性があります.損傷の限界値と電場強度の逆平方関係を考えるとこの時点でLIDTは通常の領域の 1/4 から 1/9 に低下します.
2熱管理の課題の定量化10kWの連続波レーザーが鏡に反射されると仮定すると 吸収速度はわずか5ppmであっても 50mWの電力が吸収されます光学コンポーネント内の温度グラデーション (ΔT) と対応する熱変形 (光学経路差)OPDは以下のように計算できる: OPD = (dn/dT + α(n-1)) * ΔT * t,ここで dn/dTは熱光学係数,αは熱膨張係数,tは厚さである.この変形は,梁の質を著しく低下させる (M2因数を増やす).
3超高速レーザーの非線形効果フェムト秒レーザーダメージしきい値は,パルス幅 (~√τ) の平方根に比例する.理論上は,10nsパルス下ではLIDTが40 J/cm2であるコーティングは,LIDTが約0である..100 fs パルス下では 4 J/cm2 (実際のメカニズムは多光子吸収を含むより複雑である).
