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High Reflectivity Mirrors

反射率:比看起来更复杂

 

高反射率激光反射镜是光束转向的重要部件

 

测量反射率的行业标准方法并不能说明一切

 

反射率看似简单,实际上很难测量

 

光腔衰荡光谱法 (CRDS) 测量总损耗以确定反射率

反射率从 99.8% 到 99.999% 的高反射率反射镜是大多数激光系统在最大程度提高吞吐量的情况下进行光束转向的关键部件。测定反射镜反射率的业内常见做法是用分光光度法测量透射率,并假设其余的光被反射。然而,这种错误的假设没有考虑散射或吸收,导致反射率值过于乐观。对于反射率在 99.5% 以上的反射镜,更准确的反射率测定方法是通过光腔衰荡光谱法 (CRDS) 测量总损耗。了解供应商的测量对预测现实性能至关重要。

错误假设:测量透射率是不够的

业内标准做法是由光学元件供应商使用分光光度计直接测量反射镜的反射率。这种做法假设散射和吸收不明显,但在需要很高的反射率时,这些较小的影响也会产生显著的影响。分光光度计可以直接测量 99.5% 以下的反射率,但高于 99.5% 的反射率就会达到分光光度计的信噪比 (SNR) 极限。

错误结论: ∑强度 = 反射率 + 透射率

真相: ∑强度 = 反射率 + 透射率 + 散射率 + 吸收率

解决方案:光腔衰荡光谱法 (CRDS)

对于高反射率反射镜来说,最准确的测量方法是光腔衰荡光谱法 (CRDS),它测量反射镜的总损耗,包括透射率、吸收率和散射率。激光脉冲被引入由两个高反射镜包围的谐振腔中(图 1)。反射的激光在谐振腔中振荡,每次反射都会损耗少量的光。放置在第二面镜子后的探测器测量反射光的减弱强度。反射镜的总损耗取决于反射光的衰减时间,即“环形下降”时间。

3D printed mechanics used for prototyping
图 1: 激光反射镜的总损耗(包括透射、吸收和散射)可以通过 CRDS 确定

腔内激光强度 (I) 描述为:

I = I0e-Ƭtc/2L

I0: 初始激光脉冲强度
Ƭ: 腔镜总损耗
t: 时间
c: 光速
L: 光腔长度

实例

采用透射分光光度法测量两个高反射率反射镜的透射率(图 2)。反射镜 2 测得的透射率明显低于反射镜 1,因此反射镜 2 的反射率较高。如果未进行其他测量,则假设反射镜 1 的标称反射率为 99.9%,反射镜 2 的标称反射率为 99.99%。

Mirror 2 appears to have a higher reflectivity than Mirror 1 when analyzing them both using transmission spectrophotometry
图 2: 采用透射分光光度法分析,得出反射镜 2 的反射率高于反射镜 1

然而,通过 CRDS 测量两个反射镜,得出的结果并非如此。反射镜 1 的损耗值与分光光度法测得的标称反射率一致,但反射镜 2 的反射率极低,甚至无法在 CRDS 系统中产生共振。采用反射率分光光度法直接测量其反射率,结果表明反射镜 2 的性能较差,且由于吸收和散射作用,其尾部反射率比反射镜 1 低 0.5%(图 3)。低波长处的超低反射率具有吸收和散射的特点。

Using CRDS and reflection spectrophotometry revealed that Mirror 2 actually has significantly lower reflectivity than Mirror 1, especially at lower wavelengths
图 3: 利用 CRDS 和反射分光光度法发现,反射镜 2 的反射率实际上比反射镜 1 的反射率低得多,在较低波长下尤其如此

本示例表明了对高反射率的激光反射镜使用合适的测量技术的重要性。如果认为反射镜 2 的反射率为 99.99%,则可能导致系统故障。实际上,它的反射率为 99.5%。测试值和实际值之间的这种差异可能导致性能下降、安全问题,甚至灾难性的系统损坏。

网络研讨会:适用于激光应用的高反射率反射镜

在这个由 Chris Cook、Tony Karam、Ian Stevenson 和 Stefaan Vandendriessche 主持的网络研讨会上,您可以了解到更多关于 CRDS 和用于激光应用的高反射率反射镜的信息。

爱特蒙特光学的高反射率反射镜

爱特蒙特光学 (EO) 利用 CRDS 对高反射率和高透射率的光学元件进行高灵敏度的损耗测量。EO 的 CRDS 系统经过调节,适用于常见的 Nd:YAG 波长和谐波,包括 1064nm、532nm、355nm 和 266nm。可以应要求将该系统调节到其他波长。

常见问题解答

FAQ  如果 CRDS 更准确,为什么不一直使用它来测量反射镜的反射率?
CRDS 只能用于测量反射率在 99.5% 以上的反射镜,因为反射率较低会导致衰荡时间过短,系统无法检测。确定反射率的最佳技术取决于反射率水平和应用要求。
FAQ  如何测量反射率小于 99.5% 的反射镜的反射率?

可以直接采用反射分光光度法测量反射率低于 99.5% 的反射镜。不过,这种技术不适用于反射率较高的反射镜,因为这些系统达到了信噪比 (SNR) 的极限。

FAQ  可否直接测量吸收率或散射率?

可以,吸收率可以直接采用光热偏转光谱学测量,在光热偏转光谱学中测量的折射率变化决定了光吸收的量。散射可以用散射计或原子力显微镜 (AFM) 直接测量。AFM 会为样本创建一个高度准确的拓扑图,并测量其粗糙度,然后用它来计算散射率。

FAQ  如果测得的总损耗包括未知反射镜和组成谐振腔的另一个反射镜的损耗,如何用 CRDS 来确定未知反射镜的反射率?

必须同时使用未知的测试反射镜和参考反射镜完成多项测试,以确定测试反射镜的损耗。

资源

应用案例

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