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High Reflectivity Mirrors

Reflektivität: Komplizierter als es aussieht

 

Laserspiegel mit hoher Reflexion sind kritische Komponenten für die Strahllenkung

 

Die branchenübliche Methode zur Messung des Reflexionsvermögens erzählt nicht die ganze Geschichte.

 

Das Prinzip der Reflexion mag einfach erscheinen. Tatsächlich handelt es sich hier jedoch um einen schwer messbaren Wert.

 

Die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) misst den Gesamtverlust, um die Reflektivität zu bestimmen.

Hochreflektierende Spiegel mit einem Reflexionsvermögen von 99,8 % bis 99,999 % sind wesentliche Komponenten in den meisten Lasersystemen zur Strahllenkung bei maximaler Durchsatzleistung. In der Industrie ist es üblich, das Spiegelreflexionsvermögen zu bestimmen, indem man die Transmission mittels Spektrophotometrie misst und davon ausgeht, dass der Rest des Lichts reflektiert wurde. Diese falsche Annahme berücksichtigt jedoch keine Streuung oder Absorption, was zu übermäßig optimistischen Reflexionswerten führt. Bei Spiegeln mit Reflektivitäten von mehr als 99,5 % ist die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) eine genauere Methode zur Bestimmung des Reflexionsvermögens durch Messung des Gesamtverlusts. Das Verständnis der Messtechnik Ihres Lieferanten ist entscheidend für die Vorhersage der realen Leistung.

Eine falsche Annahme: Es ist nicht ausreichend nur die Transmission zu messen

Es ist branchenüblich, dass Zulieferer optischer Komponenten die Reflektivität von Spiegeln mit Hilfe eines Spektralphotometers zur direkten Messung der Transmission überprüfen. Dies setzt voraus, dass Streuung und Absorption unbedeutend sind, aber diese kleineren Effekte haben einen signifikanten Einfluss, wenn ein sehr hohes Reflexionsvermögen erforderlich ist. Spektralphotometer können Reflektivitäten unter 99,5 % direkt messen, aber höhere Werte erreichen die SNR (Signal-Rausch-Verhältnis)-Grenze dieser Geräte.

Falsche Schlussfolgerung: ∑Intensität = Reflexion + Transmission

Die Realität: ∑Intensität = Reflexion + Transmission + Streuung + Absorption

Die Lösung: Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS)

Die genaueste Messmethode für hochreflektierende Spiegel ist die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS), die den Gesamtverlust des Spiegels einschließlich Transmission, Absorption und Streuung misst. Ein Laserimpuls wird in einen Resonanzhohlraum eingekoppelt, der von zwei hochreflektierenden Spiegeln begrenzt ist (Abbildung 1). Das reflektierte Laserlicht oszilliert im Resonanzhohlraum, und mit jeder Reflexion geht eine geringe Lichtmenge verloren. Ein nach dem zweiten Spiegel platzierter Detektor misst die abnehmende Intensität des reflektierten Lichts. Der Gesamtverlust der Spiegel wird durch die Abklingzeit ("ring-down") des reflektierten Lichts bestimmt.

Der Gesamtverlust eines Laserspiegels einschließlich Transmission, Absorption und Streuung kann durch CRDS bestimmt werden.
Figure 1: Der Gesamtverlust eines Laserspiegels einschließlich Transmission, Absorption und Streuung kann durch CRDS bestimmt werden.

Die Intensität (I) des Lasers im Inneren des Hohlraums wird beschrieben durch:

I = I0e-Ƭtc/2L

I0: anfängliche Laserimpulsintensität
Ƭ: Gesamtverlust der Hohlraumspiegel
t: Zeit
c: Lichtgeschwindigkeit
L: Länge des Hohlraums

Beispiel aus der Praxis

Die Transmission von zwei hochreflektierenden Spiegeln wurde mittels Transmissionsspektrophotometrie gemessen (Abbildung 2). Spiegel 2 wies eine deutlich geringere gemessene Transmission als Spiegel 1 auf, so dass es danach aussieht, dass Spiegel 2 ein höheres Reflexionsvermögen hat. Wenn keine andere Messmethode durchgeführt würde, würde man davon ausgehen, dass der Spiegel 1 einen nominalen Reflexionsgrad von 99,9 % und Spiegel 2 einen nominalen Reflexionsgrad von 99,99 % aufweist.

Spiegel 2 scheint ein höheres Reflexionsvermögen als Spiegel 1 zu haben, wenn beide mit Hilfe der Transmissionsspektrophotometrie analysiert werden.
Abbildung 2: Spiegel 2 scheint ein höheres Reflexionsvermögen als Spiegel 1 zu haben, wenn beide mit Hilfe der Transmissionsspektrophotometrie analysiert werden.

Die Messung beider Spiegel durch CRDS zeigt jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Der Verlustwert von Spiegel 1 entsprach dem mittels Spektrophotometrie bestimmten nominalen Reflexionsgrad, aber der Reflexionsgrad von Spiegel 2 war so niedrig, dass er nicht einmal eine Resonanz im CRDS-System erzeugen konnte. Die direkte Messung des Reflexionsgrades mithilfe der Reflexionsspektrophotometrie zeigte, dass Spiegel 2 eine viel schlechtere Leistung und daraus resultierenden Reflexionsgrad aufweist. Dieser ist aufgrund von Absorption und Streuung 0,5 % geringer als der von Spiegel 1 (Abbildung 3). Der besonders niedrige Reflexionsgrad bei niedrigeren Wellenlängen ist charakteristisch für Absorption und Streuung.

Die Verwendung von CRDS und Reflexionsspektrophotometrie ergab, dass Spiegel 2 tatsächlich ein deutlich geringeres Reflexionsvermögen aufweist als Spiegel 1, insbesondere bei niedrigeren Wellenlängen.
Abbildung 3: Die Verwendung von CRDS und Reflexionsspektrophotometrie ergab, dass Spiegel 2 tatsächlich ein deutlich geringeres Reflexionsvermögen aufweist als Spiegel 1, insbesondere bei niedrigeren Wellenlängen.

Dieses Beispiel zeigt, wie wichtig es ist, die richtige Messtechnik für hochreflektierende Laserspiegel einzusetzen. Spiegel 2 könnte zu einem Systemausfall führen, wenn angenommen wird, dass er ein Reflexionsvermögen von 99,99 % hat. In Wirklichkeit hatte er einen Reflexionsgrad von 99,5 %. Diese Diskrepanz zwischen dem Testwert und dem wahren Wert kann zu Leistungseinbußen, Sicherheitsproblemen und sogar zu katastrophalen Systemschäden führen.

Webinar: Spiegel mit hoher Reflexion für Laseranwendungen

In diesem aufgezeichneten Webinar, das von Chris Cook, Tony Karam, Ian Stevenson und Stefaan Vandendriessche gehalten wird, können Sie mehr über CRDS und hochreflektierende Spiegel für Laseranwendungen erfahren.

Spiegel mit hoher Reflexion bei Edmund Optics®

Edmund Optics® (EO) verwendet CRDS, um hochempfindliche Verlustmessungen sowohl von hochreflektierenden als auch von hochtransparenten Optiken durchzuführen. Das CRDS-System von EO ist auf gängige Nd:YAG-Wellenlängen und deren Harmonische abgestimmt, einschließlich 1064 nm, 532 nm, 355 nm und 266 nm. Auf Wunsch kann das System auf andere Wellenlängen abgestimmt werden.

FAQ's

FAQ  Wenn CRDS genauer ist, warum wird diese Methode nicht immer zur Messung des Reflexionsvermögens von Spiegeln verwendet?
CRDS kann nur zur Messung von Spiegeln mit einem Reflexionsgrad von über 99,5 % verwendet werden, da niedrigere Reflexionswerte zu zu kurzen Abklingzeiten führen, die das System nicht erkennen kann. Die beste Methode zur Bestimmung des Reflexionsvermögens hängt vom Reflexionsgrad und den Anwendungsanforderungen ab.
FAQ  Wie misst man die Reflektivität von Spiegeln mit einem Reflexionsvermögen von weniger als 99,5 %?

Spiegel mit Reflektivitäten unter 99,5 % können direkt mit der Reflexionsspektrophotometrie gemessen werden. Diese Technik funktioniert jedoch nicht bei Spiegeln mit höheren Reflexionsgraden, da solche Systeme die Grenze des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) erreichen.

FAQ  Ist es möglich, Absorption oder Streuung direkt zu messen?

Ja, die Absorption kann direkt mit Hilfe der photothermischen Ablenkspektroskopie gemessen werden, bei der gemessene Brechungsindexänderungen die Menge der Lichtabsorption bestimmen. Die Streuung kann direkt mit einem Streulichtmessgerät oder Rasterkraftmikroskop (AFM) gemessen werden. Ein AFM erstellt eine hoch genaue topologische Karte der Probe und misst deren Rauheit, aus der dann die Streuung berechnet werden kann.

FAQ   Wie kann CRDS verwendet werden, um das Reflexionsvermögen eines unbekannten Testspiegels zu bestimmen, wenn der gemessene Gesamtverlust Verluste sowohl des unbekannten Spiegels als auch des anderen Spiegels, umfasst, der den Resonanzhohlraum bildet?

Mehrere Tests müssen sowohl mit dem unbekannten Testspiegel als auch mit den Referenzspiegeln durchgeführt werden, um den Verlust des Testspiegels zu bestimmen.

Tipps & Downloads

Anwendungshinweise

Technische Informationen und Anwendungsbeispiele mit theoretischen Erläuterungen, Gleichungen, grafischen Darstellungen und vielem mehr.

Verständnis und Spezifikation des LIDT von Laserkomponenten
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