고전력 레이저 시스템 렌즈에 대한 광학적 코팅 분석
고전력 레이저 시스템 (레이저 핵융합 장치, 산업용 레이저 처리 기계 및 과학적 초강도 초고속 레이저와 같이)광학 렌즈는 빛의 경로를 안내할 뿐만 아니라 에너지 전달에 중요한 요인 역할을 합니다. 코팅되지 않은 렌즈 표면은 에너지의 상당 부분을 반사하고 레이저 에너지를 흡수하여 열을 유발하여 열 렌즈 효과 및 영구적 인 손상을 유발할 수 있습니다. 따라서고성능 광학 코팅은 안정적인, 고전력 레이저 시스템의 효율적이고 안전한 작동.
I. 광 렌즈 기판: 주요 성능 매개 변수의 양적 선택
코팅 성능은 기판의 특성과 떼려야?? 수 없습니다. 기판은 코팅의 출발점을 결정 할뿐만 아니라 열역학, 광학,그리고 기계적 특성은 또한 전체 구성 요소가 높은 전력 부하를 견딜 수 있는지 여부에 대한 기초입니다기판 선택은 다음과 같은 핵심 매개 변수를 정량적으로 고려해야합니다.
광학적 특성:굴절 지수 및 흡수 계수는 코팅 스택 설계 및 열 부하 평가의 출발점입니다.10−3cm−1) 는 높은 전력에서 중요한 열 효과를 일으킬 수 있습니다..
- 네열역학적 특성:열전도율은 열분 dissipation 속도를 결정하고, 열팽창 계수 (CTE) 는 열 스트레스의 크기에 영향을 미칩니다.기판의 CTE와 코팅 레이어의 부합성이 실패의 주요 원인입니다..
- 네기계적 성질:단단함과 탄력 모듈은 가공의 어려움과 환경 내구성에 영향을 미칩니다.
쿼츠 유리
- 네일반적인 고전력 레이저 기판 재료는 다음과 같습니다.
ZMSH 녹은 쿼츠 웨이퍼
- 네보로실리케이트 유리 (예를 들어, BK7):낮은 비용, 종종 중저전력 시나리오에서 사용되지만 열전도성이 떨어지고 CTE가 높습니다.
- 네
ZMSH 고보로실리케이트 유리 웨이퍼
크리스탈린 물질:예를 들어 실리콘 (Si), 게르메늄 (Ge) (중간에서 먼 IR), 사피르 (극한 환경에 매우 높은 경화), CaF2 / MgF2 (깊은 UV). 이들은 일반적으로 비싸고 처리하기가 어렵습니다.
주요 고전력 레이저 기판의 주요 매개 변수 비교 (@ 1064nm)
| 소재 | 굴절 지수 @1064nm | CTE (×10−7/K) | 열전도 (W/m·K) | 흡수 계수 (cm−1) | 전형적 응용 및 참고 |
| - 네녹은 실리카- 네 | - 1번45 | 5.5 | 1.38 | < 5 × 10−4 | 황금 표준입니다. 자외선에서 NIR에 이르는 대부분의 고전력 애플리케이션에서 |
| - 네BK7- 네 | - 1번51 | 71 | 1.1 | ~1 × 10−3 | 중저전력, 열성능이 떨어지고 열렌즈가 많이 |
| - 네합성 실리카- 네 | - 1번45 | 5.5 | 1.38 | < 2 × 10−4 | 극도로 높은 순도, 금속 불순물도 매우 낮다 (<1ppm), LIDT는 일반 녹인 실리카보다 20-30% 높다. |
| - 네실리콘 (Si)- 네 | - 3번55 | 26 | 149 | 제1호 | 주로 3~5μm 중외선 대역에 사용된다. 높은 열전도성이 주요 장점이다. |
| - 네사피르 (Al2O3)- 네 | - 1번76 | 58 | 27.5 | 매우 낮습니다. | 극도로 높은 강도와 좋은 열전도성, 가혹한 환경, 자외선, 가시광선 |
데이터 해석:
열 렌즈 계산:100W 연속파 레이저의 경우 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.
- 네열 스트레스 분석:CTE의 차이는 코팅-기반지 인터페이스의 열 스트레스에 직접 영향을 미칩니다. CTE 불일치는 고전력 열 사이클에서 코팅 균열 또는 탈 라미네이션의 주요 원인입니다.
레이저 손상 문
II. 코팅 요구에 대한 양적 지표
1레이저로 인한 손해 경격 (LIDT):
측정 표준:ISO 21254 표준을 따르고 있습니다.
성능 수준:
일반적인 E선 증발 코팅: ~5-15 J/cm2 (나노초 펄스, 1064nm)
이온 보조 퇴적 (IAD) 코팅: ~15-25 J/cm2
이온 빔 스프터링 (IBS) 코팅: > 30 J/cm2, 상위 계층 프로세스는 50 J/cm2를 초과할 수 있습니다.
2. 흡수 및 분산 손실:
흡수:레이저 열량 측정으로 측정됩니다. 고급 IBS 코팅은 대량 흡수 손실 < 5ppm (0.0005%) 및 표면 흡수 손실 < 1ppm을 요구합니다.
산란:통합 스캐터메트리를 사용하여 측정합니다. 전체 통합 스캐터 (TIS) 는 < 50ppm여야 합니다.
3스펙트럼 성능 정확도:
- 네고 반사 (HR) 코팅:반사성 R> 99.95% 중앙 파장, 상위 계층은 R> 99.99%를 필요로 한다. 대역폭 Δλ는 설계 값을 충족해야 한다 (예를 들어, Nd: YAG 레이저의 1064nm에 ± 15nm).
- 네반사 방지 (AR) 코팅:잔류 반사성 R < 0.1% (단면), 상단층은 R < 0.05% ("슈퍼 반사성 코팅") 을 필요로 한다. 초고속 레이저 응용 프로그램에서 사용되는 광대역 AR 코팅의 경우, R < 0.수백 나노미터의 대역폭에서 5%가 필요합니다..
전자 빔 증발 코팅
III. 코팅 프로세스 및 핵심 매개 변수 비교
코팅 프로세스 매개 변수 비교:
| 매개 변수 | 전자 빔 증발 (E 빔) | 이온 보조 퇴적 (IAD) | 이온선 스프터링 (IBS) |
| - 네예금율- 네 | 빠른 (0.5 ~ 5 nm/s) | 중간 (0.2 ~ 2 nm/s) | 느린 (0.01 ~ 0.1 nm/s) |
| - 네기질 온도- 네 | 높은 (200 ~ 350 °C) | 중형 (100 ~ 300 °C) | 낮은 (< 100 °C) |
| - 네코팅 밀도- 네 | 상대적으로 낮은 (포러스, ~ 80-95% 대량 밀도) | 높은 (>95% 대량 밀도) | 매우 높습니다 (반량 밀도 100%에 가깝습니다) |
| - 네표면 거칠성- 네 | 더 높은 (~1-2 nm RMS) | 낮은 (~0.5-1 nm RMS) | 매우 낮은 (< 0. 3 nm RMS) |
| - 네스트레스 조절- 네 | 일반적으로 팽창 스트레스 | 조절 (압축 또는 팽창 스트레스) | 일반적으로 제어 할 수 있는 압축 스트레스 |
| - 네전형적인 LIDT- 네 | 낮은 수준에서 중간 수준 | 중간에서 높은 | 매우 높습니다. |
데이터 기반 프로세스 선택:
IBS를 선택하세요:시스템 요구 사항이 LIDT > 25 J/cm2 및 흡수 < 10 ppm를 요구하는 경우 IBS는 유일한 선택입니다.
IAD를 선택하세요:예산이 제한되어 있지만 15-20 J/cm2 범위의 LIDT가 필요한 경우 IAD는 가장 비용 효율적인 솔루션입니다.
- 네E 빔을 선택하세요:주로 낮은 손해 임계 요건 또는 예비 프로토타입을 가진 에너지 레이저에 사용됩니다.
IV. 코팅 준수량 검증
- 네
1LIDT 테스트 (ISO 21254):
방법:1대1의 방법을 사용해서 테스트 빔 스포트 내의 여러 부위를 방사합니다. 각 부위는 한 번만
데이터 분석:손상 확률 곡선은 선형 회귀를 통해 조정됩니다. 0% 손상 확률에 대응하는 에너지 밀도 값은 LIDT로 정의됩니다.
- 네빔 스팟 크기:일반적으로 200-1000μm, 에너지 밀도를 계산하기 위해 정확하게 측정해야합니다.
2. 흡수 측정:
- 네레이저 열량 측정:직접적으로 레이저 에너지를 흡수하는 샘플의 온도 상승을 측정합니다. 민감도는 0.1ppm까지 도달 할 수 있습니다.
- 네표면 열 렌즈 기술:매우 높은 민감도, 대량 및 표면 흡수를 구별 할 수 있습니다.
스펙트럼 사진 측정기
3스펙트럼 성능:
스펙트럼 사진 측정기:±0.05%까지의 정확성, 반사성/전달성 (R/T) 을 측정하는 데 사용됩니다.
- 네화이트 라이트 인터페로미터:코팅 두께와 표면 형태를 측정하는 데 사용됩니다. 두께 제어 정확도는 < 0.1%까지 도달 할 수 있습니다.
NBP1064 좁은 대역 레이저 필터
V. 과제들에 대한 정량적 설명
1- 결함 때문에 전기장 증강:덩어리 결함 (nodular defects) 은 LIDT의 가장 큰 살인자이다. 100nm 높이의 덩어리 결함 (nodular defect) 은 레이저 전기장의 지역적 증가를 정상 부위에 비해 2-3배로 증가시킬 수 있다.손해의 경계와 전기장 강도 사이의 역제곱 관계를 감안하면이 시점에서 LIDT는 정상 영역의 1/4에서 1/9로 떨어집니다.
2열 관리 과제의 수치:10kW의 연속파 레이저가 거울에 반사된다고 가정하면 흡수율이 5ppm에 불과하더라도 50mW의 전력이 흡수됩니다.그것은 광학적 구성 요소 내에서 온도 경사 (ΔT) 와 그에 따른 열 변형 (광학적 경로 차이) 을 만듭니다.OPD는 다음과 같이 계산될 수 있다: OPD = (dn/dT + α(n-1)) * ΔT * t, 여기서 dn/dT는 열 광학 계수, α는 열 팽창 계수, t는 두께이다.이 변형은 빔 품질을 심각하게 저하시킨다 (M2 인수를 증가시킨다).
3초고속 레이저의 비선형 효과:페메토초 레이저 손상 문턱은 펄스 너비 (~√τ) 의 제곱근에 비례합니다. 이론적으로 10 ns 펄스 아래 40 J/cm2의 LIDT를 가진 코팅은 약 0의 LIDT를 가질 것입니다..100 fs 펄스 아래에서 4 J/cm2 (하지만 실제 메커니즘은 멀티 포톤 흡수를 포함하여 더 복잡합니다).
고전력 레이저 시스템 렌즈에 대한 광학적 코팅 분석
고전력 레이저 시스템 (레이저 핵융합 장치, 산업용 레이저 처리 기계 및 과학적 초강도 초고속 레이저와 같이)광학 렌즈는 빛의 경로를 안내할 뿐만 아니라 에너지 전달에 중요한 요인 역할을 합니다. 코팅되지 않은 렌즈 표면은 에너지의 상당 부분을 반사하고 레이저 에너지를 흡수하여 열을 유발하여 열 렌즈 효과 및 영구적 인 손상을 유발할 수 있습니다. 따라서고성능 광학 코팅은 안정적인, 고전력 레이저 시스템의 효율적이고 안전한 작동.
I. 광 렌즈 기판: 주요 성능 매개 변수의 양적 선택
코팅 성능은 기판의 특성과 떼려야?? 수 없습니다. 기판은 코팅의 출발점을 결정 할뿐만 아니라 열역학, 광학,그리고 기계적 특성은 또한 전체 구성 요소가 높은 전력 부하를 견딜 수 있는지 여부에 대한 기초입니다기판 선택은 다음과 같은 핵심 매개 변수를 정량적으로 고려해야합니다.
광학적 특성:굴절 지수 및 흡수 계수는 코팅 스택 설계 및 열 부하 평가의 출발점입니다.10−3cm−1) 는 높은 전력에서 중요한 열 효과를 일으킬 수 있습니다..
- 네열역학적 특성:열전도율은 열분 dissipation 속도를 결정하고, 열팽창 계수 (CTE) 는 열 스트레스의 크기에 영향을 미칩니다.기판의 CTE와 코팅 레이어의 부합성이 실패의 주요 원인입니다..
- 네기계적 성질:단단함과 탄력 모듈은 가공의 어려움과 환경 내구성에 영향을 미칩니다.
쿼츠 유리
- 네일반적인 고전력 레이저 기판 재료는 다음과 같습니다.
ZMSH 녹은 쿼츠 웨이퍼
- 네보로실리케이트 유리 (예를 들어, BK7):낮은 비용, 종종 중저전력 시나리오에서 사용되지만 열전도성이 떨어지고 CTE가 높습니다.
- 네
ZMSH 고보로실리케이트 유리 웨이퍼
크리스탈린 물질:예를 들어 실리콘 (Si), 게르메늄 (Ge) (중간에서 먼 IR), 사피르 (극한 환경에 매우 높은 경화), CaF2 / MgF2 (깊은 UV). 이들은 일반적으로 비싸고 처리하기가 어렵습니다.
주요 고전력 레이저 기판의 주요 매개 변수 비교 (@ 1064nm)
| 소재 | 굴절 지수 @1064nm | CTE (×10−7/K) | 열전도 (W/m·K) | 흡수 계수 (cm−1) | 전형적 응용 및 참고 |
| - 네녹은 실리카- 네 | - 1번45 | 5.5 | 1.38 | < 5 × 10−4 | 황금 표준입니다. 자외선에서 NIR에 이르는 대부분의 고전력 애플리케이션에서 |
| - 네BK7- 네 | - 1번51 | 71 | 1.1 | ~1 × 10−3 | 중저전력, 열성능이 떨어지고 열렌즈가 많이 |
| - 네합성 실리카- 네 | - 1번45 | 5.5 | 1.38 | < 2 × 10−4 | 극도로 높은 순도, 금속 불순물도 매우 낮다 (<1ppm), LIDT는 일반 녹인 실리카보다 20-30% 높다. |
| - 네실리콘 (Si)- 네 | - 3번55 | 26 | 149 | 제1호 | 주로 3~5μm 중외선 대역에 사용된다. 높은 열전도성이 주요 장점이다. |
| - 네사피르 (Al2O3)- 네 | - 1번76 | 58 | 27.5 | 매우 낮습니다. | 극도로 높은 강도와 좋은 열전도성, 가혹한 환경, 자외선, 가시광선 |
데이터 해석:
열 렌즈 계산:100W 연속파 레이저의 경우 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.
- 네열 스트레스 분석:CTE의 차이는 코팅-기반지 인터페이스의 열 스트레스에 직접 영향을 미칩니다. CTE 불일치는 고전력 열 사이클에서 코팅 균열 또는 탈 라미네이션의 주요 원인입니다.
레이저 손상 문
II. 코팅 요구에 대한 양적 지표
1레이저로 인한 손해 경격 (LIDT):
측정 표준:ISO 21254 표준을 따르고 있습니다.
성능 수준:
일반적인 E선 증발 코팅: ~5-15 J/cm2 (나노초 펄스, 1064nm)
이온 보조 퇴적 (IAD) 코팅: ~15-25 J/cm2
이온 빔 스프터링 (IBS) 코팅: > 30 J/cm2, 상위 계층 프로세스는 50 J/cm2를 초과할 수 있습니다.
2. 흡수 및 분산 손실:
흡수:레이저 열량 측정으로 측정됩니다. 고급 IBS 코팅은 대량 흡수 손실 < 5ppm (0.0005%) 및 표면 흡수 손실 < 1ppm을 요구합니다.
산란:통합 스캐터메트리를 사용하여 측정합니다. 전체 통합 스캐터 (TIS) 는 < 50ppm여야 합니다.
3스펙트럼 성능 정확도:
- 네고 반사 (HR) 코팅:반사성 R> 99.95% 중앙 파장, 상위 계층은 R> 99.99%를 필요로 한다. 대역폭 Δλ는 설계 값을 충족해야 한다 (예를 들어, Nd: YAG 레이저의 1064nm에 ± 15nm).
- 네반사 방지 (AR) 코팅:잔류 반사성 R < 0.1% (단면), 상단층은 R < 0.05% ("슈퍼 반사성 코팅") 을 필요로 한다. 초고속 레이저 응용 프로그램에서 사용되는 광대역 AR 코팅의 경우, R < 0.수백 나노미터의 대역폭에서 5%가 필요합니다..
전자 빔 증발 코팅
III. 코팅 프로세스 및 핵심 매개 변수 비교
코팅 프로세스 매개 변수 비교:
| 매개 변수 | 전자 빔 증발 (E 빔) | 이온 보조 퇴적 (IAD) | 이온선 스프터링 (IBS) |
| - 네예금율- 네 | 빠른 (0.5 ~ 5 nm/s) | 중간 (0.2 ~ 2 nm/s) | 느린 (0.01 ~ 0.1 nm/s) |
| - 네기질 온도- 네 | 높은 (200 ~ 350 °C) | 중형 (100 ~ 300 °C) | 낮은 (< 100 °C) |
| - 네코팅 밀도- 네 | 상대적으로 낮은 (포러스, ~ 80-95% 대량 밀도) | 높은 (>95% 대량 밀도) | 매우 높습니다 (반량 밀도 100%에 가깝습니다) |
| - 네표면 거칠성- 네 | 더 높은 (~1-2 nm RMS) | 낮은 (~0.5-1 nm RMS) | 매우 낮은 (< 0. 3 nm RMS) |
| - 네스트레스 조절- 네 | 일반적으로 팽창 스트레스 | 조절 (압축 또는 팽창 스트레스) | 일반적으로 제어 할 수 있는 압축 스트레스 |
| - 네전형적인 LIDT- 네 | 낮은 수준에서 중간 수준 | 중간에서 높은 | 매우 높습니다. |
데이터 기반 프로세스 선택:
IBS를 선택하세요:시스템 요구 사항이 LIDT > 25 J/cm2 및 흡수 < 10 ppm를 요구하는 경우 IBS는 유일한 선택입니다.
IAD를 선택하세요:예산이 제한되어 있지만 15-20 J/cm2 범위의 LIDT가 필요한 경우 IAD는 가장 비용 효율적인 솔루션입니다.
- 네E 빔을 선택하세요:주로 낮은 손해 임계 요건 또는 예비 프로토타입을 가진 에너지 레이저에 사용됩니다.
IV. 코팅 준수량 검증
- 네
1LIDT 테스트 (ISO 21254):
방법:1대1의 방법을 사용해서 테스트 빔 스포트 내의 여러 부위를 방사합니다. 각 부위는 한 번만
데이터 분석:손상 확률 곡선은 선형 회귀를 통해 조정됩니다. 0% 손상 확률에 대응하는 에너지 밀도 값은 LIDT로 정의됩니다.
- 네빔 스팟 크기:일반적으로 200-1000μm, 에너지 밀도를 계산하기 위해 정확하게 측정해야합니다.
2. 흡수 측정:
- 네레이저 열량 측정:직접적으로 레이저 에너지를 흡수하는 샘플의 온도 상승을 측정합니다. 민감도는 0.1ppm까지 도달 할 수 있습니다.
- 네표면 열 렌즈 기술:매우 높은 민감도, 대량 및 표면 흡수를 구별 할 수 있습니다.
스펙트럼 사진 측정기
3스펙트럼 성능:
스펙트럼 사진 측정기:±0.05%까지의 정확성, 반사성/전달성 (R/T) 을 측정하는 데 사용됩니다.
- 네화이트 라이트 인터페로미터:코팅 두께와 표면 형태를 측정하는 데 사용됩니다. 두께 제어 정확도는 < 0.1%까지 도달 할 수 있습니다.
NBP1064 좁은 대역 레이저 필터
V. 과제들에 대한 정량적 설명
1- 결함 때문에 전기장 증강:덩어리 결함 (nodular defects) 은 LIDT의 가장 큰 살인자이다. 100nm 높이의 덩어리 결함 (nodular defect) 은 레이저 전기장의 지역적 증가를 정상 부위에 비해 2-3배로 증가시킬 수 있다.손해의 경계와 전기장 강도 사이의 역제곱 관계를 감안하면이 시점에서 LIDT는 정상 영역의 1/4에서 1/9로 떨어집니다.
2열 관리 과제의 수치:10kW의 연속파 레이저가 거울에 반사된다고 가정하면 흡수율이 5ppm에 불과하더라도 50mW의 전력이 흡수됩니다.그것은 광학적 구성 요소 내에서 온도 경사 (ΔT) 와 그에 따른 열 변형 (광학적 경로 차이) 을 만듭니다.OPD는 다음과 같이 계산될 수 있다: OPD = (dn/dT + α(n-1)) * ΔT * t, 여기서 dn/dT는 열 광학 계수, α는 열 팽창 계수, t는 두께이다.이 변형은 빔 품질을 심각하게 저하시킨다 (M2 인수를 증가시킨다).
3초고속 레이저의 비선형 효과:페메토초 레이저 손상 문턱은 펄스 너비 (~√τ) 의 제곱근에 비례합니다. 이론적으로 10 ns 펄스 아래 40 J/cm2의 LIDT를 가진 코팅은 약 0의 LIDT를 가질 것입니다..100 fs 펄스 아래에서 4 J/cm2 (하지만 실제 메커니즘은 멀티 포톤 흡수를 포함하여 더 복잡합니다).
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