スーパーミラー


  • Single-Crystal GaAs/AlGaAs Coating
  • Ø8 mm Coating on Ø1", 6.35 mm Thick Fused Silica
  • Wavelength Options: 1064 nm, 1397 nm, 1550 nm
  • Options With Up to 300 000 Finesse

XM12P8

Plano Crystalline Supermirror, 1550 nm

XM11R8

Concave Crystalline Supermirror,
1 m Radius of Curvature, 1064 nm

Engraved Caret Indicates Side with Crystalline Coating

Lower Brownian Noise*

*When Compared to Sputtered Amorphous Thin-Film Coatings

XMCR19

Ø1" Compensation Ring with Ø9 mm Through Hole

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特長

  • Ø8 mmの単結晶GaAs/AlGaAs光学コーティング
  • 中心波長において極めて高い反射率
    • 中心波長が1064 nmまたは1550 nmのミラー:
      R > 99.9969%
    • 中心波長が1397 nmのミラー:R > 99.999%
    • 中心波長が1550 nmのミラー:R > 99.9984%または R > 99.999%
  • 背面にØ5 mmのARコーティング
  • Ø25.4 mm、厚さ6 mmのUV 溶融石英(UVFS)基板
  • スペーサやバッキングリングへのオプティカルコンタクトが可能
  • 低い光の吸収と散乱
  • 低い熱抵抗
  • 平面ミラー、または凹面ミラー(曲率半径1 m)
  • 各スーパーミラーには個別のデータシートが付属
  • Ø25.4 mm(Ø1インチ)補正リングもご用意(下記参照)

用途

  • 高フィネスレーザ共振器
  • 低ノイズ高精度干渉計
  • 高出力レーザーシステム
  • 原子時計用超安定化レーザ
  • 重力波検出器用ミラー
2017 Prism Award Winner
2017 Category of
Materials and Coatings
Custom Capabilites Button
Optical Reference Cavities Button

当社では、特定の波長において可能な限り高い反射率を要求される用途向けに、Ø25.4 mmの基板上に高性能の単結晶膜スーパーミラーコーティング面を有するミラーをご提供しています。 標準品として、1064 nm、1397 nmまたは1550 nm用のコーティング面(Ø8 mm)を有する平面および凹面のミラーをご用意しています。前面のコーティングは分子線エピタキシー法(特許取得済みU.S. Patent: 9,945,996; E.U. Patent 3219832A1)で形成されています。これによるGaAs/AlGaAsなどの単結晶半導体は疑似バルクの特性を有し、スパッタリングで形成されるアモルファスの誘電体コーティングよりも弾性損失が小さくなります。詳細については結晶ミラーコーティングのページをご覧ください。スーパーミラーの背面には、前面の結晶コーティングと同じ中心波長用のARコーティングが施されています。光学素子の前面と背面は超研磨されており、共振器のスペーサやバッキングリングへのオプティカルコンタクトが可能です。

光吸収とブラウニアンノイズが極めて小さいこれらの高性能スーパーミラーは、光原子時計、小型参照用光共振器、安定化レーザ、次世代の重力波検出器などを構築するうえでの重要な構成要素です。当社のxtal stable™光学素子に用いられている高いQ値をもたらす単結晶コーティングは、熱機械的なゆらぎを大きく減少させ、精密干渉計の全体的な周波数安定度を大幅に改善します。当社の結晶コーティングは、画期的な実験や最先端の市販製品にも採用され、レーザ線幅と共振器のノイズ性能の限界を押し上げてきました。

当社の結晶膜スーパーミラーは、キャビティリングダウンのセットアップを用いて個別に試験され、中心波長での非常に高い反射率と低い透過率を確認しています。データシートのサンプルはこちらをクリックしてご覧いただけます。これらのスーパーミラーの設計や厳格な計測プロセスについては「計測&評価」タブをご覧ください。

当社では、下の標準ミラーを使用したカスタム仕様の光共振器構築のためのオプティカルコンタクトサービスをご提供しています。ご用途固有のコーティングが必要な場合や量産用途などについては、特注や製品組み込み(OEM)用途対応として、様々な高性能単結晶膜スーパーミラーのご提供や、新しい製造工程の構築が可能です。カスタムミラーや共振器については、結晶ミラーコーティングのページをご覧いただくか、当社までお問合せください。

Supermirror Specifications
Item #sXM11P8XM11R8XM23P8XM23R8XM12P8XM12R8XM14P8XM14R8
Center Wavelength1064 nm1397 nm1550 nm
Mirror ShapePlanoConcavePlanoConcavePlanoConcavePlanoConcave
Finessea100 000300 000200 000300 000
Crystalline Coating Reflectanceb> 99.9969% at 1064 nm
0° AOI over Central Ø8 mm
> 99.999% at 1397 nm
0° AOI over Central Ø8 mm
> 99.9984% at 1550 nm
0° AOI over Central Ø8 mm
> 99.999% at 1550 nm
0° AOI over Central Ø8 mm
Crystalline Coating Transmissionb> 5 ppm at Center Wavelength
0° AOI over Central Ø8 mm
> 3.5 ppm at Center Wavelength
0° AOI over Central Ø8 mm
> 5 ppm at Center Wavelength
0° AOI over Central Ø8 mm
> 5 ppm at Center Wavelength
0° AOI over Central Ø8 mm
Crystalline Coating Loss Angleb,c< 4 x 10-5 at 300 K
< 5 x 10-6 at 10 K
Damage ThresholddCWe46.2 kW/cm (1064 nm, Ø5.5 mm)
Pulsed5 J/cm2 (1030 nm, 10 ns, 10 Hz, Ø0.240 mm)
AR Coating Reflectance (Back Sidef)< 0.1% at Center Wavelength; 0° AOI over Central Ø5 mm
Substrate MaterialCorning 7980 0A UV Fused SilicagCorning 7979 0A IR Fused SilicagCorning 7980 0A UV Fused Silicag
Surface RoughnessCrystalline Coating: < 1.5 Å (RMS)
Back Side: < 1.5 Å (RMS)
over Central Ø19.5 mm
Crystalline Coating: < 1.5 Å (RMS)
Back Side: < 1 Å (RMS)
over Central Ø19.5 mm
Crystalline Coating: < 1.5 Å (RMS)
Back Side: < 1.5 Å (RMS)
over Central Ø19.5 mm
Crystalline Coating: < 1.5 Å (RMS)
Back Side: < 1 Å (RMS)
over Central Ø19.5 mm
  • 2枚のミラーで共振器を構成した場合
  • 結晶コーティング面は前面に接合されており、その面は山形記号(キャレット)で示されています。
  • 仕様についての詳細は結晶ミラーコーティングのページにある「製造・コーティング技術」タブをご覧ください。
  • 結晶コーティングにより制限されます。詳細は「損傷閾値」タブをご覧ください。
  • ビームのパワー密度はW/cmの単位で計算します。このパワー密度の単位(単位長さあたりのパワー)が長パルスおよびCW光源に対して最も適した測定量である理由については、「損傷閾値」タブをご覧ください。
  • 結晶コーティング面の反対側の面
  • これ以外の基板材料で作製することも可能です。詳細は当社までお問い合わせください。

Plano Mirror Specifications
Side of OpticFront SideBack Sideb
Surface Flatness< λ/10 at 633 nm (Peak to Valley)
over Central Ø10 mm
< λ/10 at 633 nm
(Peak to Valley)
Surface Quality
10-5 Scratch-Dig over Central Ø10 mm,
20-10 Scratch-Dig from Ø10 mm to Bevel
20-10 Scratch-Dig
  • 結晶コーティング面は前面に接合されており、その面は山形記号(キャレット)で示されています。
  • 結晶コーティング面の反対側の面。この面の仕様は、中心のØ19.5 mmの範囲に適用されます。
Concave Mirror Specifications
Side of OpticFront SideaBack Sideb
Radius of Curvature1 m (Central Ø18.5 mm)
Plano (Annular Region Between
Ø18.5 mm and Bevel)
Plano
Surface Flatness< λ/10 at 633 nm (Peak to Valley)
in Annular Region Between
Ø18.5 mm Region and Bevel
< λ/10 at 633 nm
(Peak to Valley)
Surface Irregularity< λ/10 at 633 nm (Peak to Valley)
over Crystalline Coating (Ø8 mm)
N/A
Surface Quality
10-5 Scratch-Dig over Central Ø10 mm,
20-10 Scratch-Dig in Annular Region Between
Ø18.5 mm Region and Bevel
20-10 Scratch-Dig
  • 結晶コーティング面は前面に接合されており、その面は山形記号(キャレット)で示されています。
  • 結晶コーティング面の反対側の面。この面の仕様は、中心のØ19.5 mmの範囲に適用されます。
Compensation Ring Specifications
Item #XMCR19
MaterialPremium Grade ULE®*
Clear ApertureChamfer to Through Hole
Side of OpticFront SideaBack Side
Surface Flatness< λ/4 at 633 nmCommercial Polish
Surface Quality
20-10 Scratch DigCommercial Polish
  • 外周エッジ部分が面取りされている前面は、オプティカルコンタクト用に研磨されています。

*ULEはCorning社の登録商標です。

Light Through Crystalline MirrorClick to Enlarge
図1:結晶膜スーパーミラーの性能評価において考慮すべき光パワーの成分(I = 入射光パワー、S = 散乱、A = 吸収、R = 反射、T= 透過)
Light Through a Crystalline Mirror Optical CavityClick to Enlarge
図2:結晶膜スーパーミラー共振器に入射した光は、共振器を往復するたびに指数関数的に減衰します。
Crystalline Mirrors Measurement GraphClick to Enlarge
図4:キャビティリングダウンのセットアップを用いて、指数関数的に減衰する特徴的な信号を正確に測定することができます。 [2]

キャビティリングダウン
当社の結晶コーティングは、入射光パワー(I)の99.9969% 以上を反射 (R)するとともに、散乱(S)と吸収(A)による損失は最小限に抑えられています(図1参照)。それらの値は小さく、その測定には大きなダイナミックレンジを必要とするため、正確な値を決定するのは困難です。例えば、市販の分光光度計は比較的利用しやすいものですが、約99.9%までの反射率における一般的な正確さは0.3%(3000 ppm)のレベルにとどまります。同様に、99.99%までの反射率において0.01%(100 ppm)の正確さを有するレシオメトリックレーザーパワー測定法でも、これらのスーパーミラーの特性評価を行うには不十分です。技術的な課題としては、光源強度の安定性、広いレンジにわたる光入力に対するリニアリティ、および検出ノイズなどがあります。

1984年に、アンダーソン氏らは[1]、高反射率エンドミラーで構成された光共振器をベースにした反射率計を発表しました。その方法では、光速度が有限であることを利用して、光強度測定を純粋な時間遅延測定に変換しています。入射された光パルスが出射側のミラーに到達すると、透過率(T)と同じ割合の光が出力され、反射率(R)と同じ割合の光が反射して共振器内に戻ります(図2参照)。2回目の往復時には、1回目で少し減衰した光が、さらに透過率(T)と同じ割合で出力されます。共振器内を往復するごとに共振器内部の光パワーの損失はレシオメトリックに進行し、これに伴って共振器の透過光パワーは時定数τで指数関数的に減衰します。重要なことですが、この手法では他の手法よりも光源の強度変動の影響を受けず、ディテクタのリニアリティ、検出ノイズ、ダイナミックレンジの制限などの影響も受けにくくなります。

測定値τと既知の共振器長Lを用いて、各スーパーミラーの光学損失の合計 (A)を以下の式で表すことができます。

T + S + A = L / (cτ)

ここで、cは光速度です。光共振器のフィネスは、一般に共振器の光学損失を表す場合にも用いられます。さらに、損失の透過、散乱および吸収の各成分への分解は、次のようにして実現できます。透過率は設計パラメータであり、基板とコーティングの屈折率に関する情報と、X線回折およびオプションとして走査型電子顕微鏡を使用して測定したas-grown層の厚さとを組み合わせることで、当社の結晶コーティングでは約1 ppmの正確さで決定できます。吸収は、光熱共通光路干渉計(photothermal common-path interferometry)を用いて直接かつ独立に測定可能です。散乱は残りの値で、計算によって簡単に求めることができます。

測定プロトコル
各スーパーミラーの光学損失の合計は、カスタム仕様のキャビティリングダウンシステム[2]を使用して測定できます。そのセットアップを図3に示します。半導体レーザは、2枚の結晶膜スーパーミラーで構成された線形共振器に光アイソレータを使用せずに直接結合しています。この配置ではレーザをアクティブに安定化する必要が無いため、システムは大幅に簡素化されています。共振器の入力カプラからの再帰反射により外部共振器型の半導体レーザが形成され、レーザの線幅が狭くなります(図3内のグラフ参照)。線幅が狭くなると、レーザの波長がコーティングの中心波長に引き込まれることで、結合される光パワーが増加します。この時、一般にこの複合レーザと外部共振器における損失は最小になります。サンプルポイントがミラー基板の中心から半径1.5 mm以内に収まるように、アイリスを使用しています。また、基本モードのTEM00を励起するために、InGaAsカメラを使用してスーパーミラーをアライメントしています。透過光パワーの検出には、高速のInGaAsフォトダイオードを使用しています。デジタル遅延発生器[3]を用いて、透過光パワーが閾値を超えたときに半導体レーザの電流をゼロにし、1回の過渡的なリングダウン信号のデータ取得を開始します。

典型的なリングダウン信号と、次の式のモデルを最小二乗法でフィッティングして得られた値との残差を図4に示します。

y = ae^(-t / τ) + b

また、50回の連続したリングダウン信号の平均値とフィッティングとの残差も示していますが、当社における最高レベルのSN比の信号を用いても非指数関数的な動作の兆候は見られません。

Noise of Crystal Mirrors Compared to Sputtered MirrorsClick to Enlarge
図3: 結晶膜スーパーミラーの試験を行うためのカスタム仕様によるキャビティリングダウンシステム[2]。信号"Bare"は共振器がブロックされたときにOSAで測定された裸のレーザのスペクトルであり、信号"Feed-Back"は共振器からの再帰反射にさらされたレーザのスペクトルです。

参考文献

[1] Anderson DZ, Frisch JC, and Masser CS. "Mirror reflectometer based on optical cavity decay time." Applied Optics. April 15, 1984; 23: 1238-1245.
[2] Truong GW, Winkler G, Zederbauer T, Bachmann D, Heu P, Follman D, White ME, Heckl OH, and Cole GD. "Near-infrared scanning cavity ringdown for optical loss characterization of supermirrors.Optics Express. June 24, 2019; 27: 19141-19149.
[3] https://github.com/geedubs/teensytrigger


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単結晶GaAs/AlGaAsコーティングの結晶軸とコーティングのフラット部との関係

複屈折性

当社の結晶ミラーは、その単結晶の性質により複屈折性を示します。偏光の制御が必要な場合、この複屈折性について良く認識しておくことが重要です。右の図でご覧いただけるように、コーティングディスクには[0 -1 -1]方向に沿ってフラットな部分が作られています。このフラットな線はGaAs/AlGaAsコーティングのスロー軸に平行です。それに垂直な[0 -1 1] 方向は、コーティングのファスト軸に平行です。

当社の結晶膜スーパーミラーで共振器を構成する時には、コーティングのフラット部が互いに一致するようにアライメントし、偏光に対応する固有モード間の分離が最大になるように調整することをお勧めします。共振器への入射光は、フラット部に対して平行、あるいは垂直の直線偏光でなければなりません。

まだ研究中ではありますが、偏光がファスト軸にアライメントされているとき、コーティングによる光吸収が最小になることが観察されています。この現象に関する詳細については https://arxiv.org/abs/2009.04721をご覧ください。また、偏光による分離の大きさは、2つのスーパーミラーを互いに回転させることで「調整」できます。

フラット部がアライメントされた線形共振器における共振器の複屈折性を概算すると、1064 nmと1550 nmで共に約10-3です。長さ10 cmの共振器で入射光波長が1550 nmの場合、偏光によるモード間の分離は約500 kHzになります。

Damage Threshold Specifications
Coating NameLaser TypeDamage Thresholda
xtal stable™CWb46.2 kW/cm (1064 nm, Ø5.5 mm)
Pulsed5 J/cm2 (1030 nm, 10 ns, 10 Hz, Ø0.240 mm)
  • 全ての径は1/e2における値です。
  • ビームのパワー密度はW/cmの単位で計算します。線形パワー密度が長パルスおよびCW光源において最も適した測定量である理由については、下記の「CWレーザと長パルスレーザ」をご覧ください。

結晶膜スーパーミラーの損傷閾値データ

右の仕様は、下記掲載の結晶膜スーパーミラーに適用されます。各スーパーミラーは受注生産であるため、これらの値は典型値を示しており、製品毎に異なる場合があります。

 

レーザによる損傷閾値について

このチュートリアルでは、レーザ損傷閾値がどのように測定され、使用する用途に適切な光学素子の決定にその値をどのようにご利用いただけるかを総括しています。お客様のアプリケーションにおいて、光学素子を選択する際、光学素子のレーザによる損傷閾値(Laser Induced Damage Threshold :LIDT)を知ることが重要です。光学素子のLIDTはお客様が使用するレーザの種類に大きく依存します。連続(CW)レーザは、通常、吸収(コーティングまたは基板における)によって発生する熱によって損傷を引き起こします。一方、パルスレーザは熱的損傷が起こる前に、光学素子の格子構造から電子が引き剥がされることによって損傷を受けます。ここで示すガイドラインは、室温で新品の光学素子を前提としています(つまり、スクラッチ&ディグ仕様内、表面の汚染がないなど)。光学素子の表面に塵などの粒子が付くと、低い閾値で損傷を受ける可能性があります。そのため、光学素子の表面をきれいで埃のない状態に保つことをお勧めします。光学素子のクリーニングについては「光学素子クリーニングチュートリアル」をご参照ください。

テスト方法

当社のLIDTテストは、ISO/DIS 11254およびISO 21254に準拠しています。

初めに、低パワー/エネルギのビームを光学素子に入射します。その光学素子の10ヶ所に1回ずつ、設定した時間(CW)またはパルス数(決められたprf)、レーザを照射します。レーザを照射した後、倍率約100倍の顕微鏡を用いた検査で確認し、すべての確認できる損傷を調べます。特定のパワー/エネルギで損傷のあった場所の数を記録します。次に、そのパワー/エネルギを増やすか減らすかして、光学素子にさらに10ヶ所レーザを照射します。このプロセスを損傷が観測されるまで繰返します。損傷閾値は、光学素子が損傷に耐える、損傷が起こらない最大のパワー/エネルギになります。1つのミラーBB1-E02の試験結果は以下のようなヒストグラムになります。

LIDT metallic mirror
上の写真はアルミニウムをコーティングしたミラーでLIDTテストを終えたものです。このテストは、損傷を受ける前のレーザのエネルギは0.43 J/cm2 (1064 nm、10 ns pulse、 10 Hz、Ø1.000 mm)でした。
LIDT BB1-E02
Example Test Data
Fluence# of Tested LocationsLocations with DamageLocations Without Damage
1.50 J/cm210010
1.75 J/cm210010
2.00 J/cm210010
2.25 J/cm21019
3.00 J/cm21019
5.00 J/cm21091

試験結果によれば、ミラーの損傷閾値は 2.00 J/cm2 (532 nm、10 ns pulse、10 Hz、 Ø0.803 mm)でした。尚、汚れや汚染によって光学素子の損傷閾値は大幅に低減されるため、こちらの試験はクリーンな光学素子で行っています。また、特定のロットのコーティングに対してのみ試験を行った結果ではありますが、当社の損傷閾値の仕様は様々な因子を考慮して、実測した値よりも低めに設定されており、全てのコーティングロットに対して適用されています。

CWレーザと長パルスレーザ

光学素子がCWレーザによって損傷を受けるのは、通常バルク材料がレーザのエネルギを吸収することによって引き起こされる溶解、あるいはAR(反射防止)コーティングのダメージによるものです[1]。1 µsを超える長いパルスレーザについてLIDTを論じる時は、CWレーザと同様に扱うことができます。

パルス長が1 nsと1 µs の間のときは、損傷は吸収、もしくは絶縁破壊のどちらかで発生していると考えることができます(CWとパルスのLIDT両方を調べなければなりません)。吸収は光学素子の固有特性によるものか、表面の不均一性によるものかのどちらかによって起こります。従って、LIDTは製造元の仕様以上の表面の質を有する光学素子にのみ有効です。多くの光学素子は、ハイパワーCWレーザで扱うことができる一方、アクロマティック複レンズのような接合レンズやNDフィルタのような高吸収光学素子は低いCWレーザ損傷閾値になる傾向にあります。このような低い損傷閾値は接着剤や金属コーティングにおける吸収や散乱によるものです。

Linear Power Density Scaling

線形パワー密度におけるLIDTに対するパルス長とスポットサイズ。長パルス~CWでは線形パワー密度はスポットサイズにかかわらず一定です。 このグラフの出典は[1]です。

Intensity Distribution

繰返し周波数(prf)の高いパルスレーザは、光学素子に熱的損傷も引き起こします。この場合は吸収や熱拡散率のような因子が深く関係しており、残念ながらprfの高いレーザが熱的影響によって光学素子に損傷を引き起こす場合の信頼性のあるLIDTを求める方法は確立されておりません。prfの大きいビームでは、平均出力およびピークパワーの両方を等しいCW出力と比較する必要があります。また、非常に透過率の高い材料では、prfが上昇してもLIDTの減少は皆無かそれに近くなります。

ある光学素子の固有のCWレーザの損傷閾値を使う場合には、以下のことを知る必要があります。

  1. レーザの波長
  2. ビーム径(1/e2)
  3. ビームのおおよその強度プロファイル(ガウシアン型など)
  4. レーザのパワー密度(トータルパワーをビームの強度が1/e2の範囲の面積で割ったもの)

ビームのパワー密度はW/cmの単位で計算します。この条件下では、出力密度はスポットサイズとは無関係になります。つまり、スポットサイズの変化に合わせてLIDTを計算し直す必要がありません(右グラフ参照)。平均線形パワー密度は、下の計算式で算出できます。

ここでは、ビーム強度プロファイルは一定であると仮定しています。次に、ビームがホットスポット、または他の不均一な強度プロファイルの場合を考慮して、おおよその最大パワー密度を計算する必要があります。ご参考までに、ガウシアンビームのときはビームの強度が1/e2の2倍のパワー密度を有します(右下図参照)。

次に、光学素子のLIDTの仕様の最大パワー密度を比較しましょう。損傷閾値の測定波長が光学素子に使用する波長と異なっている場合には、その損傷閾値は適宜補正が必要です。おおよその目安として参考にできるのは、損傷閾値は波長に対して比例関係であるということです。短い波長で使う場合、損傷閾値は低下します(つまり、1310 nmで10 W/cmのLIDTならば、655 nmでは5 W/cmと見積もります)。

CW Wavelength Scaling

この目安は一般的な傾向ですが、LIDTと波長の関係を定量的に示すものではありません。例えば、CW用途では、損傷はコーティングや基板の吸収によってより大きく変化し、必ずしも一般的な傾向通りとはなりません。上記の傾向はLIDT値の目安として参考にしていただけますが、LIDTの仕様波長と異なる場合には当社までお問い合わせください。パワー密度が光学素子の補正済みLIDTよりも小さい場合、この光学素子は目的の用途にご使用いただけます。

当社のウェブ上の損傷閾値の仕様と我々が行った実際の実験の値の間にはある程度の差があります。これはロット間の違いによって発生する誤差を許容するためです。ご要求に応じて、当社は個別の情報やテスト結果の証明書を発行することもできます。損傷解析は、類似した光学素子を用いて行います(お客様の光学素子には損傷は与えません)。試験の費用や所要時間などの詳細は、当社までお問い合わせください。

パルスレーザ

先に述べたように、通常、パルスレーザはCWレーザとは異なるタイプの損傷を光学素子に引き起こします。パルスレーザは損傷を与えるほど光学素子を加熱しませんが、光学素子から電子をひきはがします。残念ながら、お客様のレーザに対して光学素子のLIDTの仕様を照らし合わせることは非常に困難です。パルスレーザのパルス幅に起因する光学素子の損傷には、複数の形態があります。以下の表中のハイライトされた列は当社の仕様のLIDT値が当てはまるパルス幅に対する概要です。

パルス幅が10-9 sより短いパルスについては、当社の仕様のLIDT値と比較することは困難です。この超短パルスでは、多光子アバランシェ電離などのさまざまなメカニクスが損傷機構の主流になります[2]。対照的に、パルス幅が10-7 sと10-4 sの間のパルスは絶縁破壊、または熱的影響により光学素子の損傷を引き起こすと考えられます。これは、光学素子がお客様の用途に適しているかどうかを決定するために、レーザービームに対してCWとパルス両方による損傷閾値を参照しなくてはならないということです。

Pulse Durationt < 10-9 s10-9 < t < 10-7 s10-7 < t < 10-4 st > 10-4 s
Damage MechanismAvalanche IonizationDielectric BreakdownDielectric Breakdown or ThermalThermal
Relevant Damage SpecificationN/APulsedPulsed and CWCW

お客様のパルスレーザに対してLIDTを比較する際は、以下のことを確認いただくことが重要です。

Energy Density Scaling

エネルギ密度におけるLIDTに対するパルス長&スポットサイズ。短パルスでは、エネルギ密度はスポットサイズにかかわらず一定です。このグラフの出典は[1]です。

  1. レーザの波長
  2. ビームのエネルギ密度(トータルエネルギをビームの強度が1/e2の範囲の面積で割ったもの)
  3. レーザのパルス幅
  4. パルスの繰返周波数(prf)
  5. 実際に使用するビーム径(1/e2 )
  6. ビームのおおよその強度プロファイル(ガウシアン型など)

ビームのエネルギ密度はJ/cm2の単位で計算します。右のグラフは、短パルス光源には、エネルギ密度が適した測定量であることを示しています。この条件下では、エネルギ密度はスポットサイズとは無関係になります。つまり、スポットサイズの変化に合わせてLIDTを計算し直す必要がありません。ここでは、ビーム強度プロファイルは一定であると仮定しています。ここで、ビームがホットスポット、または他の不均一な強度プロファイルの場合を考慮して、おおよその最大パワー密度を計算する必要があります。ご参考までに、ガウシアンビームのときは一般にビームの強度が1/e2のときの2倍のパワー密度を有します。

次に、光学素子のLIDTの仕様と最大エネルギ密度を比較しましょう。損傷閾値の測定波長が光学素子に使用する波長と異なっている場合には、その損傷閾値は適宜補正が必要です[3]。経験則から、損傷閾値は波長に対して以下のような平方根の関係であるということです。短い波長で使う場合、損傷閾値は低下します(例えば、1064 nmで 1 J/cm2のLIDTならば、532 nmでは0.7 J/cm2と計算されます)。

Pulse Wavelength Scaling

 

波長を補正したエネルギ密度を得ました。これを以下のステップで使用します。

ビーム径は損傷閾値を比較する時にも重要です。LIDTがJ/cm2の単位で表される場合、スポットサイズとは無関係になりますが、ビームサイズが大きい場合、LIDTの不一致を引き起こす原因でもある不具合が、より明らかになる傾向があります[4]。ここで示されているデータでは、LIDTの測定には<1 mmのビーム径が用いられています。ビーム径が5 mmよりも大きい場合、前述のようにビームのサイズが大きいほど不具合の影響が大きくなるため、LIDT (J/cm2)はビーム径とは無関係にはなりません。

次に、パルス幅について補正します。パルス幅が長くなるほど、より大きなエネルギに光学素子は耐えることができます。パルス幅が1~100 nsの場合の近似式は以下のようになります。

Pulse Length Scaling

お客様のレーザのパルス幅をもとに、光学素子の補正されたLIDTを計算するのにこの計算式を使います。お客様の最大エネルギ密度が、この補正したエネルギ密度よりも小さい場合、その光学素子はお客様の用途でご使用いただけます。ご注意いただきたい点は、10-9 s と10-7 sの間のパルスにのみこの計算が使えることです。パルス幅が10-7 sと10-4 sの間の場合には、CWのLIDTも調べなければなりません。

当社のウェブ上の損傷閾値の仕様と我々が行った実際の実験の値の間にはある程度の差があります。これはロット間の違いによって発生する誤差を許容するためです。ご要求に応じて、当社では個別のテスト情報やテスト結果の証明書を発行することも可能です。詳細は、当社までお問い合わせください。


[1] R. M. Wood, Optics and Laser Tech. 29, 517 (1997).
[2] Roger M. Wood, Laser-Induced Damage of Optical Materials (Institute of Physics Publishing, Philadelphia, PA, 2003).
[3] C. W. Carr et al., Phys. Rev. Lett. 91, 127402 (2003).
[4] N. Bloembergen, Appl. Opt. 12, 661 (1973).

レーザーシステムが光学素子に損傷を引き起こすかどうか判断するプロセスを説明するために、レーザによって引き起こされる損傷閾値(LIDT)の計算例をいくつかご紹介します。同様の計算を実行したい場合には、右のボタンをクリックしてください。計算ができるスプレッドシートをダウンロードいただけます。ご使用の際には光学素子のLIDTの値と、レーザーシステムの関連パラメータを緑の枠内に入力してください。スプレッドシートでCWならびにパルスの線形パワー密度、ならびにパルスのエネルギ密度を計算できます。これらの値はスケーリング則に基づいて、光学素子のLIDTの調整スケール値を計算するのに用いられます。計算式はガウシアンビームのプロファイルを想定しているため、ほかのビーム形状(均一ビームなど)には補正係数を導入する必要があります。 LIDTのスケーリング則は経験則に基づいていますので、確度は保証されません。なお、光学素子やコーティングに吸収があると、スペクトル領域によってLIDTが著しく低くなる場合があります。LIDTはパルス幅が1ナノ秒(ns)未満の超短パルスには有効ではありません。

Intensity Distribution
ガウシアンビームの最大強度は均一ビームの約2倍です。

CWレーザの例
波長1319 nm、ビーム径(1/e2)10 mm、パワー0.5 Wのガウシアンビームを生成するCWレーザーシステム想定します。このビームの平均線形パワー密度は、全パワーをビーム径で単純に割ると0.5 W/cmとなります。

CW Wavelength Scaling

しかし、ガウシアンビームの最大パワー密度は均一ビームの約2倍です(右のグラフ参照)。従って、システムのより正確な最大線形パワー密度は1 W/cmとなります。

アクロマティック複レンズAC127-030-CのCW LIDTは、1550 nmでテストされて350 W/cmとされています。CWの損傷閾値は通常レーザ光源の波長に直接スケーリングするため、LIDTの調整値は以下のように求められます。

CW Wavelength Scaling

LIDTの調整値は350 W/cm x (1319 nm / 1550 nm) = 298 W/cmと得られ、計算したレーザーシステムのパワー密度よりも大幅に高いため、この複レンズをこの用途に使用しても安全です。

ナノ秒パルスレーザの例:パルス幅が異なる場合のスケーリング
出力が繰返し周波数10 Hz、波長355 nm、エネルギ1 J、パルス幅2 ns、ビーム径(1/e2)1.9 cmのガウシアンビームであるNd:YAGパルスレーザーシステムを想定します。各パルスの平均エネルギ密度は、パルスエネルギをビームの断面積で割って求めます。

Pulse Energy Density

上で説明したように、ガウシアンビームの最大エネルギ密度は平均エネルギ密度の約2倍です。よって、このビームの最大エネルギ密度は約0.7 J/cm2です。

このビームのエネルギ密度を、広帯域誘電体ミラーBB1-E01のLIDT 1 J/cm2、そしてNd:YAGレーザーラインミラーNB1-K08のLIDT 3.5 J/cm2と比較します。LIDTの値は両方とも、波長355 nm、パルス幅10 ns、繰返し周波数10 Hzのレーザで計測しました。従って、より短いパルス幅に対する調整を行う必要があります。 1つ前のタブで説明したようにナノ秒パルスシステムのLIDTは、パルス幅の平方根にスケーリングします:

Pulse Length Scaling

この調整係数により広帯域誘電体ミラーBB1-E01のLIDTは0.45 J/cm2に、Nd:YAGレーザーラインミラーのLIDTは1.6 J/cm2になり、これらをビームの最大エネルギ密度0.7 J/cm2と比較します。広帯域ミラーはレーザによって損傷を受ける可能性があり、より特化されたレーザーラインミラーがこのシステムには適していることが分かります。

ナノ秒パルスレーザの例:波長が異なる場合のスケーリング
波長1064 nm、繰返し周波数2.5 Hz、パルスエネルギ100 mJ、パルス幅10 ns、ビーム径(1/e2)16 mmのレーザ光を、NDフィルタで減衰させるようなパルスレーザーシステムを想定します。これらの数値からガウシアン出力における最大エネルギ密度は0.1 J/cm2になります。Ø25 mm、OD 1.0の反射型NDフィルタ NDUV10Aの損傷閾値は355 nm、10 nsのパルスにおいて0.05 J/cm2で、同様の吸収型フィルタ NE10Aの損傷閾値は532 nm、10 nsのパルスにおいて10 J/cm2です。1つ前のタブで説明したように光学素子のLIDTは、ナノ秒パルス領域では波長の平方根にスケーリングします。

Pulse Wavelength Scaling

スケーリングによりLIDTの調整値は反射型フィルタでは0.08 J/cm2、吸収型フィルタでは14 J/cm2となります。このケースでは吸収型フィルタが光学損傷を防ぐには適した選択肢となります。

マイクロ秒パルスレーザの例
パルス幅1 µs、パルスエネルギ150 µJ、繰返し周波数50 kHzで、結果的にデューティーサイクルが5%になるレーザーシステムについて考えてみます。このシステムはCWとパルスレーザの間の領域にあり、どちらのメカニズムでも光学素子に損傷を招く可能性があります。レーザーシステムの安全な動作のためにはCWとパルス両方のLIDTをレーザーシステムの特性と比較する必要があります。

この比較的長いパルス幅のレーザが、波長980 nm、ビーム径(1/e2)12.7 mmのガウシアンビームであった場合、線形パワー密度は5.9 W/cm、1パルスのエネルギ密度は1.2 x 10-4 J/cm2となります。これをポリマーゼロオーダ1/4波長板WPQ10E-980のLIDTと比較してみます。CW放射に対するLIDTは810 nmで5 W/cm、10 nsパルスのLIDTは810 nmで5 J/cm2です。前述同様、光学素子のCW LIDTはレーザ波長と線形にスケーリングするので、CWの調整値は980 nmで6 W/cmとなります。一方でパルスのLIDTはレーザ波長の平方根とパルス幅の平方根にスケーリングしますので、1 µsパルスの980 nmでの調整値は55 J/cm2です。光学素子のパルスのLIDTはパルスレーザのエネルギ密度よりはるかに大きいので、個々のパルスが波長板を損傷することはありません。しかしレーザの平均線形パワー密度が大きいため、高出力CWビームのように光学素子に熱的損傷を引き起こす可能性があります。


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Ø8 mm結晶膜スーパーミラー、Ø25.4 mm(Ø1インチ)基板、1064 nm

XtalStable 1064 nm Coating Reflectance
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1064 nm結晶膜スーパーミラーの反射率(参照理論値)
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  • 光吸収: < 1 ppm(典型値*)
  • 光散乱: < 5 ppm(典型値*)
  • 詳しい仕様については「仕様」タブをご参照ください。

Ø25.4 mmのUV溶融石英(UVFS)基板上に、中心波長1064 nmにおいて反射率> 99.9969%と非常に高いØ8 mmの結晶コーティングを接合した、平面および凹面のスーパーミラーをご用意しております。凹面ミラーの曲率半径は1 mで設計されています。

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Ø8 mm結晶膜スーパーミラー、Ø25.4 mm(Ø1インチ)基板、1397 nm

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1397 nm結晶膜スーパーミラーの反射率(参照理論値)
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結晶ミラー用Ø25.4 mm(Ø1インチ)補正リング、貫通穴Ø9 mm

Specifications
MaterialPremium Grade ULE®*
Clear ApertureChamfer to Through Hole
Side of OpticFront SideaBack Side
Surface Flatness< λ/4 at 633 nmCommercial Polish
Surface Quality
20-10 Scratch DigCommercial Polish
  • 外周エッジ部分が面取りされている前面は、オプティカルコンタクト用に研磨されています。
  • 熱膨張係数のゼロクロス温度の安定化
  • スペーサの変形の補正

こちらのØ25.4 mm(Ø1インチ)補正リングは、バッキングリングとも呼ばれますが、超低膨張(ULE)ガラス製でØ9 mmの貫通穴が開いています。研磨された面取り面で示されているリングの前面は、結晶ミラーの背面とオプティカルコンタクトで接合することができます。これにより、キャビティ全体の熱膨張係数のゼロクロス温度を室温付近に保持することができ、また光共振器を組立てるためにミラーをスペーサに接合したときに生じた変形も補正します。

こちらの補正リングをほかの溶融石英ミラーにご使用になる場合、リングに接合するミラー基板のコーティング面の径は、リングの内径内に収まるか、リングの外径よりも大きくなければなりません。

*ULEはCorning社の登録商標です。

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XMCR19 Support Documentation
XMCR19Ø1" Compensation Ring for Supermirrors, Ø9 mm Hole
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