I. Podłoża soczewek optycznych: Ilościowy dobór kluczowych parametrów wydajności​​

Wydajność powłoki jest nierozerwalnie związana z właściwościami podłoża. Podłoże nie tylko określa punkt wyjścia dla powlekania, ale jego właściwości termodynamiczne, optyczne i mechaniczne są również podstawą do tego, czy cały element wytrzyma obciążenia dużej mocy. Wybór podłoża wymaga ilościowego uwzględnienia następujących kluczowych parametrów:

• ​​Właściwości optyczne:​​Współczynnik załamania światła i współczynnik absorpcji są punktami wyjścia do projektowania stosu powłok i oceny obciążenia cieplnego. Jakakolwiek niewielka absorpcja (np. 10⁻³ cm⁻¹) może powodować znaczne efekty termiczne przy dużej mocy.

• ​​Właściwości termodynamiczne:​​Przewodność cieplna określa szybkość rozpraszania ciepła, a współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) wpływa na wielkość naprężeń termicznych. Niezgodność między CTE podłoża a warstwą powłoki jest główną przyczyną awarii.

• ​​Właściwości mechaniczne:​​ Twardość i moduł sprężystości wpływają na trudność obróbki i trwałość w środowisku.

Szkło kwarcowe

​Typowe materiały podłoży laserów dużej mocy obejmują:

• ​​Krzemionka topiona:​​Najczęściej stosowana, doskonała wydajność od UV do NIR, bardzo niski CTE, dobra stabilność termiczna.

Płytki kwarcowe ZMSH

• ​​Szkło borokrzemianowe (np. BK7):​​ Niższy koszt, często stosowane w scenariuszach o średniej i niskiej mocy, ale gorsza przewodność cieplna i wyższy CTE.

​

Płytki ze szkła borokrzemianowego ZMSH

• ​​Materiały krystaliczne:​​Takie jak krzem (Si), german (Ge) (dla średniego i dalekiego IR), szafir (ekstremalnie wysoka twardość dla ekstremalnych środowisk), CaF₂/MgF₂ (dla głębokiego UV). Zazwyczaj są drogie i trudne w obróbce.

• Obliczenia soczewkowania termicznego:​​ Dla lasera o mocy ciągłej 100 W, zniekształcenie termiczne generowane w podłożu BK7 o współczynniku absorpcji 1×10⁻³ cm⁻¹ może być kilkakrotnie większe niż w podłożu z krzemionki topionej o współczynniku absorpcji 5×10⁻⁴ cm⁻¹.

• ​​Analiza naprężeń termicznych:​​Różnica w CTE bezpośrednio wpływa na naprężenia termiczne na granicy powłoka-podłoże. Niezgodność CTE jest główną przyczyną pękania lub delaminacji powłoki podczas cyklicznego obciążenia termicznego dużej mocy.

​​II. Ilościowe wskaźniki wymagań dotyczących powłok​​

1. Próg uszkodzenia indukowanego laserem (LIDT):​

• ​​Standard pomiaru:​​ Zgodny ze standardem ISO 21254.

• ​​Poziomy wydajności:​​

1. Konwencjonalne powlekanie metodą odparowywania wiązką elektronów: ~5-15 J/cm² (impuls nanosekundowy, 1064nm)

2. Powlekanie wspomagane jonami (IAD): ~15-25 J/cm²

3. Powlekanie rozpylaniem wiązką jonów (IBS): > 30 J/cm², procesy najwyższej klasy mogą przekraczać 50 J/cm².

• ​Wyzwanie:​​ W przypadku laserów impulsowych femtosekundowych mechanizm uszkodzenia jest inny; LIDT jest zwykle wyrażany jako gęstość mocy, wymagając poziomów od setek GW/cm² do TW/cm².

​​2. Straty absorpcyjne i rozpraszające:​

• ​​Absorpcja:​​ Mierzona za pomocą kalorymetrii laserowej. Wysokiej klasy powłoki IBS wymagają strat absorpcyjnych w masie < 5 ppm (0,0005%), strat absorpcyjnych powierzchniowych < 1 ppm.

• ​​Rozpraszanie:​​ Mierzone za pomocą zintegrowanej scatterometrii. Całkowite zintegrowane rozpraszanie (TIS) powinno wynosić < 50 ppm.

3. ​​Dokładność wydajności spektralnej:​​

• ​​Powłoka o wysokim współczynniku odbicia (HR):​​ Odbicie R > 99,95% przy długości fali środkowej, najwyższa klasa wymaga R > 99,99%. Szerokość pasma Δλ musi spełniać wartości projektowe (np. ±15nm dla lasera Nd:YAG o długości 1064nm).

• ​​Powłoka antyrefleksyjna (AR):​​ Odbicie resztkowe R < 0,1% (pojedyncza powierzchnia), najwyższa klasa wymaga R < 0,05% ("super powłoka antyrefleksyjna"). W przypadku szerokopasmowych powłok AR stosowanych w zastosowaniach laserów ultrafast, R < 0,5% jest wymagane w paśmie setek nanometrów.

​​​​III. Procesy powlekania i porównanie parametrów podstawowych​​

Porównanie parametrów procesu powlekania:​​
 

• Wybierz IBS:​​ Gdy wymagania systemowe wymagają LIDT > 25 J/cm² i absorpcji < 10 ppm, IBS jest jedynym wyborem.

• ​​Wybierz IAD:​​ Gdy budżet jest ograniczony, ale wymagany jest LIDT w zakresie 15-20 J/cm², IAD jest najbardziej opłacalnym rozwiązaniem.

• ​​Wybierz E-beam:​​ Stosowany głównie do laserów energetycznych o niskich wymaganiach dotyczących progu uszkodzenia lub wstępnego prototypowania.

IV. Ilościowa weryfikacja zgodności powłoki​​

​​

1. Test LIDT (ISO 21254):​​

• ​​Metoda:​​ Wykorzystuje metodę 1-na-1, napromieniowując wiele miejsc w obrębie plamki wiązki testowej, każde miejsce tylko raz.

• ​​Analiza danych:​​ Krzywa prawdopodobieństwa uszkodzenia jest dopasowywana za pomocą regresji liniowej; wartość gęstości energii odpowiadająca 0% prawdopodobieństwu uszkodzenia jest definiowana jako LIDT.

• ​​Rozmiar plamki wiązki:​​ Zazwyczaj 200-1000 μm, musi być precyzyjnie zmierzony w celu obliczenia gęstości energii.

​​2. Pomiar absorpcji:​​

• ​​Kalorymetria laserowa:​​ Bezpośrednio mierzy wzrost temperatury próbki absorbującej energię lasera. Czułość może osiągnąć 0,1 ppm.

• ​​Technika soczewki termicznej powierzchniowej:​​ Ekstremalnie wysoka czułość, pozwala odróżnić absorpcję w masie i na powierzchni.

Spektrofotometr

3. ​​Wydajność spektralna:​​

• ​​Spektrofotometr:​​ Dokładność do ±0,05%, służy do pomiaru odbicia/transmisji (R/T).

• ​​Interferometr światła białego:​​ Służy do pomiaru grubości powłoki i morfologii powierzchni; dokładność kontroli grubości może osiągnąć < 0,1%.

V. Ilościowy opis wyzwań​​

1. ​​Wzmocnienie pola elektrycznego z powodu defektów:​​ Defekty guzkowe są największym zabójcą LIDT. Defekt guzkowy o wysokości 100 nm może powodować lokalne wzmocnienie pola elektrycznego lasera o współczynnik 2-3 w porównaniu do obszaru normalnego. Biorąc pod uwagę odwrotną zależność kwadratową między progiem uszkodzenia a natężeniem pola elektrycznego, LIDT w tym punkcie spada do 1/4 do 1/9 obszaru normalnego.

2. ​​Ilościowe określenie wyzwań związanych z zarządzaniem termicznym:​​ Zakładając, że laser o mocy ciągłej 10 kW jest odbijany przez lustro, nawet przy współczynniku absorpcji wynoszącym zaledwie 5 ppm, zostanie pochłonięte 50 mW mocy. Jeśli to obciążenie cieplne jest nierównomierne, tworzy gradient temperatury (ΔT) w obrębie elementu optycznego i odpowiadające mu odkształcenie termiczne (Optical Path Difference, OPD). OPD można obliczyć jako: OPD = (dn/dT + α(n-1)) * ΔT * t, gdzie dn/dT to współczynnik termooptyczny, α to współczynnik rozszerzalności cieplnej, a t to grubość. To odkształcenie poważnie pogarsza jakość wiązki (zwiększa współczynnik M²).

3. ​​Nieliniowe efekty laserów ultrafast:​​ Próg uszkodzenia lasera femtosekundowego jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z szerokości impulsu (~√τ). Teoretycznie, powłoka z LIDT 40 J/cm² pod impulsem 10 ns miałaby LIDT około 0,4 J/cm² pod impulsem 100 fs (chociaż rzeczywisty mechanizm jest bardziej złożony, obejmując absorpcję wielofotonową).

​​

4. Kontrola jednorodności dla komponentów o dużej aperturze:​​ W przypadku podłoży o średnicach > 500 mm, zapewnienie jednorodności grubości powłoki w granicach ±0,1% stanowi ekstremalne wyzwanie dla rozmieszczenia źródeł rozpylania oraz jednorodności pól ciśnienia i temperatury w komorze próżniowej.

​​Powłoka laserów dużej mocy ewoluowała z sztuki w precyzyjną naukę o danych. Każdy punkt procentowy wzrostu odbicia, każde zmniejszenie strat absorpcyjnych o ppm i każdy przełom J/cm² w LIDT opiera się na głębokim zrozumieniu jego mechanizmów fizycznych, kontroli parametrów procesowych w nanoskali i ilościowej charakterystyce wskaźników wydajności. W przyszłości, gdy moc i energia lasera będą zmierzać w kierunku poziomu exawatt (EW), wymagania dotyczące technologii powlekania zbliżą się do absolutnych granic fizyki materiałowej, wymagając interdyscyplinarnych innowacji w celu zdefiniowania standardów dla następnej generacji parametrów technicznych.

Wnioski​​

ZMSH, z dziesięcioletnim doświadczeniem w sektorze materiałów optycznych, wykorzystuje dojrzały ​​system zintegrowanego handlu przemysłowego​​ jako swoją podstawową siłę. Firma specjalizuje się w precyzyjnym dostosowywaniu i przetwarzaniu wysokiej klasy materiałów półprzewodnikowych, w tym ​​szafiru o wysokiej czystości, węglika krzemu (SiC) i krzemionki topionej​​.

Posiadamy dogłębne zrozumienie ekstremalnych wymagań, jakie systemy laserów dużej mocy stawiają przed elementami optycznymi, szczególnie w zakresie ​​progu uszkodzenia indukowanego laserem (LIDT), stabilności termicznej i wydajności spektralnej​​. Ta wiedza pozwala nam na głęboką integrację właściwości materiałów z zaawansowanymi technologiami powlekania, takimi jak ​​rozpylanie wiązką jonów (IBS)​​, dostarczając kompleksowe rozwiązania pełnołańcuchowe dla naszych klientów — od wyboru podłoża i projektowania systemu powlekania po precyzyjną produkcję.

Nasze zaangażowanie zapewnia, że każdy komponent zachowuje niezawodną wydajność pod ekstremalnymi obciążeniami optycznymi, termicznymi i mechanicznymi, ostatecznie umożliwiając systemom laserowym przekraczanie granic mocy i stabilności.