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高功率光纤激光抗反射光学涂层

简介

高功率千瓦级光纤激光器用于各种宏观激光材料加工应用,特别是金属切割和焊接机。在此类应用中,使用诸如透镜、反射镜和窗口镜之类的各种光学元件将激光束传送到加工材料上。由于连续波 (CW) 光纤激光器的功率级超过 10 kW,且光束质量受衍射极限限制,光学元件涂层的吸收成为光学元件功率处理能力的主要限制之一。涂层吸收激光辐射后,会因热扩散导致光学元件温度升高,会导致光学涂层和光学元件遭到破坏的风险。另外,由于材料的吸收会产生大量的热量,从而改变玻璃的折射率,以不利的方式改变通过激光束的特性。为了避免此类影响,应使用吸收率极低的涂料和基材。

鉴于熔融石英的光学特性及其在光纤激光器典型 1 微米波长处的低吸收率,它成为了最常用的基材。光纤激光器的功率越高,就需要熔融石英的吸收率越低。

延长涂层的使用寿命是最终用户最大的需求,而这一点受到了吸收特性的限制。更换光学元件意味着切割机停机,可通过选择合适的光学元件来缩短停机时间。

本文中,我们回顾了 Ophir Optics 集团为制造高性能低吸收率的光纤激光器光学器件所使用的材料和涂层技术以及测量技术。

高功率激光光学材料和涂层技术

从吸收性能看,可将熔融石英分为两类:

1.吸收率为 1-2 ppm/cm 的熔融石英,例如 Corning 7980。

2.吸收率低于 1 ppm/cm 的熔融石英,例如 Suprasil 3001。

使用哪种类型的熔融石英取决于多种因素,包括应用、激光器功率、光学涂层和光学元件的价格,其中,光学元件的价格是批量生产中的关键因素。就此而言,需要强调的是,(b) 类熔融石英比 (a) 类熔融石英价格贵很多。

对于 (a) 类熔融石英,无论有无离子束辅助沉积 (IAD),电子束枪涂层的吸收水平均为 2-12 ppm。为了获得最佳效果,玻璃吸收应始终与涂层吸收相关联,因为光学元件的整体使用寿命受整体光学器件吸收的限制。(a) 类熔融石英的问题在于玻璃生产商无法保证任何特定的吸收水平,并且不同玻璃批次之间可能存在显著差异。因此,在涂覆之前测量光学元件的吸收率是生产过程中非常重要的一步。

低损耗光学涂层

对光学涂层的主要要求是损耗低。为此,除了要求低吸收率外,我们还要求基材的粗糙度要低,且抛光表面上的缺陷应尽可能少,而且增透膜 (AR) 的反射率也要低。

1. 低粗糙度注意事项

在 Ophir Optics,对于平面和球形抛光表面,光纤激光器的标准粗糙度小于1 nm,对于非球面抛光表面,粗糙度小于 5 nm。在生产过程中,须始终控制粗糙度。图1 表示平面抛光表面的测量。

图 1 平面抛光表面的粗糙度测量

大多数制造商手动执行光学元件清洁。但是,当光学元件数量很多时,自动清洁线非常有用。任何自动清洁过程都必须进行非常严格的控制,在涂覆之前对每个清洁过的表面执行最终的人工目视检查。必须手动清洁涂层的每一个表面,而不影响涂层表面。

2. 增透膜注意事项

很多论文都对如何获得吸收率或损耗均非常低的涂层进行了描述。方法包括电子束蒸馏(含或不含 IAD、离子束溅射 (IBS)、等离子体辅助反应磁控溅射(PARMS)、溶胶-凝胶法、原子层沉积、分子束外延 (MBE) 微晶涂层和增透膜微结构 (ARM)。

本节主要关注电子束枪蒸馏法以及蒸馏材料 HfO2、Ta2O5 和 SiO2。用于涂层的真空系统包括电子束枪、用于清洁和 IAD 的离子源、反应蒸馏、石英晶体和光学监控器,上下加热以及 Meissner 阱。涂层区域为 1000 级洁净室。清洁、检查和包装均在 100 级环境中进行。

最简单的增透膜为 V 型,其特征在于 "V" 形反射率曲线图,如图 2 中的红线所示。对于高折射率材料,这种类型的涂层厚度较薄,因此吸收率最低。值得注意的是,通常,在引入 1 微米光纤激光束之前,会使用红色(可见)瞄准光束指向加工区域,因此,在该光谱范围内,增透膜也必须具有较低反射率。图 2 中,蓝线显示该涂层(是较厚双层增透膜)的反射率。如果针对一种激光波长(介于 1030 nm 至 1070 nm 之间)优化了此类涂层,则可以确保在定义的波长下残留反射小于 0.1%。如果这些涂层用于 1030 至 1070 nm 范围内的所有波长,则可以确保在此光谱范围内的残留反射小于 0.2%。

图 2 以下涂层的反射率:红线 – V 型增透膜;蓝线 – 双层增透膜(含高折射率材料);绿线 –四层增透膜在 1020-1090 nm 光谱范围内,反射率低 (R < 0.1%)

除低吸收特性外,涂层还应具有低反射率特性。就此而言,有两个因素会增加反射率:(a) 曲面上的涂层厚度不完全均匀,导致光谱反射发生偏移,从而增加整体光学器件反射率;(b) 球形帽罩的不均匀性以及较宽的 AOI 范围都会增加反射率。因此,必须保证在较宽光谱范围内(特别是对于较长的波长)反射率较低。在此类情况下,我们设计了多层涂层,以确保 1030-1090 nm 光谱范围内的低反射率,如图 2 中的绿线所示。

随着激光器功率的增加,散射和反射光变得很重要,因为在光撞击切割头的内表面时,光会转化为热量。为使切割头不冷却,光学元件的吸收率更加重要。为保持较低反射率,元件表面的涂层必须良好均匀,并且涂层必须确保所有相关入射角的反射率都低。

对于高功率激光器 (>12 KW),我们生产的涂层在 1030-1140 nm 光谱范围内具有非常低的反射率 (R < 0.05%)。图 3 体现了这一反射率。

图 3 以下涂层的反射率:红线 – 在光谱范围 1030-1140nm 内,R < 0.05% 的多层增透膜;蓝线 –适用于光谱范围650nm-1030nm 的双层增透膜,含 Ta2O5 厚高反射率材料;绿线 – 适用于光谱范围 650nm-1030nm 的双层增透膜,含 HfO2 厚高反射率材料

下表 1 根据图 2 和图 3 总结了 1 微米高功率激光器的增透膜性能。

据我们所知,表中的吸收值是 IAD 技术可以达到的最佳值。离子束溅射 (IBS) 是实现较低吸收速率的唯一方法,但是涂层使用寿命几乎没有差异。在这种情况下,价格性能起主要作用。

表 1:1微米高功率光纤激光器增透膜对比

通过量热OQM 系统执行生产过程中的吸收质量控制。图 4 显示的是光电机械装置。热释电探测器在8-12 μm 的光谱范围内工作,测量上表面的表面温度(熔融石英在该光谱范围内完全吸收)。为准确表示吸收的整体效果,使用500 W CW 激光器在 1030 nm 处照射 3 分钟。

3. 吸收率测量控制每个光学元件的吸收率对于生产高功率光纤激光器增透膜至关重要— 包括控制涂层、抛光表面和玻璃(基板)的吸收率。对于每批生产的涂层,会测量其中几个样品的吸收率。

根据 OQM 测量数据计算绝对吸收存在很大问题,并且无法比较在不同形状或大小的样品上测得的数据。因此,也可以通过共光路干涉法 (CPI)  测量吸收率。使用此方法,可以测量绝对吸收,并将结果用于校准来自 OQM 的数据。

图 4 用于吸收测量的 OQM 光电机械装置示意图。

如上所述,玻璃制造商无法保证玻璃的任何特定吸收水平。此外,抛光过程也会影响吸收。因此,在涂覆涂层之前检查光学元件至关重要。以下数据中提到的每项测量均针对同一类型的光学元件:Corning7980 制成的直径 50 mm、厚度 5 mm 的窗镜。图 5(a) 和 5(c) 显示的是同一无涂层光学元件的吸收测量结果。图 5(b) 和 5(d) 显示的是涂覆 5011 涂层的同一光学元件的吸收测量结果。每个图中的最大值分别对应于有涂层或无涂层的元件的吸收值。

图 5(a) Corning 7980 制成的无涂层光学元件的 CPI 吸收测量
图 5(b) 两侧均涂覆 5011 涂层后光学元件的 CPI 吸收测量
图 5(c) Corning 7980 制成的无涂层光学元件的温度变化
图 5(d) 两侧均涂覆 5011 涂层后光学元件的温度变化

从用户角度来看,OQM 数据比 CPI 数据更有用,因为它提供了有关在高功率激光束照射过程中温度升高的直接信息。另一方面,OQM 数据的主要缺点在于其不提供绝对吸收值,这意味着无法直接比较不同尺寸样本的值。因此,需要针对每种类型的镜头/窗镜分别定义参考数据和公差。

制作低吸收率涂层的一个主要问题是批量涂层(整个帽罩上)中所有元件的层厚度和光学常数(n 和 k)的一致性,特别是当我们使用离子源时。必须选择蒸馏过程参数,以确保批次中有涂层的所有元件的吸收值变化最小。760 mm 腔室的整个帽罩吸收变化 15% 是可以接受的,但必须保持在要求的公差范围内。

结论

在 1.0–1.1 μm 光谱范围内运行的高功率光纤激光器被广泛用于工业宏观材料加工,并逐渐取代 CO2 激光器。将光束从激光器传递到加工材料的光学器件必须承受由于激光器的高功率而产生的高水平热应力。Ophir Optics 研发了各种各样的抗反射涂层,客户可以从中选择最佳的性能/成本比解决方案,用于其应用:

从低功率到高功率激光器:低吸收率、高电阻

残留反射低于0.2%-0.05%

从曲面的单波长到宽光谱范围

产量大,交货时间短

光学元件:窗口镜、球面和非球面透镜

通过以下方式严格控制生产过程,以使我们的产品质量达到最佳:

生产前基材吸收测试

抛光后粗糙度控制

生产后测试,包括光谱性能、吸收和耐用性

Ophir 光纤激光涂层广泛应用于各种应用,在 15kW 及更高功率的激光器中应用效果十分出色。

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