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发表于 2008-5-9 10:00:54 |显示全部楼层
转:《如何为工业CO2激光器选择合适的镜片》

拥有镜片特性的知识,结合对有关反射率和偏振标准的了解,可以帮助我们更好地选择镜片。

为了正确地购买工业CO2激光反射镜片,你必须了解反射镜片在你的激光系统里是如何工作的。在一个典型的激光系统里,可能只有一到两个透射式光学元件,通常是用来作为激光腔的输出镜和末端的聚焦透镜。另一方面,在一些高功率CO2激光系统中,可能会有五个或更多反射式光学元件。反射式光学元件作为尾镜和折反镜用于激光腔内,以及光束传输系统中的光束转向。

选择了错误的反射镜片会对激光系统的应用带来诸多不利因素。激光功率的降低、光束模式不稳定、光束发散角的增大以及激光束的热变形还仅仅是可能产生的问题的一部分。这意味着更低的效率,或者不合格的切割、热处理或焊接。

在过去的20年里,可用的反射镜片镀膜的数量已急剧增长。激光系统设计者需要了解这些反射镜片基底和镀膜的特性,以便选择一种反射镜片,以最低的成本达到预期的激光能量和偏振特性。

文中,我们将探讨CO2激光反射镜片主要元件的特性:基底和薄膜镀层。同样,我们可以看出如何正确的选择基底和镀膜,在激光腔内应用和光束传输系统中都是很关键的。

关键的基底参数
对于高功率激光系统中反射镜片基底的选择基于几个关键因素。设计者必须考虑基底的热属性、物理特性及反射镜片的成本。在过去几十年间,激光功率得到了提升,在自然选择的过程中,候选基底材料的范围变窄了。那些价格较高特性较差的材料已经让位给价格较低、属性较好的材料。

当前,应用最广的反射镜片基底材料是硅,其次是铜。比如钼和镍金铜这样的材料,需要他们独特属性的时候有时会用来作为反射镜片使用。透射式材料也会被使用,当设计者需要少量的激光“池漏”,穿过反射镜片到达检测器来监测激光功率。

基底热属性对于反射镜片来说是重要的选择标准。机械属性和成本也是设计者在选择基底材料时要考虑的重要因素。表一列举了硅和铜的热属性和机械属性。
反射镜片镀膜吸收了激光使反射镜片温度上升。基底必须扮演散热片的作用,以免使反射镜片和激光束发生形变。具有高热导性的反射镜片由于吸收降低了热量。低线性膨胀系数可以确保反射镜片的形变降到最低。铜的热导性是硅的2.5倍,但这被他们各自的线性膨胀系数所抵消;铜的膨胀系数是硅的6.5倍。总之,硅的热稳定性比铜高,从而产生较小的热变形。
安装不当引起的表面形变也是光学工程师主要关注的问题。基底材料的物理特性决定了在保证反射镜片不发生形变时基底必须多厚,以及可以承受多大的安装压力。通过比较硅和铜的物理特性显示,硅在较高杨氏模量上的微弱优势被其较低的泊松比所抵消。同样厚度的硅反射镜片和铜反射镜片由于安装压力所引起的偏差基本一致。
其它的关键参数是硬度和质量密度。用作基底的铜是纯的、纹理细密和多晶的无氧铜。它很柔软,有延展性,很难用传统工艺抛光。所以,单点金刚石车削广泛应用于加工铜反射镜。在处理和安装铜反射镜时需要特别小心,因为它很容易刮伤或变形。最后一点,因为硅原材料更加便宜且易于抛光,成品铜反射镜片一般比硅反射镜片要贵。

这样看起来应该用硅来取代铜,其实铜有胜过硅的地方。因为很容易在铜上钻孔,所以铜反射镜通常都会在基底上留有水冷却和安装孔,而硅基则不太容易这样做。同样,当硅反射镜片由于膜层上污垢的过度吸收热量而损坏,所吸收的激光能量将引起反射镜片的炸裂或烧毁。这种损坏将导致额外的停产,因为光束传输系统和激光腔的环境需要特别的清洁。而铜,因为其高热导性和高熔点,从来不产生炸裂或烧毁。

反射镜片镀膜
无论使用何种基底材料,在红外区域,尤其在10.6μm,所有标准反射镜片的镀膜都具有某种共性。在讨论红外反射镜片特定的镀膜之前,我们首先来看一下最简单的反射镜片——抛光未镀膜的金属基底。

最普遍的未镀膜金属反射镜片的基底是铜,接下来是钼。使用未镀膜的金属作为反射镜片有几点好处:低成本、无需担心膜层因时间过长而性能下降以及从不同厂家供货所带来的不一致性问题。未镀膜金属的反射率理论上是由波长决定的,并且只要在使用过程中基底未受污染,反射率不发生变化。

使用未镀膜的金属作为反射镜片的主要缺陷是反射率比多层介电膜层要低。比如,未镀膜的铜在10.6μm波长大约有98.8%的反射率。典型的反射镜片介电膜层的反射率是99.6%或者更高。较低的反射率和较高的吸收使未镀膜的金属反射镜引起镜片和激光光束的热变形。由于高反射率和低热变形在激光系统中至关重要,所以近年来未镀膜的铜和钼不常使用。未镀膜的铜的另外一个缺陷就是它的柔软性:未镀膜的铜不擦拭是不能有效清洗的。同样,时间过长裸铜会发生化学反应,在其表面形成氧化物和其他化合物,从而降低性能。

其他在红外区域广泛用作反射镜片的未镀膜的金属还有金和银。用固体的金或银作为反射镜片是不切实际的(更何况他们本身极其昂贵)。相反,这种稀有金属通常用作其他基底的真空镀膜或电镀膜。他们固有的反射率高于铜或钼:在10.6μm波长处,典型地,金的反射率是99.0%,银的反射率是99.2%。然而,他们具有相同的弱点,比如和其它金属相比,它们更具柔软性。银的化学活性会导致表面化合物的生成,比如硫化物和氯化物。这些化合物会导致反射镜片性能下降,从而引起银膜层从基底脱落。

用户需要更高性能的、易于清洁的、或者和未镀膜的反射境片相比具有更低化学活性的镜片,那么他们必须指定一种多层的介电膜层反射镜片。金属反射镜片介电膜层始于一层铬合金蒸发层,其作为下一层膜层的粘合剂。铬合金还可以防止后面的膜层扩散到基底。接下来,金或者银就被镀在铬合金上。在这一点上,镀膜的基底仅仅是一个金属反射镜而已。现在金属薄膜由一些有着高低不同系数的介电材料的交互层所覆盖。这些介电层在性能方面较未镀膜的金属有着更多的优点。具有合适厚度的膜层可以加强未镀膜金属的反射率,并使镜片更具抗划伤性。

在基底金属上镀介电膜层在数量和厚度上变化很大;每种镀膜在10.6μm处有着特定的反射率。表2显示一些常用的反射镜片镀膜在10.6μm处的反射率。

当前,最普遍的反射镜基底是硅,其次是铜
总体上,反射镜片膜层的反射率与介电膜层的数量有着直接关系。因此,一种反射率达99.8的SSES(最高反射率的银镀膜层)反射镜要比反射率为99.6%的ES(增强银)拥有更多的介电层。反射镜的成本同样与介电层数量有着直接关系。这意味着高反射率的反射镜片成本更高。在众多因素中,反射镜片成本很大程度上取决于定购数量、规格尺寸、基底材料及面型曲率。
选择内腔激光反射镜片
激光腔内反射镜片的主要目的是在腔内形成光反射,以形成受激发射。在一些激光器中,把内腔折反镜安置在激光束以入射角为45度的位置可使光束偏振。在这两种情况中,对使用者来说非常关键的是,选择一种反射镜片以确保激光在其最合适的能级产生能量,并达到预期的偏振。
在高功率CO2激光器中,普遍采用横向激光腔设计,使用转镜在活跃的激光介质中多次反射光束。尾镜组合由一个45度入射角的折反镜和一个正常入射角的反射镜片组成,通常可以围绕入射光轴旋转。
因为尾镜位于激光束的正常入射位置,这种反射镜片可以达到最大的反射率,并通过两种方式改善了激光器性能:减少了腔内光损耗和热变形。通过增大反射率来减少光损耗是显而易见的,但减少热变形就不那么明显了。没有被反射镜反射的那部分激光被膜层吸收了。较高反射率和较低吸收就意味着镜片和激光束较少的热变形。尽管裸铜镜有时也会在激光腔内使用,但大多数激光制造商选择镀增强型的介电膜镜片,如ES(增强银)和SES(超增强银)膜。
除了控制激光束的方向,45度折反镜还可以设定激光束的偏振。大多数折反镜能够设定偏振是因为他们反射S偏振比P偏振更有效。如表2所示,增强银膜可以反射99.8%的S偏振(垂直的)光,只能反射99.4%的P偏振(平行的)光。P偏振光额外的0.4%的损耗通常足以使激光以平面偏振方向垂直于镜片反射平面的方向入射。

有时,镀标准介电膜层折反镜不会设定激光腔的偏振。图中的转镜列举了这种类型的折反镜。他们不会影响到偏振,是因为他们被置于接近正常入射的位置。在入射角很小的情况下,S偏振光和P偏振光的反射率几乎没什么差别。

如果使用标准反射镜片不产生平面偏振光,那么在非金属(如锗)基底镀特殊的介电膜层是可行的。具有这种特殊镀膜的非金属反射镜的S光反射率为99.5%,P光反射率则少于90%。在上例中,P偏振光的额外损耗足以设定激光束的偏振。

另一种特殊的激光腔反射镜是透射式尾镜。一些激光腔设计需要大约0.5%的透射通过尾镜到达功率计来监测内腔激光功率。这种反射镜通常用锗、硒化锌或者砷化镓作为基底。

光束传输应用
光束传输系统必须引导一束激光从激光腔到工件,功率损耗最小,只有微小甚至没有模式变形。镜片还必须保持正确的光束偏振。这些光束传输系统可以简单到只有一个镜片,也可以复杂到一个五轴系统。无论光束传输系统的大小和复杂性如何,激光用户必须考虑两个重要的特性:光束偏振质量和系统的总输出能量。
通常,一个激光系统需要一个特定的偏振以保持最佳切割或钻孔性能。如果是这种情况,镜片在工件上的使用必须保持(或产生)所需的偏振。例如在多轴光束传输系统中有很多镜片,保持正确的偏振甚至比获得这种偏振还要困难。可利用那种可以反射激光束而实质上不会改变偏振的反射镜片。

如果在工件上所需要的偏振和由激光自然产生的偏振是不同的,可以用一块园偏振镜。这种镜片可以将线偏振光转化为圆偏振光。对于这种镜片,反射率有微小的降低,但切割的一致性和质量的提高足以弥补了不足。

选择镜片另外一个重要的考虑因素是激光光束传输系统的总输出能量。任何一个激光传输系统的总输出能量都可以将系统内所有反射镜片的反射率相乘来得出。比如,一个系统由四个反射镜片组成,每个镜片的反射率是99.6%,则总输出能量为(0.996)4×100% = 98.4%。

大多数激光用户事先都知道工件上获得最佳的速度和质量所需的最小功率。如果知道所需功率水平,用户可以计算出在光束传输系统中反射镜片的最小反射率。如果功率水平未知,安全起见,用户最好指定较高反射率的镜片。另外,选择高反射率的镜片还可以抵销因时间过长而带来的性能降低。在购买镜片时,用户必须衡量镜片更长的使用寿命,以免增加成本。

作为在任何光束传输系统中使用的反射镜片,它们的反射率会随着时间过长,由于其表面的污垢和变质而下降。较低的反射率会带来更高的吸收,导致反射镜片表面过热和变形。这种变形在最后的聚焦透镜和工件上导致变了形的光束尺寸和形状。为了延长光束传输反射镜片的使用寿命,同时将热变形降到最低,用户应该定期清洗反射镜片。

为了计算光束传输系统的总输出能量,用户必须知道每块反射镜片的反射率,不在于正常入射角,而在于每块反射镜片使用时光束的精确入射角和偏振方向。因为反射镜片对S偏振光的反射要高于P偏振光,所以每块反射镜片上的光束偏振对于整个系统的总输出能量有着重大影响。
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