Minimieren Sie unerwünschtes Streulicht!

Um unerwünschte Lichttransmission in Lasersystemen zu vermeiden, werden häufig Strahlfallen hinter jeden dielektrischen Spiegel gestellt. Obwohl die Spiegel hochreflektierend sind, gelangt immer eine kleine Menge an Licht durch die Spiegelbeschichtung. Diese unerwünschte Transmission kann aus der Spiegelrückseite wieder austreten oder Geisterreflexion im Substrat erzeugen, was zu einer schlechteren Systemleistung und sogar zu Lasersicherheitsproblemen führen kann.

Die neuen transmissionsfreien Schwarz-Spiegel von Edmund Optics können die Notwendigkeit von Strahlfallen hinter Komponenten deutlich reduzieren. Bei den Spiegeln handelt es sich um neuartige optische Komponenten mit opaken, technisch veränderten Quarzglassubstraten, welche die Lichttransmission durch den Spiegel um mehrere Größenordnungen reduzieren, während die Reflexionseigenschaften des Spiegels zu mehr als 98% erhalten bleiben. Das Substrat selbst erscheint schwarz, aber die Hauptvorteile von Quarzglas bleiben bestehen. Der Einsatz von transmissionsfreien Schwarz-Spiegeln kann die Größe von optischen Systemen verringern und die Sicherheit durch die Vermeidung von Laserstreulicht erhöhen.

Was ist der Nachteil von herkömmlichen Spiegeln?

Die Mehrheit des einfallenden Laserlichts wird von der auf die passenden Wellenlängen optimierten dielektrischen Spiegelbeschichtung reflektiert, ein Teil wird aber immer auch transmittiert und gelangt durch die Beschichtung in das Substrat. Quarzglas und andere übliche Spiegelsubstrate transmittieren das Licht, welches auf der Rückseite wieder austreten oder Geisterreflexionen erzeugen kann, die Streulicht in das System bringen. Wellenlängen außerhalb vom Reflexionsband des Spiegels können ebenfalls durch den Spiegel passieren und so zu Systemrauschen und verringerter Systemleistung beitragen.

Was macht die Substrate der transmissionsfreien Schwarz-Spiegel so besonders?

Die transmissionsfreien Schwarz-Spiegel bestehen aus technisch verändertem Quarzglas, das die hohe Laserzerstörschwelle (LIDT) und die geringe thermische Ausdehnung von Quarzglas besitzt und zusätzlich unerwünschte Lichttransmission verhindert (Abbildung 1). Die opaken Substrate haben einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 0,55x10^-6/K und funktionieren im Grunde wie Neutraldichtefilter.

Abbildung 1: Das technisch veränderte Quarzglassubstrat der transmissionsfreien Schwarz-Spiegel behält die hohe Laserzerstörschwelle und den geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von herkömmlichem Quarzglas bei und bietet den zusätzlichen Vorteil der Absorption von unerwünschtem Licht, das andernfalls an der Spiegelrückseite wieder austreten würde.

Transmissionsfreie Schwarz-Spiegel: Blockung unerwünschter Transmission

Abbildung 2 verdeutlicht sehr schön die bessere Lichtblockung der transmissionsfreien Schwarz-Spiegel mit technisch verändertem Quarzglassubstrat. Es müssen keine Strahlfallen hinter dem Spiegel positioniert werden, sodass Systemkosten, -gewicht und -größe reduziert werden.

Abbildung 2: Aus der Rückseite eines herkömmlichen dielektrischen Spiegels mit Quarzglassubstrat tritt Laserlicht aus (oben), während beim transmissionsfreien Schwarz-Spiegel mit der gleichen Dicke und Beschichtung sowie dem gleichen Durchmesser das Austreten von Licht verhindert wird (unten).

Leistungstest der transmissionsfreien Schwarz-Spiegel

Um die Leistung der transmissionsfreien Schwarz-Spiegel bewerten zu können, wurde ein Rohling des technisch veränderten Quarzglases mit 25 mm Durchmesser und 5 mm Dicke an einer Seite geschnitten und poliert. Bei der Transmissionsbestimmung des Materials wurde ein diodengepumpter Festkörperlaser mit kontinuierlichem Strahl bei 532 nm und 500 mW Ausgangsleistung sowie eine siliziumbasierte Fotodiode, die Leistungen bis 500 nW bei 10 nW Auflösung messen kann, eingesetzt. Es wurde kein Signal detektiert, was bedeutet, dass die Transmission <500 nW ist und die optische Dichte demnach bei >7 liegt.

Der Rohling wurde dann dünner geschliffen auf 4 mm, 3 mm und schließlich auf 2 mm, ohne dass eine Transmission aufgezeichnet werden konnte. Auch der Einsatz eines Lock-in-Verstärkers, der optische Dichten bis 9 aufzeichnen kann, zeigte bei dem Rohling mit 2 mm Dicke keine Transmission im sichtbaren Bereich.

Als nächstes wurden der Laser und die Fotodiode eingesetzt, um einen transmissionsfreien Schwarz-Spiegel mit einem herkömmlichen Quarzglassubstrat zu vergleichen. Beide Spiegel haben einen Durchmesser von 25 mm, eine Dicke von 5 mm und die gleiche hochreflektierende dielektrische Beschichtung für 532 nm. Der Laser wurde auf 137 mW abgeschwächt und unter 45° auf den Spiegel gelenkt, wie in Abbildung 2 gezeigt. Mit der Fotodiode wurden Messungen sowohl vor als auch hinter den Spiegeln durchgeführt, um die Reflexion und Transmission zu bestimmen. Abbildungen 3 und 4 zeigen die Daten von zwei verschiedenen transmissionsfreien Schwarz-Spiegeln und zwei herkömmlichen Quarzglasspiegeln, die alle jeweils 5x vermessen wurden.

Abbildung 3: Der Unterschied bei der Reflexion von transmissionsfreien Schwarz-Spiegeln und herkömmlichen dielektrischen Spiegeln ist minimal.

Abbildung 4: Die transmissionsfreien Schwarz-Spiegel hatten deutlich höhere optische Dichten als herkömmliche Spiegel.

Die reflektierte Intensität wurde bei jeder Optik in einem Zeitfenster von 5 Minuten in der Nähe des Spiegels bei 12,7 mm Entfernung und in der Ferne bei 304,8 mm Entfernung gemessen. Durchschnittlich reflektierten die transmissionsfreien Schwarz-Spiegel 118,2 mW des einfallenden Lichts bei der größeren Entfernung, was 98,7% der Reflexionsleistung der herkömmlichen Quarzglasspiegel (119,6 mW) entspricht. So können in den meisten Systemen transmissionsfreie Schwarz-Spiegel herkömmliche Quarzglasspiegel ohne bemerkbare Veränderungen in der Reflexion ersetzen.

Die Transmission wurde in 304,8 mm Entfernung hinter der Optik auf der Achse des einfallenden Strahls gemessen. Die herkömmlichen Quarzglasspiegel transmittierten >84 µW des Lichts, während die transmissionsfreien Schwarz-Spiegel bei dieser Quelle keine messbare Transmission hatten und unterhalb der Fotodiodenschwelle von 500 nW transmittierten.