RU2097802C1

RU2097802C1 - Interference mirror

Info

Publication number: RU2097802C1
Application number: RU95100833A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Глебов
Original assignee: Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам РАН
Priority date: 1995-01-19
Filing date: 1995-01-19
Publication date: 1997-11-27
Also published as: RU95100833A

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: interference mirror has optically polished substrate with metal-dielectric reflecting coating applied on it. Layer of highly reflecting metal is 0.03- 0.06 mcm thick, while substrate and adhesive passivating layers are made of optically transparent material. Layer of highly reflecting metal may be made of silver, gold, copper or aluminium. EFFECT: more effective design. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технологии оптических покрытий, и может быть использовано для изготовления высокоотражающих зеркал с гарантированно малым значением коэффициента пропускания для измерительных систем, преимущественно в ИК лазерной технике. The invention relates to optical instrumentation, in particular to the technology of optical coatings, and can be used for the manufacture of highly reflective mirrors with a guaranteed low transmittance for measuring systems, mainly in IR laser technology.

Интерференционные покрытия нашли широкое применение в оптическом приборостроении, в том числе в лазерной технике, в частности в технологических лазерах. В системе измерения мощности излучения технологических лазеров часто используется "заднее" резонаторное зеркало, имеющее высокий коэффициент отражения и малое значение коэффициента пропускания. При этом о выходной мощности излучения лазера судят по небольшой его части, выводимой через "заднее" резонаторное зеркало и измеряемой с помощью приемника излучения. Interference coatings are widely used in optical instrumentation, including laser technology, in particular in technological lasers. In the system for measuring the radiation power of technological lasers, a “back” resonator mirror is often used, which has a high reflection coefficient and a low transmittance. In this case, the output power of the laser radiation is judged by a small part of it, output through the "back" resonator mirror and measured using a radiation receiver.

Характерными требованиями для таких резонаторных зеркал являются высокий коэффициент отражения, не менее 99% обусловленный минимально возможными потерями в резонаторе, и гарантированное значение коэффициента пропускания до 0,5% обусловленного необходимостью вывода определенной небольшой части излучения из резонатора. В последнем случае зеркало выполняет роль ослабителя мощного излучения для приемника излучения. Необходимым требованием для таких зеркал являются минимальные потери на рассеяние и поглощение. Typical requirements for such resonator mirrors are a high reflection coefficient, not less than 99%, due to the minimum possible losses in the resonator, and a guaranteed transmittance of up to 0.5%, due to the need to remove a certain small part of the radiation from the resonator. In the latter case, the mirror acts as a powerful radiation attenuator for the radiation receiver. A necessary requirement for such mirrors is minimal scattering and absorption losses.

Традиционно такие зеркала представляют собой оптически отполированную подложку из прозрачного на рабочей длине волны материала, на которую нанесено многослойное интерференционное зеркальное покрытие вида П(НВ)^п, где П - подложка, Н и В чередующиеся, как правило четвертьволновые, интерференционные слои, имеющие низкий и высокий значения показателя преломления соответственно, п -число пар интерференционных слоев. Так, например, ИК резонаторное заднее зеркало на подложке из германия имеет 14 16 интерференционных слоев из фторида тория (ThF₄) и селенида цинка (ZnSe), имеющих показатели преломления 1,35 и 2,4 соответственно, что характерно для оптических фирм США. В другом случае интерференционное зеркальное покрытие состоит из 10 12 слоев селенида цинка и германия, имеющего показатель преломления 4,0.Traditionally, such mirrors are an optically polished substrate made of a material transparent at the working wavelength, on which a multilayer interference mirror coating of the form P (HB) ^p is applied, where P is the substrate, H and B are alternating, usually quarter-wave, interference layers having a low and high values of the refractive index, respectively, n is the number of pairs of interference layers. For example, an IR resonator rear mirror on a germanium substrate has 14 16 interference layers of thorium fluoride (ThF ₄ ) and zinc selenide (ZnSe), having refractive indices of 1.35 and 2.4, respectively, which is typical for U.S. optical companies. In another case, the interference mirror coating consists of 10 12 layers of zinc selenide and germanium having a refractive index of 4.0.

Основными недостатками таких традиционных решений зеркал, особенно для ИК области излучения, являются сравнительно высокая трудоемкость из-за большого числа слоев и повышенные потери на рассеяние и поглощение, которые в последнем аналоге могут достигать 1%
Известно техническое решение (прототип) высокоотражающего зеркала, преимущественно для ИК области излучения, в котором на оптически отполированную подложку нанесено отражающее покрытие вида П А₁ Me A₂ (НВ)^п, где П подложка из полированного металла, А₁ и А₂ адгезионно-пассивирующие слои из хрома и ZnSe соответственно, Me - отражающий слой из серебра толщиной 0,1 0,15 мкм, Н и В интерференционные четвертьволновые слои из ThF₄ и ZnSe соответственно в количестве от двух до трех пар. Для таких зеркал достигается высокое значение коэффициента отражения до 99,5 99,8% в том числе на длине волны 10,6 мкм, что необходимо для технологических CO₂-лазеров.The main disadvantages of such traditional mirror solutions, especially for the IR radiation region, are the relatively high complexity due to the large number of layers and increased scattering and absorption losses, which in the last analogue can reach 1%
A technical solution (prototype) of a highly reflective mirror is known, mainly for the IR radiation region, in which a reflective coating of the form P A ₁ Me A ₂ (HB) ^{p is} applied to an optically polished substrate, where P is a substrate of polished metal, A ₁ and A _{2 are} adhesive passivating layers of chromium and ZnSe, respectively, Me is a reflecting layer of silver 0.1 0.15 μm thick, H and B are quarter-wave interference layers of ThF ₄ and ZnSe, respectively, in an amount of from two to three pairs. For such mirrors, a high reflection coefficient of up to 99.5 99.8% is achieved, including at a wavelength of 10.6 μm, which is necessary for technological CO ₂ lasers.

Основным недостатком прототипа применительно для "заднего" резонаторного зеркала является его непрозрачность. The main disadvantage of the prototype in relation to the "rear" resonator mirror is its opacity.

Целью предлагаемого изобретения является получение гарантированного малого значения коэффициента пропускания при высоком значении коэффициента отражения, не менее 99,0%
Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции металлодиэлектрического зеркала подложка и адгезионно-пассивирующие слои выполнены из оптически прозрачного на рабочей длине волны материала, а слой из высокоотражающего металла, например серебра, золота, меди, алюминия, имеет толщину от 0,03 до 0,06 мкм.The aim of the invention is to obtain a guaranteed small value of the transmittance at a high reflection coefficient, not less than 99.0%
This goal is achieved by the fact that in the known design of a metal-dielectric mirror, the substrate and adhesive-passivating layers are made of optically transparent material at the working wavelength, and the layer of highly reflective metal, for example silver, gold, copper, aluminum, has a thickness of 0.03 to 0 , 06 μm.

Предлагаемое техническое решение имеет следующие существенные признаки новизны. Первый признак подложка и адгезионно-пассивирующие слои выполнены из оптически прозрачного материала. Это обусловлено необходимостью получения гарантированного коэффициента пропускания. Выбор материала подложки в соответствии с этим требованием осуществляется, например, по справочнику. Адгезионно-пассивирующие слои толщиной от 0,05 до 0,2 мкм кроме основного назначения улучшения сцепления металлического слоя с подложкой и усиливающими интерференционными слоями также выполняют роль диффузионного барьера для стабилизации структуры металлического слоя и сохранения его оптикофизических характеристик. Для оценки правильности выбора материала адгезионно-пассивирующих слоев удобно пользоваться допустимой величиной поглощения на рабочей длине волны не более 0,1% Как показали наши исследования, в области излучения 1,0 11,0 мкм такими свойствами обладают, например, слои окиси кремния (SiO₂), получаемые ВЧ-катодной технологией в едином технологическом процессе со слоем из высокоотражающего металла.The proposed technical solution has the following significant features of novelty. The first sign of the substrate and adhesive-passivating layers are made of optically transparent material. This is due to the need to obtain a guaranteed transmittance. The choice of substrate material in accordance with this requirement is carried out, for example, by reference. Adhesion-passivating layers with a thickness of 0.05 to 0.2 μm, in addition to the main purpose of improving the adhesion of the metal layer to the substrate and the reinforcing interference layers, also serve as a diffusion barrier to stabilize the structure of the metal layer and preserve its optical and physical characteristics. To assess the correct choice of material for adhesive-passivating layers, it is convenient to use an allowable absorption value at a working wavelength of not more than 0.1%. As our studies have shown, in the radiation region of 1.0 to 11.0 μm, for example, silicon oxide layers (SiO ₂ ) obtained by high-frequency cathode technology in a single technological process with a layer of highly reflective metal.

Второй признак слой из высокоотражающего металла имеет толщину от 0,03 до 0,06 мкм. Применительно к данному типу зеркал целесообразно считать высокоотражающими те металлы, которые при толщине слоя не менее 0,1 мкм имеют на рабочей длине волны коэффициент отражения не менее 99% например, серебро в области длиннее 0,75 мкм, золото длиннее 1,5 мкм, медь длиннее 10 мкм и алюминий длиннее 20,0 мкм. Широко известно применение этих материалов в качестве широкополосных зеркальных покрытий, в этом случае толщина слоя выбирается не менее 0,1 мкм и коэффициент пропускания равен нулю. Известно также применение слоев из высокоотражающих металлов в составе металлодиэлектрических фильтров, где толщина слоя выбирается из условия обеспечения коэффициента пропускания несколько процентов. Известно также применение слоев из алюминия в качестве выходных зеркальных покрытий для эксимерных лазеров на длине волны 172,5 нм. При этом толщина алюминиевого слоя составляла 0,021 мкм, что обеспечивало коэффициент отражения 73% и коэффициент пропускания 3,0% Как можно видеть, последний пример не реализует высокие значения коэффициента отражения. Наши исследования показали, что слои высокоотражающих металлов, например меди, полученных катодной-магнетронной технологией, при коэффициенте пропускания (0,1 -0,2)% имели достаточно высокий коэффициент отражения (98,0 98,8)% на длине волны 10,6 мкм, чему соответствовала толщина слоя от 0,04 до 0,03 мкм соответственно. В патентной и научно-технической литературе применение частично прозрачных слоев из высокоотражающих металлов в составе высокоотражающих зеркал с гарантированным малым значением коэффициента пропускания не обнаружено. The second feature is a highly reflective metal layer with a thickness of 0.03 to 0.06 microns. In relation to this type of mirrors, it is advisable to consider highly reflective those metals that, at a layer thickness of at least 0.1 μm, have a reflection coefficient of at least 99% at a working wavelength, for example, silver in the region longer than 0.75 μm, gold longer than 1.5 μm, copper is longer than 10 microns and aluminum is longer than 20.0 microns. It is widely known the use of these materials as broadband mirror coatings, in this case, the layer thickness is selected at least 0.1 μm and the transmittance is zero. It is also known the use of layers of highly reflective metals in the composition of metal-dielectric filters, where the layer thickness is selected from the condition of ensuring a transmittance of several percent. It is also known to use aluminum layers as output mirror coatings for excimer lasers at a wavelength of 172.5 nm. The thickness of the aluminum layer was 0.021 μm, which provided a reflection coefficient of 73% and a transmittance of 3.0%. As you can see, the last example does not realize high values of reflection coefficient. Our studies showed that layers of highly reflective metals, for example, copper, obtained by cathode-magnetron technology, at a transmittance (0.1 -0.2)% had a fairly high reflection coefficient (98.0 98.8)% at a wavelength of 10, 6 μm, which corresponds to a layer thickness of 0.04 to 0.03 μm, respectively. In the patent and scientific and technical literature, the use of partially transparent layers of highly reflective metals as part of highly reflective mirrors with a guaranteed low transmittance was not found.

На чертеже условно в сечении показана конструкция предложенного высокоотражающего зеркала, где: 1 подложка из оптически прозрачного материала, 3 частично прозрачный слой из высокоотражающего металла, который с обеих сторон обрамлен адгезионно-пассивирующими слоями 2 и 4, поверх последнего нанесены усиливающие отражение интерференционные слои 5. Излучение направляется на зеркало со стороны интерференционных слоев, при этом не менее 99,0% энергии отражается и не менее 0,05% проходит через зеркало и поступает на приемник излучения. In the drawing, a sectional view shows the construction of the proposed highly reflective mirror, where: 1 a substrate of optically transparent material, 3 a partially transparent layer of highly reflective metal, which is framed on both sides by adhesive-passivating layers 2 and 4, reflection-enhancing interference layers 5 are applied on top of the latter. The radiation is directed to the mirror from the side of the interference layers, while at least 99.0% of the energy is reflected and at least 0.05% passes through the mirror and enters the radiation receiver.

Предлагаемое зеркало реализуется следующим образом. The proposed mirror is implemented as follows.

Исходя из рабочей длины волны, выбирают материал подложки, например германий для длины волны 10,6 мкм, или оптическое стекло типа К-8 для длины волны 1,06 мкм. Подложки полируют с параметром шероховатости R_z≅0,05 мкм по ГОСТ 11141-84 и в соответствии с требованием чертежа к форме поверхности. Затем методом катодного распыления в едином технологическом цикле наносят последовательно адгезионно-пассивирующий слой, затем частично прозрачный слой из высокоотражающего металла, например серебра, а затем снова адгезионно-пассивирующий слой, например из окиси кремния толщиной от 0,05 до 0,2 мкм. Толщина частично прозрачного слоя из высокоотражающего металла выбирается в диапазоне от 0,03 до 0,06 мкм по величине коэффициента отражения, который должен быть не менее 98% и коэффициента пропускания не менее 0,1% вместе с подложкой и пассивирующими слоями. При этом критерием правильности выбора материала и толщины адгезионно-пассивирующих слоев является допустимое поглощение не более 0,1% Далее любой вакуумной технологией наносят усиливающие отражение интерференционные слои общим видом (НВ)^п, где Н и В - интерференционные, в основном четвертьволновые, на рабочей длине волны слои с низким и высоким значениями показателя преломления, п число пар таких слоев (не менее одной). Необходимо отметить, что суммарная оптическая толщина адгезионно-пассивирующего слоя А₂ и ближайшего к нему слоя с низким значением показателя преломления должна быть равной четверти рабочей длины волны. Для рабочей длины волны 1,06 мкм в качестве слоя с низким значением показателя преломления зарекомендовал SiO₂, а с высоким значением показателя преломления тугоплавкие окислы циркония, гафния, титана и др. Для рабочей длины волны 10,6 мкм в качестве усиливающих интерференционных слоев используются материалы ThF₄ и ZnSe (по опыту фирм США) или ZnSe и Ge, или по нашему опыту материалы ZnSe и теллурид германия (GeTe) с показателем преломления n 3,7. Принцип выбора числа пар интерференционных слоев таков, чтобы при минимальном их числе получить коэффициент отражения более 99% [7] В частности, для материалов ZnSe и GeTe достаточно одной пары интерференционных четвертьволновых слоев, чтобы получить ρ_10,6 ≥ 99,0 и τ_10,6 ≥ 0,05%.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующим примером. Нами были изготовлены высокоотражающие резонаторные "задние" зеркала с гарантированным малым значением коэффициента пропускания для технологического CO₂-лазера типа ТЛ-1,5. выпускаемого в НИЦ ТЛ РАН. Условно конструкция такого зеркала может быть записана так: П SiO₂CuSiO₂ZnSeGeTe, где П подложка из германия, Cu частично прозрачный слой меди толщиной 0,03 0,04 мкм, нанесенный катодной-магнетронной технологией, причем точное значение толщины этого слоя определялось по оптическим характеристикам ρ_10,6 ≥ 98% и τ_10,6 ≥ 0,1%, SiO₂ адгезионно-пассивирующие слои толщиной 0,15 -0,2 мкм наносились ВЧ-катодной технологией в едином технологическом процессе с медным слоем и удовлетворяли критерию допустимого поглощения не более 0,1% Затем электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме были нанесены усиливающие коэффициент отражения четвертьволновые на 10,6 мкм интерференционные слои: сначала ZnSe, а затем GeTe. В результате были достигнуты следующие характеристики зеркал: ρ_10,6 ≥ 99,3-99,5% и τ_10,6 = 0,05-0,1%. Такие зеркала успешно эксплуатируются в составе резонаторов технологических лазеров типа ТЛ-1,5 при плотности мощности до 1,0 кВт/см² при выходной мощности лазера до 1,5 кВт, обеспечивая функционирование встроенной системы измерения средней мощности аналогичной.Based on the operating wavelength, a substrate material is selected, for example germanium for a wavelength of 10.6 μm, or optical glass of the K-8 type for a wavelength of 1.06 μm. The substrates are polished with a roughness parameter R _z ≅ 0.05 μm according to GOST 11141-84 and in accordance with the requirement of the drawing for the surface shape. Then, by cathodic sputtering in a single technological cycle, an adhesive-passivating layer is applied sequentially, then a partially transparent layer of highly reflective metal, for example silver, and then again an adhesive-passivating layer, for example, silicon oxide from 0.05 to 0.2 μm thick. The thickness of the partially transparent layer of highly reflective metal is selected in the range from 0.03 to 0.06 μm in terms of reflectance, which should be at least 98% and transmittance at least 0.1% together with the substrate and passivating layers. In this case, the criterion for the correct choice of material and the thickness of the adhesive-passivating layers is the permissible absorption of not more than 0.1%. Then, using vacuum technology, reflection-enhancing general layers (HB) ⁿ are applied, where H and B are interference, mainly quarter-wave, at the working wavelength layers with low and high values of the refractive index, n is the number of pairs of such layers (at least one). It should be noted that the total optical thickness of the adhesive-passivating layer A ₂ and the layer closest to it with a low refractive index should be equal to a quarter of the working wavelength. For a working wavelength of 1.06 μm, SiO _{2 was} recommended as a layer with a low refractive index, and refractory oxides of zirconium, hafnium, titanium and others with a high value of the refractive index. For a working wavelength of 10.6 μm, reinforcing interference layers are used materials ThF ₄ and ZnSe (according to the experience of US companies) or ZnSe and Ge, or in our experience ZnSe materials and germanium telluride (GeTe) with a refractive index of n 3.7. The principle of choosing the number of pairs of interference layers is such that, with a minimum number of them, a reflection coefficient of more than 99% is obtained [7] In particular, for ZnSe and GeTe materials, one pair of quarter-wave interference layers is sufficient to obtain ρ _10.6 ≥ 99.0 and τ _{10 , 6} ≥ 0.05%.
The proposed technical solution is illustrated by the following example. We have manufactured highly reflective resonator “rear” mirrors with a guaranteed low transmittance for a technological TL-1.5 CO ₂ laser. produced at the Research Center of the Russian Academy of Sciences. Conventionally, the design of such a mirror can be written as follows: P SiO ₂ CuSiO ₂ ZnSeGeTe, where P is a germanium substrate, Cu is a partially transparent copper layer 0.03 0.04 μm thick deposited by cathode-magnetron technology, and the exact thickness of this layer was determined by optical characteristics ρ _10.6 ≥ 98% and τ _10.6 ≥ 0.1%, SiO ₂ adhesive-passivating layers 0.15 -0.2 μm thick were deposited by high-frequency cathode technology in a single technological process with a copper layer and met the criterion allowable absorption of not more than 0.1% then electron beam evaporation and condensation in vacuo deposited 10.6 μm quarter-wave interference-enhancing reflection layers: first ZnSe and then GeTe. As a result, the following mirror characteristics were achieved: ρ _10.6 ≥ 99.3-99.5% and τ _10.6 = 0.05-0.1%. Such mirrors are successfully used as part of the resonators of technological lasers of the TL-1.5 type with a power density of up to 1.0 kW / cm ² and a laser output of up to 1.5 kW, ensuring the functioning of an integrated system for measuring the average power of a similar one.

Таким образом, по сравнению с аналогами уменьшена трудоемкость изготовления зеркала за счет уменьшения числа слоев и существенно уменьшены потери на светорассеяние (более чем на порядок). По сравнению с прототипом при высоком значении коэффициента отражения получен гарантированный коэффициент пропускания, удовлетворяющий требованиям встроенной системы измерения средней мощности излучения технологического CO₂-лазера типа ТЛ-1,5.Thus, in comparison with analogs, the complexity of manufacturing the mirror is reduced by reducing the number of layers and the losses due to light scattering are significantly reduced (by more than an order of magnitude). Compared with the prototype, with a high reflection coefficient, a guaranteed transmittance is obtained that meets the requirements of the built-in system for measuring the average radiation power of a technological CO ₂ laser of the TL-1.5 type.

Claims

1. An interference mirror comprising an optically polished substrate and a mirror coating of the kind applied thereon
PA1MeA2 (HB) ⁿ ,
where n is the substrate;
Me layer of highly reflective metal;
A1 and A2 adhesive-passivating layers with a thickness of 0.05 to 0.2 microns;
H and B intensifying reflection alternating layers with low and high refractive indices;
n is the number of pairs of such layers,
characterized in that the highly reflective metal layer has a thickness of 0.03 to 0.06 μm, and the substrate and adhesive-passivating layers are made of optically transparent material.

2. The mirror according to claim 1, characterized in that the highly reflective metal layer is made of silver, or gold, or copper, or aluminum.