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High Reflectivity Mirrors

Réflectivité : Plus compliquée qu'il n'y paraît

 

Les miroirs laser à haute réflectivité sont des composants critiques pour modifier la trajectoire d'un faisceau

 

La méthode standard de l'industrie pour mesurer la réflectivité ne dit pas tout

 

La réflectivité peut paraitre simple mais c’est en réalité une valeur difficile à mesurer

 

La spectroscopie à cavité optique (CRDS) mesure la perte totale afin de déterminer la réflectivité

Les miroirs à réflectivité élevée, avec des réflectivités allant de 99,8% à 99,999%, sont des composants essentiels dans la plupart des systèmes laser pour modifier la trajectoire d'un faisceau tout en maximisant le rendement. Il est pratique courante dans le secteur de déterminer la réflectivité d'un miroir en mesurant la transmission par spectrophotométrie et en supposant que le reste de la lumière a été réfléchi. Cependant, cette fausse hypothèse ne tient pas compte de la dispersion ou de l'absorption, ce qui conduit à des valeurs de réflectivité trop optimistes. Pour les miroirs avec une réflectivité supérieure à 99,5%, une façon plus précise de déterminer la réflectivité est de mesurer la perte totale par spectroscopie à cavité optique (CRDS). Comprendre la métrologie utilisée par votre fournisseur est essentiel pour prédire les performances dans le monde réel.

Mesurer la transmission ne suffit pas

De manière standard, les fournisseurs de composants optiques vérifient la réflectivité des miroirs à l'aide d'un spectrophotomètre pour mesurer directement la transmission. Cela suppose que la dispersion et l'absorption sont insignifiantes, mais ces effets plus faibles ont un impact considérable lorsqu'une réflectivité très élevée est requise. Les spectrophotomètres peuvent mesurer directement des réflectivités inférieures à 99,5 %, mais les valeurs supérieures atteignent la limite du rapport signal/bruit (SNR) du spectrophotomètre.

La fausse conclusion: ∑Intensité = réflexion + transmission

Formule réelle:: ∑Intensité = réflexion + transmission + dispersion + absorption

La solution: La spectroscopie à cavité optique (CRDS)

L'option de métrologie la plus précise pour les miroirs à réflectivité élevée est la spectroscopie à cavité optique (CRDS), qui mesure la perte totale du miroir, y compris sa transmission, son absorption et sa dispersion. Une impulsion laser est introduite dans une cavité résonante constituée de deux miroirs hautement réfléchissants (Figure 1). La lumière laser réfléchie oscille dans la cavité résonante et une petite quantité de lumière est perdue à chaque réflexion. Un détecteur placé derrière le deuxième miroir mesure l'intensité décroissante de la lumière réfléchie. La perte totale des miroirs est déterminée par le temps de décroissance, ou « ring down », de la lumière réfléchie.

3D printed mechanics used for prototyping
Figure 1: La perte totale d'un miroir laser, y compris la transmission, l'absorption et la dispersion, peut être déterminée par la CRDS.

L’intensité (I) du laser au sein de la cavité est définie par :

$$ I = I_0 \exp{ \left[ - \left( \frac{\tau \, t \, c}{2 \, L} \right) \right]} $$
I0: intensité initiale de l’impulsion laser
τ: perte totale au niveau de la cavité
t: temps
c: vitesse de la lumière
L: longueur de la cavité

Exemple concret

La transmission de deux miroirs à réflectivité élevée a été mesurée à l’aide de la spectrophotométrie de transmission (Figure 2). Le miroir 2 avait une transmission mesurée considérablement plus faible que le miroir 1, il semble donc que le miroir 2 ait une réflectivité plus élevée. Si aucune autre méthode de mesure n'avait été utilisée, on aurait supposé que le miroir 1 a une réflectivité nominale de 99,9% et que le miroir 2 a une réflectivité nominale de 99,99%.

Le miroir 2 semble avoir une réflectivité plus élevée que le miroir 1 lors de l'analyse par spectrophotométrie de transmission.
Figure 2: Le miroir 2 semble avoir une réflectivité plus élevée que le miroir 1 lors de l'analyse par spectrophotométrie de transmission.

Cependant, la mesure des deux miroirs par la CRDS révèle que ce n'est pas le cas. La valeur de perte du miroir 1 correspondait à la réflectivité nominale déterminée par spectrophotométrie, mais la réflectance du miroir 2 était si faible qu'elle ne pouvait même pas créer de résonance dans le système CRDS. La mesure directe de sa réflectivité à l'aide de la spectrophotométrie de réflexion a montré que le miroir 2 a des performances bien inférieures et une réflexion évanescente qui tombe à 0,5% inférieure à celle du miroir 1 en raison de l'absorption et de la dispersion (Figure 3). La réflectance très faible aux longueurs d'onde plus courtes est spécifique à l'absorption et la dispersion.

L'utilisation de la CRDS et de la spectrophotométrie de réflexion a révélé que le miroir 2 a en fait une réflectivité nettement inférieure à celle du miroir 1, en particulier aux longueurs d'onde plus courtes.
Figure 3: L'utilisation de la CRDS et de la spectrophotométrie de réflexion a révélé que le miroir 2 a en fait une réflectivité nettement inférieure à celle du miroir 1, en particulier aux longueurs d'onde plus courtes.

Cet exemple montre à quel point il est important d'utiliser la bonne technique de métrologie pour les miroirs laser à réflectivité élevée. Le miroir 2 pourrait entraîner une défaillance du système si on considère sa réflectivité à 99,99%. En réalité, sa réflectance était de 99,5%. Cet écart entre la valeur d'essai et la valeur réelle peut entraîner une dégradation des performances, des problèmes de sécurité et même des dommages catastrophiques au système.

Webinaire: Miroirs à réflectivité élevée pour applications laser

Vous pouvez en apprendre davantage sur la CRDS et les miroirs à haute réflectivité pour les applications laser dans ce webinaire enregistré présenté par Chris Cook, Tony Karam, Ian Stevenson et Stefaan Vandendriessche.

Miroirs à réflectivité élevée chez Edmund Optics®

Edmund Optics® (EO) utilise la CRDS pour effectuer des mesures de perte très sensibles de l'optique à haute réflectivité et de l'optique à haute transmission. Le système CRDS d’EO est réglé pour les longueurs d'onde et les harmoniques Nd:YAG communes incluant 1064 nm, 532 nm, 355 nm et 266 nm. Le système peut être réglé sur d'autres longueurs d'onde sur demande.

FAQ's

FAQ  Si la CRDS est plus précise, pourquoi ne l'utilise-t-on pas toujours pour mesurer la réflectivité des miroirs ?
La CRDS ne peut être utilisée que pour mesurer des miroirs dont la réflectivité est supérieure à 99,5%, car les réflectivités plus faibles entraînent des temps de décroissance trop rapides pour que le système puisse les détecter. La meilleure technique pour déterminer la réflectivité dépend du niveau de réflectivité et des exigences de l'application.
FAQ  Comment mesurer la réflectivité des miroirs dont la réflectivité est inférieure à 99,5% ?

Les miroirs dont la réflectivité est inférieure à 99,5 % peuvent être mesurés directement par spectrophotométrie de réflexion. Toutefois, cette technique ne fonctionnera pas pour les miroirs ayant des réflectivités plus élevées parce que ces systèmes atteignent la limite du rapport signal/bruit (SNR).

FAQ  Est-il possible de mesurer directement l'absorption ou la dispersion ?

Oui, l'absorption peut être mesurée directement par spectroscopie de déflexion photothermique, dans laquelle les variations mesurées dans l'indice de réfraction déterminent la quantité de lumière absorbée. La diffusion peut être mesurée directement au moyen d'un diffusiomètre ou d'un microscope à force atomique (AFM). Un AFM crée une carte topologique très précise de l'échantillon et mesure sa rugosité, qui peut ensuite être utilisée pour calculer la dispersion.

FAQ   Comment peut-on utiliser la CRDS pour déterminer la réflectivité d'un miroir d'essai inconnu lorsque la perte totale mesurée comprend les pertes du miroir inconnu et de l'autre miroir constituant la cavité résonante ?

Plusieurs essais doivent être effectués avec le miroir d'essai inconnu et le miroir de référence afin de déterminer la perte du miroir d'essai.

Ressources Techniques

Notes d’application

Informations techniques et exemples d’applications comprenant des explications théoriques, des équations, des illustrations graphiques, etc.

Comprendre et spécifier le seuil de dommage laser de composants laser
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