高反射コーティング

高反射 (Highly Reﬂective; HR) コーティングは、レーザーや他の光源からの光を反射し、その際の損失を最小化するために用いられます。反射中の吸収や散乱は、スループットの減少や潜在的なレーザー誘起損傷につながります。HRコーティングは、レーザービームの光路の折り返しやレーザーキャビティのエンドミラーなど、一般的なレーザーオプティクスアプリケーションに用いられます。

金属膜ミラーコーティングは、反射アプリケーションの多くに用いられますが、レーザーアプリケーションでは、標準の金属膜ミラーコーティングよりも高い反射率が求められる傾向があります。このため、レーザーミラーには、金属膜ミラーコーティングではなく、より高い反射率が実現できる誘電体多層膜のHRコーティングが通常用いられます。金属面は、結合の弱い電子が入射光の波を受けると、大きなインピーダンスや障害を受けることなく自由に振動するために光を反射します。しかしながら、どの金属も入射光をある程度吸収します。このため、金属膜ミラーコーティングにハイパワーレーザーを用いると、損傷を受けやすくなります¹

誘電体膜HRコーティングは、フレネル反射中に増加的干渉 (Constructive Interference) によって光を反射し、フレネル反射を最小化するために減殺的干渉 (Destructive Interference) を利用するのではなく、同反射を最大化する増加的干渉を利用しており、ARコーティングとは正反対の目的になります (Figure 1)。この増加的干渉は、特定波長域で反射率を最大化するために選ばれた高屈折率層と低屈折率層を交互に積層することによって起こります。ブラッグ反射鏡としても知られるλ/4誘電体膜ミラーでは、各層は設計波長の1/4の厚さに対応しています。この層の厚さは、真空中の波長ベースではなく、材料内での波長ベースになります²。

Figure 1: Dielectric HR coatings utilize constructive interference of Fresnel reflections to achieve a reflectivity greater than that of metallic reflectors

Figure 1: 誘電体膜のHRコーティングは、フレネル反射の増加的干渉 (Constructive Interference) を利用して金属膜反射鏡のそれよりも高い反射率を実現する

誘電体膜のオーバーコートも、金属膜ミラーの取り扱いを改善し、金属膜の耐久性を向上させ、膜の酸化を防ぎ、また特定波長域での金属膜コーティングの反射率を高めます。金属膜コーティングは、保護用のコーティングが施されていない場合は非常にデリケートで、取り扱いや洗浄の際には特別な注意を要します。保護膜の付いていない金属膜コーティングの表面を一切触れてはいけませんし、洗浄も清潔な乾燥エアー以外行ってはいけません。誘電体膜コーティングの付いた金属膜ミラーの洗浄は、イソプロピルアルコールかアセトンを用いることができます。 EO標準の金属膜ミラーコーティングのリストをTable 1に、EO標準の誘電体膜HRレーザーコーティングのリストをTable 2に紹介します。

Table 1: Reflectivity specifications and guaranteed laser induced damage thresholds for Edmund Optics’ standard metallic mirror coatings

Table 1: EO標準の金属膜ミラーコーティングの反射率スペック

Table 2: 標準HRレーザーコーティング
設計波長 DWL	反射率の仕様	パルスレーザー損傷閾値 $ \left( \frac{\text{J}}{\text{cm}^2} \right)$	CWレーザー損傷閾値 $ \left( \frac{\text{MW}}{\text{cm}^2} \right) $
266nm	R_abs >99.5% @ DWL, R_avg >99.5% 263 - 268nm	2.5, 20ns @20Hz	1
343nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 339 - 346nm	6, 20ns @20Hz	1
355nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 351 - 358nm	6, 20ns @20Hz	1
515nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 509 - 520nm	15, 20ns @20Hz	1
532nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 523 - 537nm	15, 20ns @20Hz	1
1030nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 1020 - 1040nm	20, 20ns, @20Hz	1
1064nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 1046 - 1074nm	20, 20ns @20Hz	1

Table 2: EO標準の誘電体膜HRレーザーコーティングの反射率スペックとレーザー誘起損傷保証閾値。他の波長は、ご要望に応じて特注コーティング設計に対応

参考文献

Field, Ella S., et al. “Repair of a Mirror Coating on a Large Optic for High Laser-Damage Applications Using Ion Milling and over-Coating Methods.” Laser-Induced Damage in Optical Materials: 2014, July 2016, doi:10.1117/12.2067920.
Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html

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