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Saturday, 22 Luglio 2017
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Modalità di riflessione sugli specchi per laser: come scegliere lo specchio ottimale per la propria applicazione

Le prestazioni dello specchio dipendono dalla progettazione e dai materiali del rivestimento, dal metodo di deposizione e dalle specifiche dei substrati. La specifica o la scelta di specchi per determinate applicazioni richiede la conoscenza delle caratteristiche della sorgente laser e dei pro e contro delle prestazioni di specchi per laser rivestiti in metallo rispetto a quelli con rivestimento dielettrico. Il tipo di specchio influenza, infatti, la progettazione e le prestazioni del sistema.

di Robert Michael

Febbraio-Marzo 2016

I primi specchi prodotti dall’uomo erano probabilmente composti da ossidiana lucidata; in seguito si utilizzarono specchi in rame, ottone, fino ad arrivare al vetro coperto di metallo nel 19o secolo. Le tecniche di produzione sono migliorate tanto da far sì che i produttori di sistemi ottici arrivino a produrre substrati di specchio in vetro lucido con una piattezza superficiale pari a λ/20 o superiore (@ 633 nm) e una rugosità superficiale <10 Å rms. Dei parametri comunemente specificati per substrati di specchi per laser sono riportati nella Tabella 1. Questi substrati lucidi sono rivestiti con un sottile strato di metallo o con sottili strati di dielettrico sovrapposti, ottenendo in questo modo i due tipi comuni di specchi per laser: quello metallico e quello dielettrico. Un esempio di specchio per laser con rivestimento dielettrico ad alta riflettanza è mostrato in Figura 1. Le prestazioni dello specchio dipendono dalla progettazione e dai materiali del rivestimento, dal metodo di deposizione e dalle specifiche dei substrati. La specifica o la scelta di specchi per determinate applicazioni richiede la conoscenza delle caratteristiche della sorgente laser e dei pro e contro delle prestazioni di specchi per laser rivestiti in metallo rispetto a quelli con rivestimento dielettrico.

Considerare la fonte
La luce laser presenta una larghezza di banda spettrale ridotta, bassa divergenza angolare, può avere densità di energia o di potenza elevate, ed emette luce con larghezze dell’impulso che vanno da pochi femtosecondi a un’uscita in onda continua (CW). I laser sono usati nella diagnosi medica, nei trattamenti medici, nelle telecomunicazioni, nelle operazioni industriali di saldatura e taglio, nella microlavorazione, nel telerilevamento e nel monitoraggio ambientale, solo per citare alcuni ambiti di utilizzo. Generalmente, queste applicazioni richiedono al progettista del sistema di indirizzare o manipolare la luce emessa dalla sorgente laser. Gli specchi piani sono usati in molte applicazioni a tale proposito. Il tipo di specchio, metallico o dielettrico, influenzerà la progettazione e le prestazioni del sistema. Il presente articolo si focalizza su specchi laser prodotti con substrati rivestiti, piani e in vetro lucido. Sono ampiamente diffusi anche substrati in metallo o di materiali diversi e specchi con superfici di riflessione non piane.

Specchi con rivestimento metallico e dielettrico
Gli specchi con rivestimento metallico si realizzano depositando un leggero strato di metallo, solitamente alluminio, argento od oro, su substrati in vetro lucido. Gli specchi con rivestimento metallico offrono prestazioni a banda larga con una riflettanza che va dall’85% al 98% come mostrato in Figura 2. Per esempio, uno specchio con rivestimento in alluminio presenta una riflettanza media >97% per lunghezze d’onda da 800 a 2.000 nm.  Gli specchi con rivestimento metallico sono relativamente insensibili alla polarizzazione e all’angolo di incidenza e hanno un costo inferiore rispetto agli specchi con rivestimento dielettrico. I rivestimenti in alluminio e in argento tendono a ossidarsi e i due metalli non sono molto durevoli e si graffiano facilmente. Per aggiungere una protezione supplementare, spesso si deposita un singolo strato di dielettrico λ/2 sulla parte superiore della pellicola metallica per ridurre l’ossidazione e migliorare la resistenza all’abrasione sulla superficie metallica. I rivestimenti dielettrici multistrato possono inoltre essere aggiunti sulla parte superiore del rivestimento metallico per migliorare la riflettività a specifiche lunghezze d’onda, come illustrato in Figura 2. Anche in presenza di rivestimenti protettivi, gli specchi con rivestimento metallico, particolarmente quelli in argento e alluminio, sono adatti prevalentemente per l’uso in ambienti a bassa umidità.  
Gli specchi con rivestimento dielettrico sono prodotti depositando una serie di sottili strati dielettrici, solitamente ossidi metallici, su un substrato in vetro lucido. Gli strati trasparenti sono composti da diversi materiali con indici di rifrazione differenti. Gli specchi per laser ad alta riflettanza (HR - High reflectance) sono solo uno dei tanti tipi di specchi progettati che possono essere prodotti con rivestimenti dielettrici multistrato e sono quelli su cui ci focalizzeremo nel presente articolo. In questi sistemi di progettazione HR, una frazione dell’energia della luce incidente è riflessa da ognuna delle interfacce nello strato multiplo dielettrico. Progettando e controllando con attenzione lo spessore ottico degli strati dielettrici, le riflessioni da ogni interfaccia dielettrica interferiranno in modo costruttivo, generando uno specchio con riflettanza molto alta. Sono stati prodotti specchi con una riflettanza > 99,999% per una specifica lunghezza d’onda, angolo d’incidenza e polarizzazione.
Le curve tipiche di riflettanza per uno specchio dielettrico ottimizzato per la linea di laser 1064 nm Nd:YAG sono mostrate in Figura 3. Come illustrato, gli specchi laser-allineati dielettrici presentano un’alta riflettanza su una banda spettrale relativamente ridotta a uno specifico angolo di incidenza. La figura mostra inoltre la dipendenza della riflettanza dello stato di polarizzazione del raggio incidente. Usando un processo di deposito come lo Ion Beam Sputtering (IBS - metodo speciale di polverizzazione catodica), è possibile produrre rivestimenti dielettrici che presentano perdite per dispersione e assorbimento molto basse e che risultano stabili a diverse temperature e condizioni di umidità. Forse la caratteristica più importante per molte applicazioni laser è che gli specchi per laser HR ad alta qualità presentino una LDT (Laser Damage Threshold - Soglia di danno da laser) elevata, tipicamente > 20 J/cm2 (1064 nm, 10 ns di impulso).
A titolo di esempio, si consideri un sistema laser funzionante a 1064 nm con quattro specchi sul percorso ottico che indirizzano/ruotano il fascio. Si presupponga una densità di energia nel sistema < 1 J/cm2, in modo da poter usare uno specchio metallico o dielettrico. I quattro specchi con rivestimento in alluminio protetto (~92% come riflettanza a 1064 nm) producono una perdita ottica del 28,4%. Usando 4 specchi dielettrici HR (99,9% come riflettanza a 1064 nm), questa perdita si riduce allo 0,4% - una differenza rilevante nelle prestazioni del sistema da tenere in considerazione.  Un riassunto dei pro e dei contro costi-prestazioni è indicato in Tabella 2.

Danni indotti dal laser: lo specchio sopravvive al sistema?
La degradazione o distruzione dell’ottica provocata da radiazioni laser incidenti viene spesso chiamata danno indotto dal laser (laser induced damage - LID). L’energia del laser o la densità di potenza sulla superficie dell’ottica all’inizio del LID viene riferita alla soglia di danni del laser (laser damage threshold LDT). Una discussione dettagliata in merito ai processi fisici che sono alla base del danno indotto dal laser esula dalla portata del presente articolo. Tuttavia, alcuni fatti chiave che fanno riferimento al LID aiuteranno a comprendere e valutare la soglia di danni del laser (LDT) degli specchi per laser in una data applicazione. Due dei tipi più comuni di danni da laser riscontrati negli specchi per laser sono il deterioramento fisico del rivestimento (per esempio vaiolatura, fusione o delaminazione) come mostrato nella Figura 4, e le fratture e lo scolorimento della maggior parte del materiale del substrato ottico. Sia il LID che l’LDT dipendono da molti fattori: sorgente laser (lunghezza d’onda, durata dell’impulso, potenza o energia, velocità di ripetizione, polarizzazione, ecc.), materiali di rivestimento e metodo di deposizione (assorbimento, diffusione), imperfezioni e contaminazione nei rivestimenti o substrati, particelle in superficie e la pulizia, la pianezza della superficie e rugosità del substrato, per citarne alcuni. In generale, quante meno non idoneità ci sono nel substrato e nei materiali di rivestimento, tanto maggiore sarà l’LDT per una data sorgente laser. Cos’ha a vedere questo con gli specchi e i loro rivestimenti? Un tipico specchio con rivestimento metallico rifletterà circa il 90% di un laser incidente operante a 532 nm. La maggior parte del restante 10% dell’energia luminosa viene assorbita dal rivestimento metallico, riscaldandolo. Quando la densità dell’energia del raggio laser raggiunge circa 0.5 J/cm2 (impulsi da 10 ns) è probabile che lo specchio con rivestimento metallico venga danneggiato in modo permanente. Ora, consideriamo uno specchio dielettrico con rivestimento IBS utilizzato con lo stesso laser a 10 ns e 532 nm. In questo caso, l’LDT per l’assorbimento e i meccanismi che portano a danneggiare lo specchio metallico sono relativamente alti, ma per i film dielettrici trasparenti ci sono altri meccanismi come la ripartizione dielettrica che dominano il LID e l’LDT. Per gli specchi dielettrici usati con la sorgente a 532 nm descritta, sono possibili LDT >10 J/cm2. Altri meccanismi LID devono essere presi in considerazione quando si usano sistemi laser con impulsi sotto il nanosecondo.  Sia LID che LDT sono importanti considerazioni in tutte le applicazioni laser ad alta potenza. In generale, gli specchi in vetro con rivestimento dielettrico avranno un LDT superiore rispetto agli specchi in vetro con rivestimento metallico, quando vengono utilizzati con la stessa sorgente.

Riflessioni conclusive
In questo articolo, sono stati discussi diversi fattori importanti da prendere in considerazione al momento della progettazione di specchi per laser per un sistema ottico basato su un laser. Il materiale del substrato e le specifiche, i materiali di rivestimento, il metodo di deposizione e il progetto hanno tutti un impatto sulla prestazione ottica dello specchio stesso e in definitiva anche sul sistema ottico che lo utilizza. La sorgente laser (specialmente il livello di potenza e l’LDT) il tipo (a impulsi vs onda continua), la lunghezza d’onda e l’efficienza richiesta dell’intero sistema imporranno spesso il tipo di rivestimento dello specchio che serve per svolgere una funzione particolare in un’applicazione specifica. È importante considerare tutti questi fattori al momento della scelta degli specchi per la vostra prossima progettazione di un sistema ottico.

QUALIFICA AUTORE
Robert Michael, Edmund Optics

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Deep UV Bandpass Filters

Edmund6Edmund Optics® (EO), the premier provider of optical components, introduces new Deep UV Bandpass Filters. These versatile filters are ideal for applications in fluorescence microscopy, Raman spectroscopy, Excimer lasers and biological filtering. Substrates include MgF2 and UV grade fused silica Deep UV Bandpass Filters are available in a wide range of popular sizes and feature bandpasses as low as 122 nm. They are manufactured from high quality substrates including MgF2 and UV grade fused silica. To ensure maximum performance, each Deep UV Bandpass Filter is visually and optically inspected prior to shipment. Each filter is delivered with an individualized transmittance profile, which demonstrates the filter's performance characteristics. These precision bandpass filters offer a surface quality of 20-10 with a clear aperture of >85%. Twelve models available at four center wavelengths RoHS compliant Deep UV Bandpass Filters are offered in twelve models with center wavelengths of 122 nm, 193 nm, 248 nm, and 308 nm in diameters of 12.5 mm, 25 mm and 50 mm. Each bandpass filter is mounted in an aluminum ring for easy identification and system integration, as well as to protect it from damage and surface abrasions. Deep UV Bandpass Filters are in-stock and available for immediate delivery for fast turnaround and excellent value. 

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Silicon Aspheric Lenses

Edmund5Edmund Optics® (EO), the premier provider of optical components, introduces its new TECHSPEC® Silicon Aspheric Lenses. These lenses offer a high performance, lightweight solution for midwave infrared (MWIR) applications and provide an excellent alternative for costly ZnSe lenses and brittle Germanium lenses. TECHSPEC Silicon Aspheric Lenses exhibit the mechanical and thermal properties needed to withstand the effects of harsh environments, which include temperature and pressure fluctuations. The lenses are manufactured using an optical grade silicon substrate, which is a low density material, making them ideal for weight-sensitive IR systems, including those found in many defense applications. RoHS compliant TECHSPEC Silicon Aspheric Lenses provide diffraction-limited performance. The lenses are available in six different 25 mm diameter models. Si Aspheric Lenses are offered in focal lengths of 12.5 mm, 25 mm and 50 mm with either a 3-5 μm anti-reflection (AR) coating or uncoated. TECHSPEC Silicon Aspheric Lenses are in-stock and available for immediate delivery for fast turnaround and excellent value. 

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Broadband Polarizers

Edmund Optics® (EO), the premier provider of optical components, introduces its new Broadband Polarizers. These versatile linear polarizers are ideal solutions for broadband applications from the ultraviolet (UV) to the short wave infrared (SWIR), where wire grid polarizers are not practical. Broadband Polarizers have a compact design, which eases system integration. Broadband Polarizers feature wide acceptance angles of ±40°. They are well-suited for use with uncollimated light sources. In addition, these polarizers utilize a proprietary design that allows for consistent transmitted contrast from 300 - 2.700 nm. RoHS compliant Broadband Polarizers are made with a fused silica substrate and feature a wide operating temperature of -50 to 80 °C. Two models of 300 - 2.700 nm Broadband Polarizers are available in 25.4 mm and 38.1 mm diameters, both with thickness of 2.2 mm. The polarizers are in-stock and available for immediate delivery for fast turnaround and excellent value. 

Febbraio-Marzo 2015

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Broadband Polarizers

Edmund4Edmund Optics® (EO), the premier provider of optical components, introduces its new Broadband Polarizers. These versatile linear polarizers are ideal solutions for broadband applications from the ultraviolet (UV) to the short wave infrared (SWIR), where wire grid polarizers are not practical. Broadband Polarizers have a compact design, which eases system integration. Broadband Polarizers feature wide acceptance angles of ±40°. They are well-suited for use with uncollimated light sources. In addition, these polarizers utilize a proprietary design that allows for consistent transmitted contrast from 300 - 2.700 nm. RoHS compliant Broadband Polarizers are made with a fused silica substrate and feature a wide operating temperature of -50 to 80 °C. Two models of 300 - 2.700 nm Broadband Polarizers are available in 25.4 mm and 38.1 mm diameters, both with thickness of 2.2 mm. The polarizers are in-stock and available for immediate delivery for fast turnaround and excellent value.

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Wire Grid Polarizing Cube Beamsplitters

Edmund3Edmund Optics® (EO), the premier provider of optical components, introduces Wire Grid Polarizing Cube Beamsplitters. These versatile beamsplitters are designed for applications using uncollimated light, including broadband white light sources. Wire Grid Polarizing Cube Beamsplitters are constructed using a wire grid polarizer cemented between two precision high tolerance right angle prisms made of a N-BK7 substrate. An anti-reflection (AR) coating is applied to each face of the beamsplitter, which provides less than 0.5% average reflection per surface. Further, Wire Grid Polarizing Cube Beamsplitters maintain their high spectral contrast from 400-700 nm over a large cone angle of +25°. Wire Grid Polarizing Cube Beamsplitters provide greater than 75% transmission of P-polarized light and an efficiency (Tp*Rs) of greater than 65% for a cone angle of +25°. These beamsplitters are ideal for a wide variety of applications including Heads Up Display, Interferometry and Spectrocsopy. RoHS compliant Wire Grid Polarizing Cube Beamsplitters measure 25.4 mm square. They are in-stock and available for immediate delivery for fast turnaround and excellent value.

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Germanium Meniscus Lenses

Edmund2Edmund Optics® (EO), the premier provider of optical components, introduces its new TECHSPEC® Germanium Meniscus Lenses. These lenses feature a durable design that is ideal for use in a wide variety of demanding infrared (IR) applications, including IR imaging or surveillance, remote sensing or IR spectroscopy. TECHSPEC Germanium Meniscus Lenses are manufactured from Germanium, which is a rugged, durable material with a broad transmission range and a high index of refraction. Germanium has a transmission range of 2 - 16 μm and is opaque in the visible part of the spectrum, making it ideal for IR laser applications. The material is even inert to air, water, alkalis and all acids, with the exception of nitric acid. With a density of 5.33 g/cm 3 and a Knoop Hardness of 780, nearly twice that of Magnesium Fluoride, Germanium is an ideal material for making rugged, durable IR optics. TECHSPEC Germanium Meniscus Lenses feature a wavelength range of 2-16 μm. They offer outstanding spherical correction and smaller spot size than comparable lenses. TECHSPEC Germanium Meniscus Lenses are available uncoated or anti-reflection (AR) coated for increased performance in the designated coating wavelength range. Eighteen different RoHS-compliant lens varieties are offered in 25 mm or 50 mm diameters and focal lengths from 25 mm to 100 mm, either uncoated or coated for the 3-5 μm or 8-12 μm wavelength range.  

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Nell’ottica della precisione

Sono molti i prodotti da poco immessi sul mercato da Edmund Optics, azienda all’avanguardia nella tecnologia ottica, tomografica e fotonica. La gamma di nuove lenti presentate di recente comprende lenti piano convesse al germanio per applicazioni a infrarossi, lenti telecentriche compatte in-line, lenti acromatiche a infrarossi e nuove lenti asferiche. Queste innovazioni si uniscono ai nuovi filtri variabili lineari e agli axicon piano convessi, tutti prodotti che arricchiscono il portfolio di Edmund Optics.

di Giuliano Spettoli

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