Lustra

Większość precyzyjnych luster do prowadzenia wiązki to lustra pierwszej powierzchni: powłoka odbijająca jest na wierzchu, nie pod szkłem. Nie ma więc podwójnego odbicia ani przejścia światła przez szkło — ale powłoka jest odsłonięta i podatna na uszkodzenie. (Istnieją też lustra tylnej powierzchni i pryzmaty powlekane; przy zamówieniu warto sprawdzić, z czym ma się do czynienia.)

Poniżej opisujemy, jak dobrać powłokę do zakresu pracy i czego wymagać od podłoża. Wzory podajemy wraz z założeniami.

Powłoka: tu zapada najważniejsza decyzja

Odbicie zależy niemal wyłącznie od powłoki, nie od szkła pod spodem. Podane wartości to poziomy typowe dla powłok katalogowych — konkretna wartość dla danego modelu jest w jego karcie, bo różnice między wykonaniami bywają istotne.

Dwie uwagi praktyczne:

Srebro bez powłoki ochronnej matowieje w kontakcie z powietrzem i siarką. Lustra srebrne kupuje się w wykonaniu chronionym; wersje niechronione mają zastosowania specjalne i krótką żywotność w zwykłym laboratorium.

Złoto jest złym wyborem w świetle widzialnym. Odbicie spada wyraźnie poniżej około 550 nm, dlatego lustro złote wygląda na żółte. W podczerwieni jest za to znakomite i odporne chemicznie.

Standardowe aluminium chronione nie jest powłoką do UV. Jego zakres zaczyna się mniej więcej przy 400 nm, więc dla trzeciej harmonicznej Nd:YAG (355 nm), a tym bardziej dla 266 nm, potrzebne jest wykonanie jawnie wyspecyfikowane dla UV albo powłoka dielektryczna zaprojektowana na tę linię.

Lustra dielektryczne: wysokie odbicie w ściśle określonych warunkach

Powłoka dielektryczna to wiele warstw o naprzemiennym współczynniku załamania. Daje odbicie powyżej 99%, a przy powłokach laserowych nawet 99,9% — ale działa tylko w tych warunkach, dla których została zaprojektowana.

Warto od razu rozwiać nieporozumienie: dielektryczne nie znaczy wąskopasmowe. Są zarówno powłoki laser-line, zoptymalizowane pod jedną linię, jak i powłoki szerokopasmowe obejmujące setki nanometrów. O szerokości decyduje projekt, nie sama technologia. Zawsze sprawdzaj gwarantowany zakres w karcie.

Kąt padania jest częścią specyfikacji, nie szczegółem montażu. Lustro zaprojektowane na padanie 0° użyte pod kątem 45° ma pasmo przesunięte w stronę fal krótszych i odbicie może się załamać. Producent podaje projektowy kąt padania — zwykle 0° albo 45° — i trzeba go dotrzymać.

Przy padaniu ukośnym polaryzacja przestaje być obojętna. Dla kąta 45° składowe s i p mają różne odbicie. W środku dobrze zaprojektowanego pasma różnica bywa niewielka, ale przy jego krawędzi — albo gdy lustro pracuje pod innym kątem, niż przewidziano — potrafi być duża. Dodatkowo s i p odbijają się z różną fazą, co zmienia stan polaryzacji: światło liniowo spolaryzowane może po odbiciu stać się eliptyczne. Jeśli polaryzacja ma dla Ciebie znaczenie, sprawdź w karcie krzywe amplitudy i fazy osobno dla obu składowych.

Lustra metaliczne są pod tym względem łagodniejsze, ale tylko co do amplitudy odbicia: działają szerokopasmowo i tolerują szeroki zakres kątów, i to jest ich główna przewaga. Nie są natomiast obojętne wobec polaryzacji — pod kątem 45° również mają różne Rs i Rp oraz istotną różnicę faz między składowymi, więc polaryzacja liniowa ustawiona ukośnie do płaszczyzny padania wychodzi z nich eliptyczna. Bezpieczne pod tym względem jest dopiero padanie prostopadłe albo czysta składowa s lub p.

Płaskość: w odbiciu błąd się podwaja

To różnica, o której łatwo zapomnieć, przechodząc od optyki transmisyjnej.

Przy odbiciu prostopadłym nierówność powierzchni o wysokości h zmienia drogę optyczną o 2h — wiązka pokonuje ten uskok dwa razy. Oznacza to, że:

błąd czoła fali w odbiciu ≈ 2 × błąd powierzchni

Lustro o płaskości powierzchni λ/10 wprowadza więc do wiązki błąd czoła fali rzędu λ/5. Przy padaniu ukośnym pod kątem θ współczynnik wynosi 2·cos θ, czyli dla 45° około 1,41.

W optyce transmisyjnej takiego podwojenia nie ma — tam błąd zależy od różnicy współczynników załamania i jest mniejszy. Nie przenoś więc wymagań płaskości z soczewki na lustro — na lustro trzeba ich ostrzejszych.

Praktycznie:

• λ/2 – λ/4 — wystarczy do prowadzenia wiązki, oświetlania, składania toru.
• λ/10 — wiązki laserowe o dobrej jakości czoła fali, ogniskowanie blisko granicy dyfrakcyjnej.
• λ/20 i lepiej — interferometria, rezonatory laserowe, metrologia.

Podłoże

Materiał pod powłoką nie bierze udziału w odbiciu, ale decyduje o stabilności kształtu:

• N-BK7 — szkło koronowe borokrzemowe, wybór domyślny: tanie i stabilne w warunkach laboratoryjnych.
• B 270 — modyfikowane szkło sodowo-wapniowe (nie borokrzemowe), tańsze, o wyraźnie większej rozszerzalności cieplnej; do zastosowań nieprecyzyjnych.
• Krzemionka topiona — mała rozszerzalność cieplna, więc mniejsze odkształcenie przy zmianach temperatury. Uwaga: przewodność cieplną ma stosunkowo niską, więc przy dużych mocach sam niski współczynnik rozszerzalności nie wystarcza — liczy się cała droga odprowadzenia ciepła, łącznie z mocowaniem.
• Zerodur i podobne szkła o zerowej rozszerzalności — metrologia, interferometria, układy pracujące w zmiennych warunkach.

Grubość podłoża też ma znaczenie: cienkie lustro o dużej średnicy ugina się pod własnym ciężarem i pod naciskiem uchwytu. Typowa proporcja to średnica do grubości około 6:1; przy wymaganiach interferometrycznych stosuje się grubsze.

Montaż i naprężenia

Lustro dokręcone zbyt mocno albo punktowo odkształca się — i cała starannie dobrana płaskość przestaje mieć znaczenie. To najczęstszy sposób zepsucia dobrego lustra.

• Uchwyt kinematyczny powinien podpierać lustro równomiernie i dociskać sprężyście, nie na sztywno.
• Przy lustrach o wysokiej płaskości warto sprawdzić kształt czoła fali już po zamontowaniu, a nie tylko w karcie katalogowej.
• Naprężenia rosną przy zmianach temperatury, jeśli uchwyt i lustro mają różną rozszerzalność cieplną.

Czyszczenie: powłoka jest na wierzchu

Powierzchnia odbijająca jest odsłonięta, więc każdy dotyk zostawia ślad, a nieostrożne czyszczenie — rysy.

• Aluminium chronione jest miękkie. Warstwa ochronna (zwykle SiO₂ albo MgF₂) chroni przed utlenianiem, nie przed zarysowaniem.
• Nie przecierać na sucho. Standardowo: przedmuchanie, potem rozpuszczalnik na bibule optycznej, ruchem w jedną stronę.
• Lustra dielektryczne są twardsze i bardziej odporne chemicznie niż metaliczne, ale i tak nie znoszą tarcia.

Jeśli lustro pracuje w miejscu narażonym na osad albo pył, warto z góry przyjąć, że będzie elementem zużywalnym, i wybrać wykonanie tańsze.

Próg uszkodzenia laserowego

Powłoka metaliczna część światła pochłania — przy srebrze i złocie to kilka procent, przy aluminium chronionym o współczynniku odbicia rzędu 90% już około dziesięciu — więc przy dużej mocy średniej się nagrzewa. Powłoki dielektryczne o wysokim progu uszkodzenia zwykle wypadają tu lepiej i dlatego sięga się po nie przy laserach impulsowych.

Nie jest to jednak automatyzm. Przy impulsach nanosekundowych i krótszych o uszkodzeniu decyduje nie samo nagrzewanie, lecz przebicie dielektryczne, jonizacja i lokalne wzmocnienie pola wewnątrz stosu warstw. Lustro dielektryczne musi być wyspecyfikowane dla konkretnej długości fali, czasu impulsu i kąta — powłoka o wysokim odbiciu nie jest z definicji powłoką o wysokim progu.

Wartości LIDT porównuj tylko przy zgodnych warunkach testu: długość fali, czas i kształt impulsu (albo praca ciągła), średnica wiązki, liczba impulsów na to samo miejsce, częstotliwość i kryterium uszkodzenia. Sam czas impulsu nie wystarcza. Przy pracy blisko progu liczy się też czystość powierzchni — pyłek na powłoce bywa miejscem, w którym zaczyna się uszkodzenie.

Impulsy ultrakrótkie: sprawdź dyspersję

Jeśli pracujesz z impulsami femtosekundowymi, samo odbicie nie wystarcza. Powłoka wielowarstwowa wprowadza dyspersję opóźnienia grupowego (GDD), która wydłuża i zniekształca impuls — a przy kilkunastu odbiciach w torze efekt się sumuje. Zwykłe lustro dielektryczne o wysokim odbiciu może być pod tym względem zupełnie nieodpowiednie.

Do takich zastosowań stosuje się lustra o kontrolowanej dyspersji (niskie GDD albo celowo ujemne, kompensujące). Warstwy ochronne luster metalicznych też mają własne GDD, choć zwykle mniejsze. Przy impulsach poniżej około 100 fs to parametr, o który trzeba zapytać wprost.

Kiedy lustro nie jest właściwym elementem

• Gdy trzeba podzielić wiązkę — do tego służy rozdzielacz wiązki.
• Gdy trzeba ogniskować — lustro płaskie tego nie zrobi; potrzebne jest lustro wklęsłe albo paraboliczne. Dla wiązki równoległej lustro paraboliczne poza osią ogniskuje bez aberracji sferycznej i bez chromatycznej, co czyni je dobrym wyborem w szerokim paśmie.
• Gdy odbicie ma zależeć od polaryzacji — to zadanie rozdzielacza polaryzacyjnego.
• Gdy nie można dopuścić odbicia wstecznego do lasera — samo lustro tego nie rozwiąże; potrzebny jest izolator optyczny.

Najczęstsze błędy

• Użycie lustra dielektrycznego pod innym kątem niż projektowy — pasmo się przesuwa i odbicie spada.
• Standardowe aluminium chronione do lasera UV — jego zakres zaczyna się przy około 400 nm, więc dla 355 nm potrzebne jest osobne wykonanie.
• Przeniesienie wymagań płaskości z optyki transmisyjnej — w odbiciu błąd czoła fali jest przy padaniu prostopadłym dwukrotnie większy od błędu powierzchni (pod kątem θ mnożnik wynosi 2·cos θ, czyli przy 45° około 1,41).
• Lustro złote w świetle widzialnym — odbicie spada poniżej ok. 550 nm.
• Zbyt mocny docisk w uchwycie — odkształcenie kasuje deklarowaną płaskość.
• Czyszczenie na sucho powłoki aluminiowej — powstają rysy nie do usunięcia.
• Porównywanie LIDT z różnych reżimów pracy — wartości nie są przeliczalne.

Jeśli nie masz pewności, która powłoka pasuje do Twojego układu, podaj nam długość fali, kąt padania, polaryzację, moc i charakter pracy lasera oraz wymaganą jakość czoła fali. Dobór komponentów jest częścią naszej pracy.