ダイクロイックフィルタとミラーでレーザシステム設計を簡素化

グレゴリー・ファレス

多数のレーザを組み合わせたシステムの構築を行う設計者にとって、従来のコーティングよりもレーザミラーやダイクロイックフィルタのスパッタコーティングの方がメリットがある。

ダイクロイックレーザミラーとフィルタにより反射特性や出力が改善される。また、新しいアプリケーションでは、これらコンポーネントの寿命が延び使い勝手も良くなっている。設計者は、これらを組み合わせることで、より簡素で効率的なシステムを構築でき、保守、交換、在庫すべきパーツの数も減らせる。
　最初の金属コートミラーは、紀元後1世紀頃に古代ローマや中東で用いられた。これが長い歴史の始まりであり、銀、金、アルミニウム、銅などの金属が汎用的な広帯域高反射鏡の製造に用いられていた。しかし、こうした金属被覆は、次のような問題がある。
・レーザによる損傷に極めて脆弱である。金属コートの典型的な損傷しきい値は200から500mJ/㎝²（10nsパルスにおいて）であり、一般的なレーザシステムと比べると非常に低い。
・耐久性が弱く、摩耗、掻き傷、変色に弱い。
・粘着力が弱い。経年により被覆がガラスから剥がれやすい。特に、熱サイクルや湿気による変化を受けた場合など。

広帯域レーザミラー

現代のスパッタリング技術、イオンビームやマグネトロンスパッタリングなどは、高密度誘電体膜を作製することができる。このような誘電体膜は、反射特性や機械特性が優れており、環境変化に対する耐性が高く、レーザ損傷閾値も遙かに高い。スパッタコーティングで製造された広帯域レーザミラーとレーザビームコンバイナは金属ミラーと比べると遙かに寿命が長く、湿気や熱サイクル条件下でも長寿命であり、取り扱いによる影響もそれほどないと考えられる。コーティングは十分に堅いので、ユーザによるクリーニングやメンテナンスで剥がれることはない。
　設計者はレーザシステムに誘電体ミラーを使用して反射率を高め、高分解能のシステムを構築することができる（図1）。旧来のシステムには一般に様々なタイプの安価な金属コートミラーがあり、これらの反射率は85 〜95% だった。最先端の広帯域ミラーの反射率は98〜99%の範囲にあり、これにより試料へのフォトンが一段と多くなる。反射率の高いミラーを使用することで、分解能、精度、再現性の全てが改善されたデバイスを実現することができる。また、これにより必要なレーザの光量も少なくてすみ、設計者はパワーの利用効率を高めることができる。これは、バイオメディカルでは細胞の生死の差となる。
　金属ミラーが対応する波長範囲は一般に非常に広い（例えば、銀は500nmから10μm超の赤外波長まで対応する）が、広帯域誘電体ミラーの波長範囲は限られている。一般に、可視光全域、近赤外（700〜1100nm）、あるいは最大で近紫外から近赤外（350〜1100nm）までとなる。
　設計範囲外では、これらのミラーは透過性が高くなり、その透過性の範囲はロットごとにバラツキがある。したがって、機器のスペクトラル域が誘電体ミラーのスペクトラル域を外れている場合は、設計者はそれがシステムにどのような影響を及ぼすかを理解しておく必要がある。
　また、設計者はシステムが偏光にどの程度の感度をもつかにも注意しなければならない。誘電体は、金属被覆に比べると偏光感度が高いので、通常ミラーは0°または45°で使用し、不規則な角度で使用するときのパフォーマンス劣化を避ける。このような感度特性を回避するために、ミラーを別の角度で使用できるようにする、特注コーティングの設計は容易にできる。
　一般的な1インチ以下の量産小型ミラーなら、精度のよい金属ミラーのコストも誘電体ミラーのコストも変わらない。しかし、直径が数メートルの大型ミラーは、コーティング面積あたりのコストが高くなる。小型誘電体ミラーの長期所有コストは、金属ミラーと比べてかなり安いと言えるが、これはミラーを内蔵した機器の寿命や環境条件に依存する。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2013/05/201305_0036feature04.pdf