改良碳化硅反射镜：紫外到中红外的低损耗产品解决方案

高速扫描振镜，激光材料加工，传感，以及其它应用

作者：Deividas Buinovskis, Marius Gželka, Aivaras Pečiulis, 2022年
翻译：张龙杨（Jacob Zhang）

 

提高激光应用

每天都有新的激光应用诞生，现有的激光技术——无论是光学加工制造，还是激光雷达——变得越来越重要，其市场规模也越来越庞大。许多应用领域都有高速扫描振镜的身影，它能控制光束，实现特定的功能。在这方面，Altechna有了新的产品解决方案，让操作事半功倍。

首先，设备的能量输出对光学加工（比如激光微加工，增材制造，激光打标，等等）至关重要。光束作用到加工物体上的能量越强，加工将会越快完成，而难度也就越大。同时，如果系统中能量损耗减少，内部放热也会减少，能避免影响乃至损坏设备中的其它组件。

放热到一定程度，可能会发生热透效应和焦点转移，准确性由此降低。为了减少放热，往往需要有持续降温的设备，这又意味着占用更大的空间，投入更多的资金，处理更复杂的系统——但运用低损耗光学元件，内部放热能有效避免。

要想更好地了解降低功率损耗——哪怕只是一点点——对整个光学加工的意义，我们先来了解一下高速扫瞄振镜的运用之广。在2021年，仅材料加工部分（激光打标，激光微加工，kW+材料加工）的收益在激光应用市场中就占了将近三分之一。其次是增材制造市场，在过去的两年中收益增长了30%，并预期在2024年之前突破9亿欧元。除此之外，激光市场在过去的十年间突破了五倍的增长，自动化激光系统的市场潜力节节攀升。如果说这些大产业的应用还不够，那么算上国防安全、扫描成像系统，以及科技研发、航空领域的进步对扫描振镜的依赖，便不难了解其发展举足轻重。

对于这些应用而言，性能的提升并不单单依靠激光本身，振镜中的反射镜也至关重要。因此，生产的每一个环节，从光学材料的选择到考虑到时效、性价比的制造工艺，都不容小觑。Altechna清楚将激光系统中功率损耗最小化的意义，由此致力于为这些扫描振镜设备提供优良的产品解决方案。

 

高速扫描振镜

任何使用扫描振镜的激光系统的能力好坏，都取决于振镜将光束反射到具体位置准确性的高低（见图1）。因此，在系统中运用高质量的镜片显得尤为关键，才能保证即使周围有散热或位置发生变化，光束也能始终被反射到正确的位置。镜片需要有良好的面型，出色的导热能力，以及防止形变产生的稳定性，这些都由振镜基片使用的材料决定。

图1. 扫描振镜

 

在高压条件下寻求机械稳定性，碳化硅基片可谓是完美的选择。高硬度、高强度、高导热性， 碳化硅材料适用于那些在各种温度、湿度条件[1]下都要有稳定发挥且不易形变的光机系统。碳化硅的韧性使它能够组成复杂的3D结构，在重量节省70%的同时，还能保持甚至提升防止机械形变发生的能力。轻巧不笨重，扫描速度由此上升。有了这些特征，以碳化硅为材料的反射镜与其它脆弱的玻璃或金属材料比起来，整体表现更为出众，并在许多扫描系统——比如天文望远镜[2]——中将其替代。

 

功率损耗发生的原因

我们前面已经说过，从机械角度上来讲，碳化硅材料是扫描振镜中反射镜的最佳选择，但是它并不是直接就适用。最快速廉价的碳化硅基片加工方式——反应粘合[3]——往往会导致基片表面一半以上碳、硅材料未能被加工。这就意味着，基片部分区域有过硬的碳化硅，而有些地方则是较软的硅材料，表面软硬不均、有小孔，也杂糅了其它物质。从光学的角度上来讲，这样的基片（见图2），还不如传统的紫外熔石英材料基片，甚至在反射355nm波长的光束时要比后者多造成上千倍的色散。这样的碳化硅基片功能远不及紫外熔石英，仅仅是因为表面不平整。

图2. 未改良的碳化硅基片（A）与标准的紫外熔石英基片（B）表面平整度对比，以及它们的截面图。

要想解决这一问题，在生产过后碳化硅元件的表面需要经历一道改良工序，但是这道工序也并不简单。缘于碳化硅材料的高硬度，打磨难度高、耗时长、步骤繁复，即便如此，也不能确保最终生产出的产品刚好适用于特定波长。另外，研磨材料可能残留在不平整的表面，造成新的问题。

完美组合的最后一道工序

我们提到过，碳化硅的机械属性让它成为了扫描振镜中基片的完美材料，但是它表面的光学属性却是美中不足的地方。要想达到紫外熔石英基片那样的高反射率，需要一些特别的手段来控制表面平整度。前面还说过，直接打磨的话耗时长、效率低、价格贵，因此，Altechna决定利用自己的强项来解决这个问题——光学镀膜。

 

让表面平整

我们解决这个问题的办法是，给反射镜镀膜前，在表面增加一层基底层（sub-layer），并在此之后抛光。如果表面不够平整，给反射镜表面直接镀膜意义不大，这一点无需赘述。但是，如果我们可以借助基底层，加上精良的抛光工艺，元件表面将不再凹凸不平，由此导致的散射也可以规避。经过反复的实验改进，我们已经将碳化硅基片粗糙度偏移量的均方根（RMS）从30.9nm降到了0.35nm，正如图3中原子力显微镜（AFM）的测量结果所示。这个粗糙度几乎等同于紫外熔石英基片一般能达到的水平——0.3nm，也就表明，这样的基底层给低损耗介质镀膜提供了完美辅助。另外，为了确保基片反射的激光不受损，表面压力需要严格控制，这一点不仅跟镀膜有关，增加的基底层也很重要。我们已经可以很好地控制平面最后的P-V平整度，让应用达到理想的参数。

图3. 碳化硅（A）与基底层抛光后的碳化硅表面（B）平整度对比

 

低损耗紫外反射镜产品解决方案

在改良了碳化硅基片表面之后，就是Altechna在紫外反射镜上施展卓越介质镀膜工艺的时候了。正如图4所示，在角度为0°波长为355nm时，我们已经实现了99.5%的反射率——这是采用同样镀膜工艺的紫外熔石英基片能接受的误差值。改良后基片粗糙度偏移量的均方根（RMS），也是改良效果提升的有力证明。凭借基底层，这个值从改良前的4.72nm下降到了改良后的0.8nm。功率损失由此减少，光学性能自然上升。反射镜表面的镀膜更加光滑，瑕疵更少，这一点
对于提升反射率十分重要。

图4. 普通碳化硅反射基片（SiC+HR）、改良碳化硅反射基片（m-SiC+HR）、紫外熔石英反射基片（FS+HR）紫外介质反射光谱以及表面平整度

 

之前说过，要想让原本的光束不被损耗，表面的基底层以及膜层都要有一个很好的平整度。Altechna已经做到了这点，在用户的应用上，不仅可以保持激光的能量大小，还可以在不发生形变的情况下让光束反射到指定的地点。当然，用户的批量回购也是我们精确生产把控的证明。

改良方法有一套原则， 证实了这套原则的可靠性后，Altechna向其它波长的碳化硅反射镜基片迈进， 并寻找适用的镀膜工艺。如图5 所示， 这个高反镀膜（ R ＞ 9 9 . 5 % @1060-1085 nm+R＞95% @ 1540-1600 nm,AOI=44°-46°)的检测证明了碳化硅可以适用于更复杂的低损耗镀膜。这些检测结果是“原则之外”的，并有力说明了，一般来说，在基底层的辅助下，碳化硅反射镜基片上是可以进行介质镀膜的，并且能在任意波段上达到指定效果。

图5. 普通碳化硅基片（SiC）、改良碳化硅基片（m-SiC）、紫外熔石英基片（FS）红外介质反射光谱

 

碳化硅反射镜定制解决方案

我们能够为您提供从紫外到中红外碳化硅反射镜基片，成为您扫描振镜或其它类似应用的有效产品解决方案。如果您有任何疑问，欢迎联系我们的专业团队，我们将给您提供最好的技术支持：sales@altechna.com.

参考资料

[1] K. F. Carr, “Silicon carbide mirrors benefit highspeed laser scanning,” Laser Focus World, vol. 4, no. 44, pp. 102–104, 2008.

[2] T. Onaka, H. Kaneda, M. Kawada, K. Enya, and T.Nakagawa, “Cryogenic silicon carbide mirrors for infrared astronomical telescopes: lessons learnt from AKARI for SPICA,” Mater. Technol. Appl. to Opt. Struct. Components, Sub-Systems, 2013, doi: https://doi.org/10.1117/12.2026662.

[3] F. Jiang et al., “Research progress of optical fabrication and surface-microstructure modification of SiC,” J. Nanomater., vol. 2012, pp. 1–9, 2012, doi: 10.1155/2012/984048.

[4] A. Belosludtsev and D. Buinovskis, “Significant increase of UV reflectivity of SiC galvanometer mirror scanners for the high-power laser applications,” Opt. Laser Technol., vol. 140, no. 107027, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j. optlastec.2021.107027.