反射率の特定は思ったよりも複雑? レーザー用高反射ミラーの測定法

反射率が99.8%~99.999%の高反射ミラーは,スループットを最大化しながらビームステアリングを行なう上で,多くのレーザーシステムにとって重要な部品。業界では,分光測光法を用いて透過率を測定し,残りの光は反射されたと見なすことによってミラーの反射率を求めることが一般的な慣行になっている。

しかしながら,この方法では散乱や吸収の視点が考慮されていないため,算出した反射率の値は楽観的なものになりがちだった。反射率が99.5%を超えるミラーでは,キャビティリングダウン分光法(CRDS)による全損失の測定が,より正確な反射率の特定方法となる。そのため,まずはサプライヤーの測定法を理解することが,現実世界での性能を予測する上で重要になる。

●透過率の測定だけでは不十分
分光光度計を用いた透過率測定によってミラーの反射率を特定することは,散乱や吸収はほんの僅かに過ぎないという仮定に基づいたものだが,非常に高い反射率が求められる場合,この僅かな影響が大きな影響を及ぼすことになる。分光光度計では99.5%未満の反射率であれば直接測定できるが,それ以上になると分光光度計の信号対雑音比(SNR)の限界に達する。

誤った結論:∑Intensity(強度の総和)=Reflection(反射量)+ Transmission(透過量)

正しくは:∑Intensity(強度の総和)=Reflection(反射量)+ Transmission(透過量)+ Scatter(散乱量)+ Absorption(吸収量)


●高反射ミラーに最適なキャビティリングダウン分光法(CRDS)

Figure 1:透過,吸収,散乱をはじめとしたレーザーミラーの全損失はCRDSによって特定される。

高反射ミラーの測定法としてもっとも正確なのはキャビティリングダウン分光法(CRDS)になる。これは,透過,吸収,散乱をはじめとした,ミラーの全損失を測定する方法である。

レーザーのパルスは,2枚の高反射ミラーに囲まれた共振器に送られる(Figure 1)。反射したレーザー光は,共振器内で往復し,反射する毎に僅かな量の光を損失する。2枚目のミラーの後ろに置かれたディテクターが反射光の強度の減衰を測定する。ミラーの全損失は,この反射光の減衰時間(リングダウン)によって特定される。




●現実世界の例

Figure 2:分光測光法を用いた解析
Figure 3:CRDSと反射分光測光法を用いた解析

2枚の高反射ミラーの透過率を透過分光測光法を用いて測定した(Figure 2)。測定されたMirror 2(青線)の透過率は,Mirror 1(黄線)に比べて大幅に低く,Mirror 2のほうがより高い反射率をもつことになる。他の方法で測定を行わなければ,Mirror 1の名目反射率は99.9%,Mirror 2の名目反射率は99.99%と見なされる。

しかし,この2枚のミラーをCRDSを用いて測定すると,それが正しくないことが明らかになった。Mirror 1の損失値は分光測光法を用いて特定された名目反射率と矛盾がなかったが,一方のMirror 2の反射率はCRDSシステム内で共振を起こせないほどに低いものだった。

反射分光測光法を用いて直接その反射率を測定したところ,Mirror 2の性能はMirror 1よりもずっと低く,末端の反射率は吸収と散乱によってMirror 1よりも0.5%低下することがわかった(Figure 3)。短波長側で特に反射率が下がるのは,吸収と散乱による特徴。








●CRDSにより反射率を測定した高反射ミラー

エドモンド・オプティクス(EO)では,高反射および高透過オプティクスの損失測定を高感度で行なうため,CRDSを使用している。このCRDSシステムは,1064nm,532nm,355nm,266nmといった一般的なNd:YAG波長や高調波用に調整されている(必要に応じて他の波長用にも調整可能)。


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