Antireflexbeschichtungen für Hochleistungs-Faserlaser-Optiken
Antireflexbeschichtungen für Hochleistungs-Faserlaser-Optiken
Autoren: Gherorghe Honciuc, Emiliano Ioffe, Ophir Optics Group, MKS Instruments Inc.

EINLEITUNG
Faserlaser (Wellenlänge 1 μm) mit Leistungen im Kilowatt- Bereich werden in wichtigen Anwendungen in der Makro-Materialbearbeitung eingesetzt, insbesondere zum Schneiden und Schweißen von Metallen. Hierzu werden Optiken (Linsen, Schutzfenster) benötigt, die auch bei entsprechend hohen Laserleistungen und -intensitäten einwandfrei arbeiten. Dabei sind insbesondere die Absorptionsverluste der Optiken von entscheidender Bedeutung. Die Absorption der Laserstrahlung führt zu erhöhter Temperatur und entsprechend erhöhtem Brechungsindex der Optiken. Damit ändern sich auch die Eigenschaften des transmittierten Laserstrahls, was sich in der Regel nachteilig auf den Fertigungsprozess auswirkt. Darüber hinaus können die Temperaturerhöhungen innere mechanische Spannungen verursachen, die zur Zerstörung der Optik führen können. Um dies zu vermeiden, müssen Optiken mit möglichst niedrigen Absorptionsverlusten verwendet werden.

Als Rohmaterial für die Optiken steht Quarzglas mit hinreichend niedriger Absorption zur Verfügung. Die Qualität der Optiken ist deshalb in entscheidendem Maße abhängig von der Qualität der Oberflächenbearbeitung (Politur) und insbesondere von der Absorption der ARBeschichtungen.

Außerdem müssen die AR-Beschichtungen möglichst wenig Restreflexion aufweisen, weil Reflexe, die auf die Innenwände des Bearbeitungskopfes gelangen, diesen erwärmen können, was ebenfalls die Zuverlässigkeit des Fertigungsprozesses beeinträchtigen kann. – Häufig wird zusätzlich noch eine hohe Transmission für einen Laserpointer benötigt.

Schließlich ist für den Anwender eine lange Standzeit der Optiken wichtig, um Unterbrechungen im FertiSchließlich ist für den Anwender eine lange Standzeit der Optiken wichtig, um Unterbrechungen im Fertigungsprozess zu minimieren. Auch hierzu muss die Absorption der AR-Beschichtungen möglichst niedrig sein.

Gegenstand dieses Artikels sind die Materialien, Beschichtungsprozesse und Messverfahren, die Ophir Optics für die Fertigung von Hochleistungsoptiken mit niedriger Absorption einsetzt.

ROHMATERIAL
Bezüglich der Absorption von Quarzglas gibt es zwei Materialkategorien:

  1. Quarzglas mit Absorption größer als 1 ppm/cm, z. B. Corning 7980
  2. Quarzglas mit Absorption kleiner als 1 ppm/cm, z. B. Suprasil 3001¹.

 

Aufgrund der vergleichsweise hohen Kosten für Material der Kategorie (b) sollte bei jeder Anwendung geprüft werden, ob auch der Einsatz von Material der Kategorie (a) hinreichend gute Ergebnisse liefert.

Da die Absorption hochwertiger AR-Beschichtungen weniger als 10 ppm betragen kann, ist bei Verwendung von Material der Kategorie (a) zu berücksichtigen, dass dessen Absorption erheblich zur Gesamtabsorption der beschichteten Optik beiträgt. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass auch der Polierprozess Einfluss auf die Absorption haben kann. Um die Qualität einer Beschichtung zu beurteilen, ist es deshalb notwendig, die Absorption der Optik vor UND nach der Beschichtung zu messen.

RAUHEIT UND SAUBERKEIT DER OPTISCHEN OBERFLÄCHEN
Neben den Absorptionsverlusten können auch Streuverluste die Funktion von Hochleistungsoptiken beeinträchtigen. Deshalb beinhaltet die Qualitätssicherung bei Ophir Optics auch Rauheitsmessungen an den polierten optischen Oberflächen. Abb. 1 zeigt ein Messprotokoll, das für eine plane Oberfläche erstellt wurde. - Die Standardtoleranz für die Rauheit beträgt 1 nm für plane und sphärische Oberflächen bzw. 5 nm für asphärische Oberflächen.


Abb. 1 Rauheitsmessung einer ebenen polierten Oberfläche (erstellt mit Interferometer Zygo Opti Pro)

Vor der Beschichtung werden die Optiken in einer automatisierten Ultraschall-Reinigungsanlage gereinigt, anschließend wird die Sauberkeit jeder Optik visuell überprüft.

BESCHICHTUNGSVERFAHREN
Für die Herstellung absorptionsarmer Beschichtungen sind folgende Verfahren beschrieben worden: konventionelles Aufdampfen, ionenstrahlgestütztes Aufdampfen (IAD)[2], Ionenstrahlsputtern (IBS)[3], Plasma-assistiertes reaktives Magnetronsputtern (PARMS)[4], Sol- Gel-Technik[5], Atomic Layer Deposition[6] , Molekularstrahlepitaxie (MBE)[7], Nanostrukturierung[8].

Ophir Optics fertigt die Beschichtungen mit IAD, weil mit diesem Verfahren sehr gute Ergebnisse bei vertretbaren Kosten erzielt werden können. Als Schichtmaterialien werden HfO2, Ta2O5 und SiO2 verwendet. Zur

Ausstattung der Beschichtungsanlagen gehören: Hochvakuumpumpe mit Meissnerfalle; Heizelemente oberhalb und unterhalb der Kalotte, in die die zu beschichtenden Optiken eingelegt werden; Gaseinlasssystem für reaktives Aufdampfen; Ionenquelle zur Vorreinigung der Optiken und für IAD; Elektronenstrahlverdampfer; Systeme zur Schichtdickenmessung mit Quarzkristall und optisch. Die Beschichtungsanlagen befinden sich in einem Reinraum der Klasse 1000. Reinigung, Inspektion und Verpackung der Optiken werden in einer Umgebung mit Reinraumklasse 100 durchgeführt.

Um den gesamten Bereich der Kalotte (Durchmesser 760 mm) für die Herstellung der Beschichtungen nutzen zu können, müssen die Schichteigenschaften (Brechungsindex, Schichtdicke, Absorption) an allen Positionen möglichst identisch sein. Hierzu müssen die Beschichtungsparameter sorgfältig optimiert werden, und zu jeder Charge müssen mehrere Optiken aus geeigneten unterschiedlichen Positionen in der Kalotte getestet werden.

AR-BESCHICHTUNGEN
Die einfachste AR-Beschichtung, die (theoretisch) eine Restreflexion von Null ermöglicht, ist das sogenannte "V-coating", benannt nach dem "V"-förmigen Verlauf der Reflexion als Funktion der Wellenlänge (rote Kurve in Abb. 2). Es besteht aus einer Schicht mit hohem Brechungsindex (hier HfO2) und einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex (hier SiO2). Dabei ist die Schicht aus dem relativ stark absorbierenden hochbrechenden Material vergleichsweise dünn, so dass die Absorption der Beschichtung insgesamt sehr niedrig ist (s. hierzu auch Tabelle 1). – Zusätzlich zu einer hohen Transmission bei 1 μm wird bei zahlreichen Anwendungen eine hohe Transmission bei ca. 650 nm (Laserpointer) benötigt. Auch dies ist mit zwei Schichten realisierbar, jedoch nur mit erhöhter Dicke der hochbrechenden Schicht und entsprechend erhöhter Absorption (blaue Kurve in Abb. 2 und Tabelle 1). Mit einer solchen Beschichtung ist es möglich, für eine einzelne Wellenlänge zwischen 1030 und 1070 nm eine Restreflexion unter 0,1% zu realisieren; für den gesamten Bereich 1030 bis 1070 nm ist eine Restreflexion unter 0,2% realisierbar.


Abb. 2. Reflexion für: rot – AR-V-Coating mit HfO2; blau – AR-Beschichtung mit 2 Schichten und erhöhter Dicke der hochbrechenden Schicht (Ta2O5); grün – AR-Beschichtung mit 4 Schichten, R < 0,1% bei 1020-1090 nm.

Insbesondere für die Beschichtung gekrümmter Linsenoberflächen ist es nicht ausreichend, wenn die Restreflexion lediglich für die Laserwellenlänge minimiert ist, und zwar aus folgenden Gründen:

  • die Dicke der Beschichtung ist in der Mitte der Linsenoberfläche am größten und verringert sich mit zunehmendem Abstand von dort;
  • der Einfallswinkel des Laserstrahls beträgt 90° in der Linsenmitte und verringert sich mit zunehmendem Abstand von dort.

 

Beide Effekte bewirken eine Verschiebung der Reflexionskurve zu kürzeren Wellenlängen. Um dies zu kompensieren, muss die Reflexion auch in einem passenden Bereich oberhalb der Laserwellenlänge möglichst niedrig sein. - Zusätzlich ist noch zu berücksichtigen, dass die aufgedampften Schichtdicken an unterschiedlichen Positionen in der Kalotte der Beschichtungsanlage leicht voneinander abweichen können.

Da diese Anforderungen mit einem Zwei-Schicht-System nicht realisierbar sind, hat Ophir Optics ein aus 4 Schichten bestehendes System entwickelt, dessen Reflexion im Bereich 1020-1090 nm kleiner als 0,1% ist. Die grüne Kurve in Abb. 2 zeigt den zugehörigen Reflexionsverlauf.

Speziell für extrem hohe Laserleistungen (> 12 kW) hat Ophir Optics eine breitbandige Beschichtung mit einer Restreflexion von unter 0,05% im Bereich 1030-1120 nm entwickelt, siehe hierzu die rote Kurve in Abb. 3. - Außerdem zeigt Abb. 3 noch die Reflexionskurven eines weiteren V-coatings und eines weiteren Zwei-Schicht-Systems mit erhöhter Dicke der hochbrechenden Schicht.


Abb. 3. Reflexion für: rot – breitbandige AR-Beschichtung mit R < 0,05 % bei 1030-1120 nm; blau – AR-V-Coating mit Ta2O5; grün – AR-Beschichtung mit 2 Schichten und erhöhter Dicke der hochbrechenden Schicht (HfO2)

Die wichtigsten technischen Daten aller gezeigten Beschichtungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Nach aktuellem Kenntnisstand sind die in Tabelle 1 genannten Absorptionswerte die niedrigsten, die mit IAD zuverlässig realisiert werden können. Noch niedrigere Werte lassen sich mit IBS erzielen, jedoch ist der Einsatz dieses Verfahrens wegen der vergleichsweise hohen Kosten nur für wenige spezielle Anwendungen sinnvoll.

Tabelle 1: Technische Daten AR-Beschichtungen

Beschichtung 5011
Abb. 2 rot
5120
Abb. 3 grün
5175
Abb. 3 blau
5178
Abb. 2 blau
5324
Abb. 2 grün
5418
Abb. 3 rot
Transmission (Optik beidseitig beschichtet) >99,8% bei 1064 nm
> 60% bei 650nm
>99,6% bei 1064 nm
>90% bei 650nm
>99,8% bei 1064 nm
>60% bei 650nm
>99,6% bei 1064 nm
>85% bei 650nm
>99,8% bei 1020-1090 nm
>80% bei 650nm
>99,9% bei 1030-1120 nm
>80% bei 650nm
Reflexion/Oberfläche bei 1064 nm < 0.1% < 0.2% < 0.1% < 0.2% < 0,1 % bei 1020 -1090 nm <0,05 % bei 1030-1120 nm
Absorption/Oberfläche bei 1 μm* < 8ppm* < 10ppm* < 10ppm* < 10ppm* 12ppm* 12ppm*
Härte Gut Gut Sehr gut Sehr gut Sehr gut Sehr gut
Max. Laserleistung (cw) in kW 10 / 17** 10 / 17** 10 / 17** 10 15 17
*Obere Toleranzgrenze für die Fertigung; die tatsächlichen Werte können deutlich niedriger sein
**Diese Werte gelten lediglich für Planoptiken (Schutzfenster) und sind stark abhängig von den Umgebungsbedingungen. Die Werte für Linsen sind außerdem abhängig von der Krümmung der optischen Oberflächen (s. hierzu auch den Text auf Seite 3 unten links)

MESSUNG DER ABSORPTION
Controlling the absorption of every optical component is the key to producing AR coatings for high power fiber lasers - this includes controlling the absorption in coatings, polished surfaces, and glass (substrate). From each coating batch produced, absorption is measured at several samples.

Für Absorptionsmessungen verwendet Ophir Optics ein kalorimetrisches Messsystem, dessen Aufbau in Abb. 4 skizziert ist. Die zu messende Optik wird drei Minuten lang mit einem Faserlaser (cw, 1030 nm, 500 W) angestrahlt. Gleichzeitig wird mit einem Pyrosensor, der bei 8-12 μm arbeitet, die Temperaturerhöhung an der oberen Oberfläche der Optik gemessen.

Ein Vorzug dieses Verfahrens besteht darin, dass es direkte Informationen zur Temperaturerhöhung der Optik bei Bestrahlung mit einem Laser hoher Leistung liefert. Allerdings sind Messdaten zu Optiken unterschiedlicher Größe nicht vergleichbar, so dass in der Qualitätssicherung zu jedem Produkt ein individueller Toleranzwert definiert werden muss. - Außerdem ist es äußerst schwierig, aus den Messdaten Absolutwerte für die Absorption zu ermitteln.


Fig. 4 Schematic illustration of the OQM opto-mechanic set-up for absorption measurement.

Deshalb verwendet Ophir Optics zusätzlich das PCIVerfahren (Photothermal Common-Path-Interferometry), mit dem die Absorption ortsaufgelöst gemessen wird [9]. Bei diesem Verfahren wird die Optik mit einem auf die zu messende Position fokussierten "Pump"-Laser (1 μm) angestrahlt. Die daraus resultierende lokale Erwärmung führt zu einer lokalen Änderung des Brechungsindexes. Diese erzeugt an einem Test- Laserstrahl (633 nm) Interferenzeffekte. Durch Messung und Auswertung dieser Effekte werden die lokale Änderung des Brechungsindexes und damit auch die lokale Temperaturerhöhung ermittelt.

In Abb. 5 bis 8 sind typische Messkurven gezeigt, die mit den beiden Verfahren erstellt wurden. Alle Messungen wurden an derselben Optik vor und nach der Beschichtung durchgeführt (Fenster aus Quarzglas Corning 7980, Durchmesser 50 mm, Dicke 5 mm). Die PCI-Diagramme in Abb. 5 und 6 zeigen die Ortsabhängigkeit der Absorption bei einem Scan von einer Oberfläche durch die Optik hindurch zur zweiten Oberfläche. In Abb. 6 sind die Absorptionsmaxima im Bereich der Beschichtungen deutlich sichtbar; die absolute Absorption beträgt jeweils ca. 4 ppm. Abb. 7 und 8 zeigen die Ergebnisse zu den entsprechenden kalorimetrischen Absorptionsmessungen.


Abb. 5 PCI-Absorptionsmessung an Optik aus Corning 7980 (unbeschichtet)


Abb. 6 PCI-Absorptionsmessung an Optik aus Corning 7980 mit beidseitiger Beschichtung (5011)


Abb. 7 Absorptionsmessung kalorimetrisch an Optik aus Corning 7980 (unbeschichtet)


Abb. 8 Absorptionsmessung kalorimetrisch an Optik aus Corning 7980 nach beidseitiger Beschichtung (5011)

Die Absorptionsmessungen im Rahmen der Qualitätssicherung werden wegen der einfacheren Handhabung mit dem kalorimetrischen Messsystem durchgeführt. Das PCI-Verfahren wird lediglich für spezielle Zwecke eingesetzt, beispielsweise zur Eichung der kalorimetrischen Messdaten.

ZUSAMMENFASSUNG
Ophir Optics hat absorptionsarme AR-Beschichtungen für Optiken entwickelt, die bei Anwendungen mit Hochleistungs- Faserlasern eingesetzt werden. Die Herstellung der Beschichtungen erfolgt durch ionenstrahlgestütztes Aufdampfen (IAD). Für Absorptionsmessungen werden hochauflösende Verfahren verwendet, mit denen auch Werte im ppm-Bereich zuverlässig gemessen werden können.

Um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, wurden die Beschichtungen bezüglich folgender Eigenschaften optimiert:

  • Absorption
  • Restreflexion
  • Eignung für gekrümmte Linsenoberflächen
  • Transmission für Laserpointer
  • Verträglichkeit mit hohen Laserleistungen
  • Herstellungskosten

 

Aktuell können Beschichtungen mit folgenden Toleranzen gefertigt werden:

  • Restreflexion < 0,05%
  • Absorption < 8 ppm
  • Transmission bei 650 nm > 95%

 

Die Beschichtungen werden erfolgreich bei Laserleistungen bis über 15 kW eingesetzt. Damit werden die gegenwärtigen Anforderungen an Optiken für die Makro-Materialbearbeitung weitgehend erfüllt. Um dem Trend zu immer höheren Laserleistungen gerecht zu werden, arbeitet Ophir Optics auch zukünftig daran, die Qualität und Einsatzmöglichkeiten der Beschichtungen weiter zu steigern.

 

REFERENZEN

  1. F. Nürnberg, M. Altwein, B. Kühn, A.Langner, G. Schötz, R. Takke, S. Thomas, J. Vydra, "Bulk damage and absorption in fused silica due to high-power laser applications" Proc. SPIE 9632, Laser-Induced Damage in Optical Materials: 2015, 96321R (23 November 2015); doi: 10.1117/12.2194289
  2. S. M. JAVED AKHTAR*, D.RISTAU, J. EBERT, H. WELLING, High damage threshold single and double layer antireflection (AR) coatings for Nd:YAG Laser: conventional systems", JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS Vol. 9, No. 8, August 2007, p. 2391 – 2399".
  3. Derrick Carpenter, Chris Wood, Ove Lyngnes and Nick Traggis, "Ultra-low Absorption Glasses and Optical Coatings for Reduced Thermal Focus Shift in High Power Optics" www.advancedthinfilms.com
  4. Dam Bé L. Douti, Laurent Gallais, Christophe Hecquet, Thomas Bégou, Julien Lumeau, et al. "Analysis of energy deposition and damage mechanisms in single layer optical thin films irradiated by IR an UV femtosecond pulses" Proc. SPIE 9627, Optical Systems Design 2015: Advances in Optical Thin Films V, 962718 (2 October 2015); doi: 10.1117/12.2192983
  5. Herve G. Floch, Philippe F. Belleville, "Scratch-resistant single-layer antireflective coating by a low-temperature sol-gel route", Proc. SPIE 1758, Sol-Gel Optics II, (7 December 1992); doi: 10.1117/12.132008.
  6. H. Liu, L. Jensen, H. Mädebach, P. Ma, and D. Ristau "Comparison of ALD and IBS HfO2/Al2O3 anti-reflection coatings for the harmonics of the Nd: YAG laser", Proc. SPIE 10691, Advances in Optical Thin Films VI, 106911B (5 June 2018); https://doi.org/10.1117/12.2315444
  7. Garrett D. Colle, Wei Zhang, Bryce J. Bjork, …, High-Performance near- and mid-infrared crystalline coatings, OPTICA, Vol.3, No. 6, 2016, 647
  8. Douglas S. Hobbs*, Bruce D. MacLeod, Ernest Sabatino III, "Contamination resistant antireflection nano- textures in fused silica for laser optics". Laser-Induced Damage in Optical Materials: 2013, edited by Gregory J. Exarhos, Vitaly E. Gruzdev, Joseph A. Menapace, Detlev Ristau, MJ Soileau, Proc. of SPIE Vol. 8885, 88850J • © 2013 SPIE • CCC code: 0277-786X/13/$18 • doi: 10.1117/12.2042888.
  9. Ashot Markosyan, Roger Route, Helena Armandula, Martin Fejer, …" PCI Technique for Thermal Absorption Measurements", https://dcc.ligo.org/public/0037/ G080315/000/G080315-00.pdf.

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