آینه‌های لیزر
تعریف: آینه‌های با کیفیت بالا که در تشدیدگرهای لیزری و سایر چیدمان‌های اپتیکی استفاده می‌شود.
تشدیدکننده لیزری شامل آینه‌هایی است که باید خصوصیات زیر را داشته‌باشد:
- بازتاب با تلفات کم (برای آینه‌های با بازتاب بالا) یا (برای تزویج‌گرهای خروجی) انتقال کاملاً مشخص در یک محدوده طول موج خاص
- کیفیت اپتیکی بالای سطح (صافی سطح مناسب در مساحت زیاد، زبری کم میکروسکوپی، جلوگیری از اعوجاج جبهه موج که می‌تواند کیفیت پرتو را بدتر کند)
- مقاومت خوب در برابر شدت اپتیکی زیاد برای جلوگیری از آسیب ناشی از لیزر (به‌ویژه در لیزرهای Q- سوئیچ)، به‌عنوان مثال، آستانه آسیب زیاد.
تقریباً در همه موارد، آینه‌های دی‌الکتریک بر اساس ساختارهای چند لایه (عمدتا آینه‌های چهارموج) به‌عنوان آینه‌های لیزری استفاده می‌شوند.
به‌طور معمول، یکی از آینه‌ها، که به‌عنوان تزویج‌گر خروجی استفاده می‌شود، قابلیت انتقال بسیار بالایی برای تابش لیزر دارد، در حالی‌که تمام آینه‌های دیگر بسیار بازتاب‌کننده هستند (به‌عنوان مثال با بازتابندگی> 99.8٪). برخی از آینه‌ها می‌توانند به‌صورت آینه‌های دایکرویک ساخته شوند و به‌این ترتیب امکان تزریق نور پمپ‌شده به محیط بهره لیزر با پمپاژ انتهایی، فراهم می‌شود (برای بعضی از لیزرهای شبه سه سطحی، به‌دلیل نزدیکی پمپ و طول موج لیزر، نیاز زیادی به چنین آینه‌های دایکرویک وجود دارد.).
البته می‌توان از آینه‌های لیزر برای بازتاب نور خارج از تشدیدگر لیزر نیز استفاده کرد. به‌عنوان مثال، استفاده از یک جفت آینه فرمان، که هر کدام 90 درجه پرتو را منحرف می‌کنند، برای ارسال پرتوی لیزر به برخی از دستگاه‌ها معمول است. پایه آینه‌های فرمان به‌طور معمول دو یا سه پیچ تنظیم دارند که امکان تنظیم مبدا و جهت پرتو را فراهم می‌کند.
تصویر 1:آینه‌های لیزری دی الکتریک
کیفیت سطح
برای اکثر آینه‌های لیزر، کیفیت سطح از نظر تراکم نقص‌های موضعی بسیار با اهمیت است. این اهمیت بیشتر برای جلوگیری از اعوجاج پرتو، به‌ویژه برای لیزرهایی است که در طراحی آن‌ها کیفیت پرتو خروجی با پراش محدود در نظر گرفته شده است. کیفیت سطح آینه اغلب با مشخصات “خراش و حفاری” مطابق با استاندارد ایالات متحده MIL-REF-13830B ، یا به‌طور‌جایگزین با روش دقیق‌تر بر اساس ISO 10110-7 سنجیده می‌شود. علاوه بر‌این، معمولاً میزان تحمل بی‌نظمی سطح، که به حفظ جبهه‌های موج مرتبط است، از نظر کمی بررسی می‌شود؛ به‌عنوان مثال ، ممکن است برای برخی لیزرها بی‌نظمی λ / 2 کافی باشد ، در حالی که برای برخی دیگر، مقدار λ / 8 یا مقدارهای بهتر مورد نیاز است. با این حال توجه داشته باشید که مشخصات معنی‌دار به اطلاعات بیشتری احتیاج دارند، به‌ویژه:
- مهم است که بدانیم مقادیر هنگام بازتاب، به سطح یا به جبهه‌های موج اشاره دارند، زیرا خطاهای جبهه موج بیشتر از دو برابر به‌دست می‌آیند.
- باید بدانید که اعداد مشخص شده مقادیر قله‌به‌قله یا m.s هستند.
- به‌علاوه، جالب است که اعداد، مقادیر نوعی یا تضمین شده مربوط به بدترین حالت هستند.
آستانه آسیب
بیشتر برای لیزرهای کلید زنی Q [1]، آستانه آسیب ناشی از لیزر[2] مهم است. برخی از طراحی‌های لیزر، شامل شدت اپتیکی به‌خصوص در آینه‌های تشدیدگر، فقط با آینه‌هایی با آستانه آسیب ویژه‌ای کار می‌کنند. این مهم می‌تواند با انتخاب مواد مناسب پوشش همراه با فرآیندهای ساخت با کیفیت بالا حاصل شود. توجه داشته باشید که حتی برای مواد داده شده، آستانه آسیب می‌تواند به‌طور قابل توجهی توسط ناخالصی‌ها یا نقص‌های میکروسکوپی کاهش یابد.
عبور باقیمانده
آینه‌های لیزر با بازتابندگی بالا نیز دارای عبور باقیمانده هستند. به‌ویژه در لیزرهای حالت جامد، این امر می‌تواند منجر به ایجاد پرتوهای خروجی اضافی با توان زیاد شود. بعضی اوقات این پرتو اضافی برای اهداف عیب‌یابی مانند رصد توان لیزر، بدون به‌کارگیری بخشی از پرتو خروجی استفاده می‌شود. با این حال، امکان دارد از یکنواختی عبور باقیمانده مشکلاتی ناشی شود، که این مسایل می‌تواند برای آینه‌های با بازتاب بالا، جدی باشد.
خواص دایکرویک
بسیاری از آینه‌های لیزر باید به‌سادگی بازتابگر طول موج لیزر باشند. با این حال، در بعضی موارد، به ویژگی‌های اضافی به‌عنوان مثال انتقال بالای نور پمپ‌شده در طول موجی کوتاه‌تر نیاز است. پس از آن لازم است از آینه‌های دایکرویک[3] که طراحی پیچیده‌تری در زمان لایه‌نشانی دارند استفاده شود. به‌عنوان مثال، شکل 2 طیف بازتابی یک آینه کوتاه‌گذر را نشان می‌دهد، که می‌تواند برای لیزر Nd: YAG با پمپاژ انتهایی استفاده شود: به‌عنوان مثال نور پمپ در 808 نانومتر به‌خوبی منتقل می‌شود ، در حالی که نور لیزر در 1064 نانومتر کاملاً بازتاب می‌شود.
تصویر 2: منحنی بازتابندگی فیلتر لبه دی الکتریک با انتقال زیاد زیر 980 نانومتر و بازتابندگی بالای 1030 نانومتر.
در سایر موارد، لازم است تشدیدگر قوی داشته‌باشیم تا خطوط لیزر ناخواسته به‌وجودآمده را حذف کند. به‌عنوان مثال، اگر خط قوی‌تر لیزر در 1064 نانومتر، با عبور زیاد از حداقل یک آینه تشدیدگر به‌اندازه کافی فرونشانده شود، می‌توان لیزر Nd: YAG را وادار کرد که در 946 نانومتر کار کند.
زیرلایه‌های آینه
معمولاً آینه‌های لیزر بر اساس زیرلایه‌های آینه ساخته شده از برخی شیشه‌ها (به‌عنوان مثال BK7 یا سیلیس ذوب شده) یا سرامیک‌های شیشه‌ای ساخته می‌شوند، اما می‌توان روکش‌های آینه را مستقیماً روی کریستال لیزر (یا شیشه) قرار داد، به‌عنوان مثال برای لیزرهای یکپارچه[4]. زیرلایه‌های آینه معمولی به‌شکل استوانه‌ای هستند و قطر آن‌ها به‌طور مثال 1 اینچ (25.4 میلی‌متر) یا 0.5 اینچ و ضخامت آن 6 میلی‌متر است. حتی برای آینه‌های با بازتاب بالا، برخی از خصوصیات زیرلایه، به‌ویژه کیفیت سطح، می‌تواند مهم باشد، اما سختی زیاد، ضریب انبساط حرارتی کم و یا هدایت حرارتی بالا (برای جلوگیری از تحدب حرارتی در لیزرهای با قدرت بالا) از دیگر ویژگی‌های مهم است. برای عبور نور در آینه‌های جزئی، داشتن همگنی نوری بالا (برای جلوگیری از اعوجاج پرتو برای نور عبوری) و همچنین تلفات جذب و پراکندگی کم نیز می‌تواند مهم باشد.
زیرلایه‌های آینه ممکن است سطح منحنی داشته باشند و منجر به متمرکز شدن آینه‌های لیزر شوند. فاصله کانونی موثر با فرض فرود عمود، نیمی از شعاع انحنا است. برای شعاع انحنای کمتر از 10 میلی‌متر روکش با کیفیت به سختی به‌دست می‌آیند. برخی از تولیدکنندگان خاص می‌توانند آینه‌های خوبی با شعاع کمتر از 1 میلی‌متر تولید کنند.
برای جزئیات بیشتر ، به مقاله زیرلایه‌های آینه [5]مراجعه کنید.
تصویر 3:یک آینه لیزر به‌عنوان بخشی از لیزر پمپ شده با دیود بر روی یک آینه قابل تنظیم قرار می‌گیرد. پیچ‌های تنظیم اجازه می‌دهد تا تشدیدگر لیزر تراز شود.
سوارکردن آینه‌های لیزر
آینه‌های لیزر اغلب روی پایه‌های قابل تنظیم قرار می‌گیرند (شکل 2 را ببینید). با چرخاندن دو یا سه پیچ تنظیم، می‌توان یک تشدید کننده لیزری را تراز کرد. پایه‌های با کیفیت بالا امکان نصب پایدار را فراهم می‌کنند در حالی که تنش مکانیکی کمی به زیرلایه آینه وارد می‌کنند، جهت‌گیری آینه را برای مدت طولانی پایدار می‌کنند و تأثیرات کمی از تغییرات دما نشان می‌دهند.
انواع ویژه آینه
انواع خاصی از آینه‌های دی‌الکتریک مانند آینه‌های چهچهای[6](یا انواع دیگر آینه‌های پاشنده ) نیز می‌توانند مقدار مناسبی از پاشندگی رنگی را در تشدیدگر لیزر قفل شده مدی ایجاد کنند. بنابراین ممکن است مثلا بتوان از به‌کارگیری یک جفت منشور جلوگیری کرد و بنابراین لیزرهای فمتوثانیه نسبتاً فشرده ساخت.
ابرآینه‌هایی نیز وجود دارد که تلفات بازتاب آن بسیار کم است، اما به‌ندرت در تشدیدگرهای لیزری استفاده می‌شود.
آینه‌های روکش دار فلزی، مانند آینه‌های نقره‌ای، معمولاً برای تشدیدگرهای لیزر مناسب نیستند، زیرا تلفات بازتابی آن‌ها بسیار بیشتر است و همچنین تزویج‌گرهای خروجی مناسبی نیستند. علاوه بر این، آن‌ها تمایل به اکسید شدن در سطح و در نتیجه از دست دادن کیفیت سطح و بازتاب دارند. با این حال، لیزرهای CO2 معمولا به آینه‌های سطح رویین با روکش فلز مثلا آینه‌ای با یک پوشش طلا روی یک لایه مس نیاز دارند. انواع دیگری از آینه‌های سطح رویین نیز وجود دارد که برای استفاده در تشدیدگرهای لیزر مناسب هستند.