光学扫描

光学扫描:快速扫描应用驱动反射镜设计

成功的扫描需要将反射镜,镜座和电机集成于”M Cubed”系统中-这一过程需要权衡考虑材料,机械装夹,和各种扫描参数来获得最佳工作性能.

在扫描应用中使用的反射镜必须满足动态平面度的需要,同时具备低惯性和满足充分散热的要求-这项工作很棘手.快速移动意味着高带宽,这也需要整个移动系统具有抗扰性.为了满足这些需求,最理想的扫描需要反射镜,镜座,和电机集成在”M Cubed”系统中.而成功的集成,涉及到反射镜基底材料,电机和电机连接装置,最小惯性结构,散热设计和激光损伤阈值,必须仔细考虑权衡这些因素获得最佳的效果.

反射镜表面和基底

一般来说,反射镜用于扫描来自或者出射到相关场景中(或两者)的光束.光束移动而不是场景本身移动是由于光子比较轻,因此移动快得多.然而,反射镜或者反射镜组相对于光子来说有大得多的质量,并且他它们的质量和适用与一组给定的反射镜设计规则的口径体积成比例,.因此,设计必须想方设法减小反射镜的口径.

反射镜镜表面的各种传统参数-平面度,反射率,表面质量,耐久性和散射(按照参数的重要性排列)-都具有密切关系.然而如今越来越受到关注的是高能量本身和表面承受的高能量密度这两者的权衡考虑.

图1.商业使用的反射镜基底材料按照动态稳定度大小分级-动态稳定度对于提高性能来说是一个尽可能大的理想化参数

传统基底材料,除了镜用合金之外,就是典型的玻璃材料.尽管玻璃的硬度,弹性,和非晶结构可以满足需要,但是它们也带有我们不想要的特性,比如低导热性,低热膨胀系数和脆性.一些玻璃-特别是石英玻璃—具有低损耗正切角,这个特性表明振动无法很好地得到抑制.扫描系统要求的高加速度导致了陡峭的阶梯函数.结果,系统中元件比如反射镜的振动模式可以被模拟出来.除非在振动零件中存在或者关联于显著的固有阻尼,系统的反应才会减慢.因此理想的反射镜基底材料具有非晶体特性或者至少是无纹理的各向同性结构,同时具有高硬度,无限高坚硬度,无质量,无限大的热传导性和无限大的低损耗切角.

动态稳定度-用张量模度除以反射镜材料密度恰好得到-是两个用来度量动态反

射镜使用的适配性的最关键因素之一(参考图1).对于大部分的扫描应用系统,高激光能量,高加速度这两个特性决定了反射镜基底的候选材料必须具备足够高的热传导性.所以,动态稳定度和热传导性的乘积可以作为选择具有最佳性能的基底材料的良好标准.(参考图2).

膜层和激光损伤

反射膜能够附着在基底上,主要是由于存在一种作用半径小,但力量大的范德瓦尔斯力.镀膜材料(不总是金属)非常薄-数量级100nm.所以它实际上没有横向的热传导性,而不管材料的整体导热率为多大.因此,膜层依赖基底来移除堆积在表面的能量.

图2. 反射镜材料动态稳定度和热传导性的乘积应该尽可能的高,使之在具有高能量等级和高加速度特点的光学扫描应用系统中获得最佳性能,在这里, 铍和AlBeMet要比已知的其它反射镜材料优异得多.

不直观地说,所有的膜层都会”泄漏”,因此会吸收相当多的能量.一面承受能量密度为500 W/cm2 的特定激光的反射镜其反射率为99.9%,吸收能量密度为0.5

W/cm2. 假设用铝作为膜层材料,其厚度为100nm.受热过的金属体积为10-7 cm3 ,并且总的热比大概为2 ×10-15 J/K.由于缺少足够的导热性将热量转移到基底上,膜层可能会被蒸发掉.

除了吸收掉反射膜层的热量,,基底还必须有足够的热膨胀系数,防止膜层在基底上”起泡”.硅和金刚砂具有高热传导性,但是,它们的热膨胀系数还是在玻璃材料的范围内.在真空镀膜过程中,基底通过辉光放电被加热到200°C 清洁其表面.当冷却到室温时,如果基底的热膨胀系数如果比膜层的稍微高一些的话,膜层就会被压缩.适当的压缩效应是需要的,因为当反射镜在使用过程中变热时压力都得到释放了,并且大部分的膜层材料都为金属/金属氧化物,这些材料的抗张强度与它们的抗压强度相比要小.换句话说,一次严重的匹配不当会导致反射镜拿出镀膜腔室时使镜面上复杂的膜层破裂.

从以上观点来看,称之为AlBeMet的铝/铍合金是最接近理想材料的金属,由于符合铝和硅的系数,成为最广泛使用的镀膜反射基底材料.镍镉覆膜铍也是一种很好的材料,因为镍镉将铍和反射膜层的差异分离了出去.镍镉的优点也体现在它容易抛光,在低于532nm的短波范围内具有很小的散射度.

基底的热传导性对于解决现在的Q开关,连续波,超高速钛宝石和光纤激光造成的激光损伤问题起着关键作用.在能量光谱的高端范围内,可以很确信地说目前不存在能经受住这些激光光束的光学元件.自然冷却的最优化设计反射镜应该能承受能量密度为500 W/cm2 连续激光的持续辐照.通过大约5种因素,强制对流冷却增加了能量控制程度,依赖冷却装置的几何形状和安装角度,伺服系统将能忍受增加的机械噪音.

为500 W/cm2功率系数密度设计的反射镜在Q开关和其它长脉冲激光下能顺利

工作,只要激光的平均功率低于500 W/cm2, 辐照度低于1,这里的1指以W/cm2 为单位的峰值功率系数和很短时间内的交感相乘得到的积.在超高速皮秒到飞秒激光下,情况可能不一样.直到有可靠的数据出现之前,当脉冲长度低于10-12 时,最好将作用于反射镜上的激光峰值强度控制在1010 W/cm2 以下.

基底结构设计

带有内切角的简单平面-平行板层为最廉价的基底结构,同时也是惯性最大的设计.最佳反射镜剖面的精确形状随着应用的不同而不同,但是总体来说,是一种中心平坦尖端细翼的锥体. 反射镜的惯性能通过在翼面上打孔或者排列孔径来进一步减少.

反射镜的外周形状可以为外切多边形或者椭圆.但它必须足够坚硬,这样膜层施加在镜面上的压力不会将其扭曲,而不管系统带宽的需求为多大.如果膜层使反射镜扭曲,就会通过热透镜效应随着温度的变化改变其曲率,导致光束的会聚角和光斑直径发生变化.

图3.使用镍镉覆膜铍设计高性能扫描反射镜,支持超过2kHz带宽的闭环系统是一种利用最优法设计的好于使用其它合成材料的反射镜.(剑桥科技授权) 一种用铍