Konkave Spiegel mit Loch

Produktübersicht

Die Herriott-Zellenspiegel von Thorlabs – ein üblicher Typ von konkaven Spiegeln mit Löchern – verfügen über einen Außendurchmesser (OD) von 1 Zoll oder 2 Zoll mit zentrierten oder außeraxialen Löchern (Durchmesser von 3 mm bis 4 mm) und verstärkten Goldbeschichtungen im mittleren Infrarotbereich (mittleres IR). Diese Beschichtungen bieten einen durchschnittlichen Reflexionsgrad von >98 % im Bereich von 2–20 µm, einem Wellenlängenbereich, der für die Gasspektroskopie (z. B. Nachweis von CO₂, Methan) und Hochleistungslasern im mittleren Infrarotbereich von entscheidender Bedeutung ist. Die konkave Oberfläche des Spiegels verfügt über einen präzisen Krümmungsradius (ROC), der bei Herriott-Zellen typischerweise 1 m bis 5 m beträgt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Strahlen mehrfach innerhalb des Hohlraums reflektiert werden, während die Ausrichtung erhalten bleibt.

Produktmerkmale

Optimiertes Reflexionsvermögen im mittleren Infrarotbereich : Verbesserte Goldbeschichtungen (mit einer 5-nm-Chrom-Haftschicht und einer 100-nm-Goldschicht) liefern >95 % absolutes Reflexionsvermögen über 2–20 µm – deutlich höher als Standard-Goldbeschichtungen (die bei 20 µm auf 90 % sinken). Die Beschichtungen werden durch thermische Verdampfung in einer Hochvakuumumgebung (<10⁻⁶ Torr) abgeschieden, um Gleichmäßigkeit zu gewährleisten und die Absorption zu minimieren (Absorption <2 % bei 10,6 µm), was für Multi-Pass-Systeme von entscheidender Bedeutung ist, bei denen jede Reflexion zum Signalverlust beiträgt.

Präzise Lochplatzierung und -bearbeitung : Erhältlich mit zwei Lochkonfigurationen: zentrierte Löcher (ø3 mm für 1-Zoll-Spiegel, ø4 mm für 2-Zoll-Spiegel) für einfache Strahlinjektion und außeraxiale Löcher (um 5–10 mm von der Mitte versetzt) ​​zur Maximierung der Pfadlänge in Herriott-Zellen. Die Löcher werden mittels Laserbearbeitung (für Glassubstrate) oder Ultraschallbohren (für Metallsubstrate) gebohrt, was zu sauberen Kanten (Grat <5 µm) und Rechtwinkligkeit zur Spiegeloberfläche (<0,1° Abweichung) führt – eine Strahlablenkung am Loch wird verhindert.

Thermische Stabilität für Hochleistungsanwendungen : Hergestellt aus UV-Quarzglassubstraten, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (0,55 × 10⁻⁶ /°C) und eine hohe Wärmeleitfähigkeit (1,4 W/m·K) aufweisen. Diese Stabilität minimiert Änderungen im Krümmungsradius (ROC-Variation <0,1 % über -40 °C bis +80 °C) und sorgt so für eine gleichmäßige Strahlfokussierung auch in Hochleistungssystemen (z. B. 100-W-CO₂-Laser). Für extreme Temperaturen stehen Saphirsubstrate (Wärmeausdehnung 5,0 × 10⁻⁶ /°C) zur Verfügung.

Schutzschicht für Umweltbeständigkeit : Die Goldbeschichtung ist mit einer 10 nm dicken SiO₂-Schutzschicht versehen, die die Beständigkeit gegen Feuchtigkeit (95 % relative Luftfeuchtigkeit für 1000 Stunden ohne Anlaufen) und mechanischen Abrieb (Mohs-Härte von 2,5 auf 5 erhöht) verbessert. Dieser Überzug reduziert auch die Streuung an der Beschichtungsoberfläche (Streuungsverlust <0,5 % bei 10,6 µm) und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis in der Spektroskopie.

Große freie Apertur und ROC-Toleranzen : Modelle mit 1 Zoll Durchmesser haben eine freie Apertur von > ø22 mm (88 % des Außendurchmessers), wodurch sichergestellt wird, dass die Strahlen den größten Teil der reflektierenden Oberfläche nutzen. Der Krümmungsradius (ROC) wird mit einer Toleranz von ±0,5 % bearbeitet (z. B. 1 m ROC ±5 mm), was für Herriott-Zellen entscheidend ist – kleine ROC-Variationen können die Anzahl der Reflexionen (und damit die Pfadlänge) um reduzieren Die Oberflächenebenheit der konkaven Oberfläche beträgt <λ/4 bei 633 nm, wodurch die Wellenfrontverzerrung minimiert wird.

Anwendungen

Herriott-Zellen und Gassensorik : Ermöglichen lange optische Pfadlängen (bis zu 100 m) in kompakten Hohlräumen (Volumen <1 l) für die Gasspektroskopie. Bei der Umweltüberwachung erkennen Herriott-Zellen mit Hohlspiegeln mit Löchern Spurengase (z. B. Methan in Konzentrationen von nur 1 ppm), indem sie die Absorption von Licht im mittleren Infrarotbereich messen. Durch das Loch kann der Laserstrahl in die Zelle eindringen, 50–100 Mal von den konkaven Spiegeln reflektiert werden und zur Detektion wieder austreten.

Laserkavitäten und -resonatoren : Erleichtern die Strahlinjektion und -extraktion in hochfeinen Laserresonatoren (z. B. diodengepumpte Festkörperlaser, DPSSLs). In einem DPSSL-Hohlraum lässt das Loch des Spiegels den Pumpstrahl in das Verstärkungsmedium (z. B. Nd:YAG-Kristall) eindringen, während die konkave Oberfläche den Laserstrahl (1064 nm) reflektiert, um den Resonator zu bilden. Dieses Design macht separate Strahlteiler überflüssig und reduziert Hohlraumverluste.

Raman-Spektroskopie : Verbessern Sie die Signalerfassung in Raman-Spektroskopiesystemen, die molekulare Schwingungen durch Messung von Streulicht erfassen. Der konkave Spiegel mit Loch fokussiert den Anregungslaser (z. B. 532 nm) über das Loch auf die Probe, sammelt dann das Raman-gestreute Licht (verschobene Wellenlängen) und reflektiert es zu einem Detektor. Diese Konfiguration erhöht die Signalintensität im Vergleich zu flachen Spiegeln um 50–100 %.

Telekommunikationstests und optische Verzögerungsleitungen : Erstellen Sie kontrollierte optische Verzögerungsleitungen zum Testen von Glasfaserkomponenten (z. B. Modulatoren, Verstärker). Durch Anpassen des Abstands zwischen zwei konkaven Spiegeln mit Loch kann die Strahlweglänge (und damit die Verzögerung) von 10 cm bis 10 m eingestellt werden – entscheidend für die Prüfung der Signalausbreitung in Telekommunikationsnetzen mit großer Reichweite (z. B. 10-Gbit/s-Systeme).

Materialbearbeitung mit Hochleistungslasern : Fokussieren und Umlenken von Hochleistungslaserstrahlen bei Bohr-, Schweiß- und Markierungsanwendungen. Beim Laserbohren von Luft- und Raumfahrtkomponenten (z. B. Turbinenschaufeln) beispielsweise fokussiert die konkave Oberfläche des Spiegels den Strahl (z. B. 1-kW-Faserlaser) auf einen 50-µm-Punkt, während das Loch den Durchfluss von Kühlmitteln ermöglicht und so thermische Schäden am Spiegel verhindert.

FAQ

Was ist der Vorteil von außeraxialen Löchern gegenüber zentrierten Löchern in Herriott-Zellen?

Außeraxiale Löcher ermöglichen deutlich längere Weglängen, indem sie mehr von der reflektierenden Oberfläche des Spiegels nutzen. In einer Herriott-Zelle mit Mittellöchern werden die Strahlen in einem linearen Muster reflektiert (zwischen Spiegeln hin und her), wodurch die Anzahl der Reflexionen begrenzt wird (typischerweise 20–30). Bei außeraxialen Löchern folgen die Strahlen einem elliptischen Weg und werden 50–100 Mal reflektiert – was die Weglänge verdoppelt oder verdreifacht (z. B. 50 m gegenüber 20 m für eine 1-L-Zelle). Diese längere Weglänge verbessert die Empfindlichkeit der Gasdetektion (niedrigere Detektionsgrenzen um das Zwei- bis Dreifache), erfordert jedoch eine präzisere Ausrichtung (Winkeltoleranz von ±0,01°).

Wie werden die Löcher fertiggestellt und warum ist das wichtig?

Die Rückseite des Lochs (gegenüber der reflektierenden Oberfläche) weist 60°-Fasen mit einem Durchmesser von 6,5–8,0 mm auf. Fasen dienen zwei Hauptzwecken: Erstens verhindern sie Strahlstreuung durch scharfe Lochkanten (die zu Rauschen in der Spektroskopie führen würden) und zweitens leiten sie den Strahl ohne zusätzliche Optik (z. B. Kollimatoren) in den Spiegel hinein bzw. aus diesem heraus. Die Fasenoberfläche ist auf eine Scratch-Dig-Qualität von 60–40 poliert, wodurch der Streuverlust auf <0,1 % reduziert wird. Ohne Fasen können scharfe Kanten bis zu 5 % Strahlverlust verursachen und das Strahlprofil verzerren.

Was ist die maximale Belastbarkeit und wie kühlt man den Spiegel?

Bei richtiger Kühlung bewältigen diese Spiegel CW-Leistungsdichten von bis zu 50 W/cm² im Bereich von 2–20 µm (z. B. 500 W CO₂-Laser mit einem Strahl von 3,5 mm Durchmesser). Die Kühlung ist von entscheidender Bedeutung, da Goldbeschichtungen etwa 2 % des einfallenden Lichts absorbieren, wodurch Wärme entsteht. Bei Low-Power-Systemen (<10 W) ist eine passive Kühlung (Aluminium-Kühlkörper mit Wärmeleitpaste) ausreichend. Bei Hochleistungssystemen hält die aktive Kühlung (wassergekühlter Kühlkörper mit einer Durchflussrate von 1 l/min) die Spiegeltemperatur unter 50 °C und verhindert so eine Verschlechterung der Beschichtung (Gold läuft bei > 150 °C an) und ROC-Änderungen.

Können kundenspezifische Lochgrößen, Positionen oder ROC hergestellt werden und wie sind die Lieferzeiten?

Ja, Hersteller bieten umfassende Anpassungen an, um spezifische Systemanforderungen zu erfüllen. Benutzerdefinierte Lochgrößen reichen von 0,5 mm bis 10 mm (±0,1 mm Toleranz), mit Formen wie rund, quadratisch oder rechteckig (für spezielle Strahlformen). Lochpositionen können um 0–15 mm von der Mitte versetzt sein (±0,05 mm Toleranz). Benutzerdefinierte ROC-Werte reichen von 0,5 m bis 10 m (±0,5 % Toleranz). Die Lieferzeiten für kundenspezifische Spiegel betragen in der Regel 2–4 Wochen für kleine Mengen (1–10 Einheiten) und 4–6 Wochen für große Mengen (>10 Einheiten). Prototyping (1-2 Einheiten) kann bei dringenden Projekten in 1 Woche abgeschlossen werden.