I. Substrats de lentilles optiques : Sélection quantitative des principaux paramètres de performance​​

La performance du revêtement est indissociable des propriétés du substrat. Le substrat ne détermine pas seulement le point de départ du revêtement, mais ses propriétés thermodynamiques, optiques et mécaniques sont également le fondement de la capacité de l'ensemble du composant à résister aux charges de haute puissance. La sélection d'un substrat nécessite une prise en compte quantitative des paramètres clés suivants :

• ​​Propriétés optiques :​​ L'indice de réfraction et le coefficient d'absorption sont les points de départ pour la conception de la pile de revêtements et l'évaluation de la charge thermique. Toute absorption mineure (par exemple, 10⁻³ cm⁻¹) peut produire des effets thermiques importants à haute puissance.

• ​​Propriétés thermodynamiques :​​ La conductivité thermique détermine le taux de dissipation de la chaleur, et le coefficient de dilatation thermique (CET) affecte l'amplitude de la contrainte thermique. L'incompatibilité entre le CET du substrat et la couche de revêtement est une cause majeure de défaillance.

• ​​Propriétés mécaniques :​​ La dureté et le module d'élasticité affectent la difficulté de traitement et la durabilité environnementale.

Verre de quartz

​Les matériaux de substrat laser haute puissance courants comprennent :

• ​​Silice fondue :​​ Le plus largement utilisé, d'excellentes performances de l'UV au NIR, très faible CET, bonne stabilité thermique.

Plaquettes de quartz fondu ZMSH

• ​​Verre borosilicaté (par exemple, BK7) :​​ Coût inférieur, souvent utilisé dans les scénarios de moyenne à faible puissance, mais moins bonne conductivité thermique et CET plus élevé.

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Plaquettes de verre borosilicaté élevé ZMSH

• ​​Matériaux cristallins :​​ Tels que le silicium (Si), le germanium (Ge) (pour l'IR moyen à lointain), le saphir (dureté extrêmement élevée pour les environnements extrêmes), CaF₂/MgF₂ (pour l'UV profond). Ceux-ci sont généralement coûteux et difficiles à traiter.

• Calcul de la lentille thermique :​​ Pour un laser à ondes continues de 100 W, la distorsion thermique générée dans un substrat BK7 avec un coefficient d'absorption de 1×10⁻³ cm⁻¹ peut être plusieurs fois supérieure à celle d'un substrat en silice fondue avec un coefficient d'absorption de 5×10⁻⁴ cm⁻¹.

• ​​Analyse des contraintes thermiques :​​ La différence de CET affecte directement la contrainte thermique à l'interface revêtement-substrat. L'incompatibilité du CET est la principale cause de fissuration ou de délaminage du revêtement lors de cycles thermiques à haute puissance.

​​II. Indicateurs quantitatifs pour les exigences de revêtement​​

1. Seuil de dommage induit par laser (LIDT) :​

• ​​Norme de mesure :​​ Suit la norme ISO 21254.

• ​​Niveaux de performance :​​

1. Revêtement par évaporation par faisceau d'électrons conventionnel : ~5-15 J/cm² (impulsion nanoseconde, 1064 nm)

2. Revêtement par dépôt assisté par ions (IAD) : ~15-25 J/cm²

3. Revêtement par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) : > 30 J/cm², les processus de premier ordre peuvent dépasser 50 J/cm².

• ​Défi :​​ Pour les lasers à impulsions femtosecondes, le mécanisme de dommage diffère ; le LIDT est généralement exprimé en densité de puissance, nécessitant des niveaux de centaines de GW/cm² à TW/cm².

​​2. Pertes par absorption et diffusion :​

• ​​Absorption :​​ Mesurée à l'aide de la calorimétrie laser. Les revêtements IBS haut de gamme nécessitent une perte d'absorption en volume < 5 ppm (0,0005 %), une perte d'absorption de surface < 1 ppm.

• ​​Diffusion :​​ Mesurée à l'aide de la diffusométrie intégrée. La diffusion totale intégrée (TIS) doit être < 50 ppm.

3. ​​Précision des performances spectrales :​​

• ​​Revêtement à haute réflectance (HR) :​​ Réflectance R > 99,95 % à la longueur d'onde centrale, le premier ordre nécessite R > 99,99 %. La largeur de bande Δλ doit correspondre aux valeurs de conception (par exemple, ±15 nm pour le 1064 nm du laser Nd:YAG).

• ​​Revêtement antireflet (AR) :​​ Réflectance résiduelle R < 0,1 % (surface unique), le premier ordre nécessite R < 0,05 % (« revêtement super antireflet »). Pour les revêtements AR à large bande utilisés dans les applications laser ultrarapides, R < 0,5 % est requis sur une largeur de bande de centaines de nanomètres.

​​​​III. Comparaison des processus de revêtement et des paramètres de base​​

Comparaison des paramètres du processus de revêtement :​​
 

• Choisir IBS :​​ Lorsque les exigences du système exigent un LIDT > 25 J/cm² et une absorption < 10 ppm, l'IBS est le seul choix.

• ​​Choisir IAD :​​ Lorsque le budget est limité mais que le LIDT dans la plage de 15 à 20 J/cm² est requis, l'IAD est la solution la plus rentable.

• ​​Choisir E-beam :​​ Principalement utilisé pour les lasers énergétiques avec des exigences de seuil de dommage faible ou pour le prototypage préliminaire.

IV. Vérification quantitative de la conformité du revêtement​​

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1. Tests LIDT (ISO 21254) :​​

• ​​Méthode :​​ Utilise une méthode 1-sur-1, irradiant plusieurs sites dans la tache du faisceau d'essai, chaque site une seule fois.

• ​​Analyse des données :​​ La courbe de probabilité de dommage est ajustée par régression linéaire ; la valeur de densité d'énergie correspondant à une probabilité de dommage de 0 % est définie comme le LIDT.

• ​​Taille de la tache du faisceau :​​ Généralement 200-1000 μm, doit être mesurée avec précision pour calculer la densité d'énergie.

​​2. Mesure de l'absorption :​​

• ​​Calorimétrie laser :​​ Mesure directement l'élévation de température d'un échantillon absorbant l'énergie du laser. La sensibilité peut atteindre 0,1 ppm.

• ​​Technique de lentille thermique de surface :​​ Très haute sensibilité, peut distinguer l'absorption en volume et en surface.

Spectrophotomètre

3. ​​Performances spectrales :​​

• ​​Spectrophotomètre :​​ Précision jusqu'à ±0,05 %, utilisé pour mesurer la réflectance/transmittance (R/T).

• ​​Interféromètre à lumière blanche :​​ Utilisé pour mesurer l'épaisseur du revêtement et la morphologie de surface ; la précision du contrôle de l'épaisseur peut atteindre < 0,1 %.

V. Description quantitative des défis​​

1. ​​Amplification du champ électrique due aux défauts :​​ Les défauts nodulaires sont les principaux responsables de la baisse du LIDT. Un défaut nodulaire de 100 nm de hauteur peut provoquer une amplification locale du champ électrique laser d'un facteur de 2 à 3 par rapport à la zone normale. Compte tenu de la relation inversement carrée entre le seuil de dommage et l'intensité du champ électrique, le LIDT à ce point chute à 1/4 à 1/9 de la zone normale.

2. ​​Quantification des défis de la gestion thermique :​​ En supposant qu'un laser à ondes continues de 10 kW est réfléchi par un miroir, même avec un taux d'absorption de seulement 5 ppm, 50 mW de puissance seront absorbés. Si cette charge thermique est inégale, elle crée un gradient de température (ΔT) dans le composant optique et la déformation thermique correspondante (différence de trajet optique, DPO). La DPO peut être calculée comme suit : DPO = (dn/dT + α(n-1)) * ΔT * t, où dn/dT est le coefficient thermo-optique, α est le coefficient de dilatation thermique et t est l'épaisseur. Cette déformation dégrade gravement la qualité du faisceau (augmente le facteur M²).

3. ​​Effets non linéaires des lasers ultrarapides :​​ Le seuil de dommage des lasers femtosecondes est proportionnel à la racine carrée de la largeur d'impulsion (~√τ). Théoriquement, un revêtement avec un LIDT de 40 J/cm² sous une impulsion de 10 ns aurait un LIDT d'environ 0,4 J/cm² sous une impulsion de 100 fs (bien que le mécanisme réel soit plus complexe, impliquant l'absorption multiphotonique).

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4. Contrôle de l'uniformité pour les composants à grande ouverture :​​ Pour les substrats de diamètre > 500 mm, garantir l'uniformité de l'épaisseur du revêtement à ±0,1 % présente des défis extrêmes pour la disposition des sources de pulvérisation et l'uniformité des champs de pression et de température à l'intérieur de la chambre à vide.

​​Le revêtement laser haute puissance est passé d'un art à une science des données précise. Chaque augmentation en pourcentage de la réflectance, chaque réduction en ppm de la perte par absorption et chaque percée en J/cm² du LIDT sont basées sur une compréhension approfondie de ses mécanismes physiques, le contrôle à l'échelle nanométrique des paramètres du processus et la caractérisation quantitative des indicateurs de performance. À l'avenir, à mesure que la puissance et l'énergie des lasers se dirigeront vers le niveau exawatt (EW), les exigences en matière de technologie de revêtement approcheront les limites absolues de la physique des matériaux, nécessitant une innovation interdisciplinaire pour définir les normes de la prochaine génération de paramètres techniques.

Conclusion​​

ZMSH, avec une décennie d'expertise dédiée dans le secteur des matériaux optiques, s'appuie sur un système intégré industriel-commercial mature comme sa principale force. L'entreprise est spécialisée dans la personnalisation et le traitement de précision de matériaux semi-conducteurs haut de gamme, notamment le saphir de haute pureté, le carbure de silicium (SiC) et la silice fondue.

Nous possédons une compréhension approfondie des exigences extrêmes que les systèmes laser haute puissance imposent aux composants optiques, en particulier en termes de seuil de dommage induit par laser (LIDT), de stabilité thermique et de performances spectrales. Cette expertise nous permet d'intégrer profondément les propriétés des matériaux avec des technologies de revêtement avancées, telles que la pulvérisation par faisceau d'ions (IBS), en fournissant des solutions complètes en chaîne pour nos clients, de la sélection du substrat et de la conception du système de revêtement à la fabrication de précision.

Notre engagement garantit que chaque composant maintient des performances fiables sous des charges optiques, thermiques et mécaniques extrêmes, permettant finalement aux systèmes laser de repousser les limites de la puissance et de la stabilité.