Physikalisch-Technische Bundesanstalt

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 Für eine Vielzahl von Laser-Anwendungen werden hochreflektierende technische Spiegel benötigt, die üblicherweise mittels dielektrischer Verspiegelungen realisiert werden. Zur Kalibrierung derartiger Spiegel mit spektralen Reflexionsgraden nahe 100% wurde in Anlehnung an die in DIN EN ISO 13697 (2006) beschriebenen Messverfahren ein Messplatz aufgebaut.

Die verwendete Zweistrahl-Methode ist schematisch in Abb. 1 dargestellt. Dabei wird ein Laserstrahl von einem hochreflektierenden Chopperspiegel in einen Mess- und Referenzstrahlengang aufgeteilt. Der Messstrahl gelangt über die zu untersuchende Probe in eine Ulbrichtkugel wenn der Chopper geöffnet ist. In der anderen Phase wird der Referenzstrahl vom Copper in die Kugel reflektiert. Mit Hilfe eines Lock-In-Verstärkers kann das Differenzsignal gemessen und der Reflexionsgrad bestimmt werden, sofern der Reflexionsgrad des Choppers bekannt ist.

Die notwendige Absolutwertkalibrierung des Chopperspiegels gelingt durch Ausführung zweier Messungen mit unterschiedlichen Aufbauten (so genannter Produkt- und Verhältnisaufbau), für die die Empfängereinheit und die Probe umgestellt werden müssen.

  1 hochstabiler dioden-gepumpter Ringlaser
  2 Strahlformung
  3 Monitor zur Bestimmung der Laserleistungsschwankungen: Photometer (3a) mit Si-Fotodiode (3b) und Strahlteiler (3c)
  4 Umlenkspiegel
  5 hochreflektierender Chopperspiegel
  6 Probenspiegel
  7 Shutter
  8 Empfängereinheit: Ulbrichtkugel (8a) mit Si-Fotodiode (8b), rotierendem Target (8c) und Targetantrieb (8d)
  9 Photometer
10 Lock-In-Verstärker

Abb. 1: Messaufbau für die „Verhältnismessung“. Dieser Aufbau wird vorzugsweise für die Kalibrierung von Prüflingen verwendet.

Hierbei ergibt sich aus S₁ = k ^. (ρ_Ch - ρ_P) ^.  P_R und S₀ = k ^. ρ_Ch ^. P   _R das Verhältnis 

wobei S₀ das Differenzsignal bei geschlossenem und S₁ das Signal bei offenem Shutter ist.

Zur Zeit sind Messungen des spektralen Reflexionsgrades unter einem Einfallswinkel von 4,5° bei einer Laser-Wellenlänge von 1064 nm und einem Strahldurchmesser von 1,6 mm (HWB) bzw. 3,7 mm (98% der Gesamtenergie) möglich. Die Messunsicherheit für den gerichteten spektralen Reflexionsgrad beträgt dabei für optisch gute Oberflächen ca. 5^.10^-5.

Neben der Bestimmung des Reflexionsgrades an einem festgelegten Ort auf der Probe kann durch horizontale und vertikale Verschiebung des Prüflings auch die Homogenität der Beschichtung ermittelt werden. Bei entsprechend angepasstem Messpunktabstand ist ein Abtastbereich für die Homogenitätsmessung von bis zu 50 mm x 190 mm möglich.

Abb. 2 zeigt beispielhaft die Ergebnisse einer Homogenitätsmessung für einen dielektrisch beschichteten Spiegel.

Abb. 2: Reflexionsgradverteilung einer dielektrischen Probe, λ = 1064 nm, 9 x 9 Messpunkte, Messpunktabstand 1,5 mm

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Dr. Alfred Schirmacher

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