[論文レビュー] A Large Diameter Millimeter-Wave Low-Pass Filter Made of Alumina with Laser Ablated Anti-Reflection Coating

Ryota Takaku, Qi Wen+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2021

Optical Coatings and Gratings参考文献 42被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、グリーン・バック・ディール・テレスコープに搭載された運用中のMUSTANG2機器に、レーザー焼鈍による準周期構造（SWS）を用いたアンチリフレクション被膜（ARC）を施した、最初の大型径（302 mm）アルミナミリ波帯低通フィルタを提示する。このフィルタは75–105 GHz帯域で平均98%の透過率を達成し、反射損失は1%未塔、偏光依存性は無視できるほど小さい。また、以前のテトラフルオロエチレン（Teflon）フィルタと比較して冷媒光学負荷を約50%低減した。

ABSTRACT

We fabricated a 302 mm diameter low-pass filter made of alumina that has an anti-reflection coating (ARC) made with laser-ablated sub-wavelength structures (SWS). The filter has been integrated into and is operating with the MUSTANG2 instrument, which is coupled to the Green Bank Telescope. The average transmittance of the filter in the MUSTANG2 operating band between 75 and 105 GHz is 98%. Reflective loss due to the ARC is 1%. The difference in transmission between the s- and p-polarization states is less than 1%. To within 1% accuracy we observe no variance in these results when transmission is measured in six independent filter spatial locations. The alumina filter replaced a prior MUSTANG2 Teflon filter. Data taken with the filter heat sunk to its nominal 40 K stage show performance consistent with expectations: a reduction of about 50% in filters-induced optical power load on the 300 mK stage, and in in-band optical loading on the detectors. It has taken less than 4 days to laser-ablate the SWS on both sides of the alumina disk. This is the first report of an alumina filter with SWS ARC deployed with an operating instrument, and the first demonstration of a large area fabrication of SWS with laser ablation.

研究の動機と目的

• 冷媒用天文機器向けに高透過率・低損失のミリ波帯フィルタの開発。
• 高屈折率（n = 3.12）を示す未被膜アルミナの高反射損失（45%）を是正。
• 302 mm径のアルミナディスク上に大面積のレーザー焼鈍SWS ARCを実現。
• MUSTANG2機器の既存Teflonフィルタを、熱伝導率が高く、熱負荷が低い代替品に置き換え。

提案手法

• フィルタ基板として、直径302 mm、厚さ4 mm、純度99.5%のアルミナディスクを製作。
• ピコ秒／フェムト秒レーザーを用いて、ディスク両面に準周期ピラミッド構造（SWS）をレーザー焼鈍で形成。
• 焼鈍速度（パワー、走査速度、スポットサイズ）の最適化により、高い焼鈍速度（約34 mm³/min）と均一なSWS形態を達成。
• 厳密なカップルドウェーブ解析（RCWA）を用いて、複数の空間的位置におけるSWSの光学的応答をモデル化・検証。
• フィルタ表面の6か所の独立した位置でミリ波帯透過測定を実施し、均一性および偏光依存性を評価。
• フィルタをMUSTANG2機器に統合し、冷媒温度40 Kおよび300 mKでの性能を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 302 mm径の光学素子として、アルミナ上にレーザー焼鈍SWS ARCを施した場合、75–105 GHz帯域で平均98%以上の透過率を達成できるか？
• RQ2 SWS ARCにより、未被膜状態の45%（反射損失）から、帯域全体およびs-およびp偏光状態の両方で1%未塔にまで反射損失を低減できるか？
• RQ3 302 mm径の表面にわたって、SWS被膜付きアルミナフィルタの光学的性能は均一であり、顕著な空間的ばらつきがないか？
• RQ4 新規アルミナフィルタは、以前のTeflonフィルタと比較して、300 mKの検出器ステージへの光学的負荷を50%以上低減できるか？
• RQ5 302 mmの大面積上に、高いスループットと再現性を有するアルミナ上へのSWSのレーザー焼鈍は可能か？

主な発見

• フィルタは75–105 GHz帯域で平均98%の透過率を達成し、未被膜アルミナと比較して反射損失が45倍低減された。
• SWS ARCによる平均反射損失はわずか1%であり、s-およびp偏光状態間の透過率差は1%未塔であった。
• フィルタ表面の6か所の独立した測定位置において、透過率に顕著な空間的ばらつきは観測されず、1%の精度内で一貫していた。
• 300 mKステージへの光学的負荷は、以前のTeflonフィルタと比較して約50%低減され、より優れた熱的性能が確認された。
• 302 mm径のアルミナディスク両面にSWSをレーザー焼鈍する作業が4日未塔で完了し、大規模なスケーラブルな製造が実証された。
• 本研究は、運用中の天文機器にレーザー焼鈍SWS ARCを施したアルミナ光学素子を初めて報告した。