[论文解读] 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 23

一句话总结

本论文展示了首个在绿湾望远镜的MUSTANG2仪器中实际部署的大口径（302毫米）氧化铝毫米波低通滤波器，其采用激光蚀刻的亚波长结构（SWS）作为抗反射涂层（ARC）。该滤波器在75–105 GHz频段内实现了98%的平均透射率，反射损耗低于1%，且偏振依赖性可忽略不计，与先前的聚四氟乙烯（Teflon）滤波器相比，显著降低了约50%的低温光学负载。

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.

研究动机与目标

• 为低温天文仪器开发一种高透射率、低损耗的毫米波滤波器。
• 解决未涂层氧化铝因高折射率（n = 3.12）导致的高反射损耗（45%）问题。
• 展示在302毫米直径氧化铝圆盘上大规模制造激光蚀刻SWS ARC的可行性。
• 用热导率更高、热负载更低的替代方案，取代MUSTANG2中先前使用的聚四氟乙烯（Teflon）滤波器。

提出的方法

• 制备了直径302毫米、厚度4毫米、纯度99.5%的氧化铝圆盘作为滤波器基板。
• 采用皮秒/飞秒激光对圆盘双面进行激光蚀刻，形成亚波长金字塔结构（SWS）。
• 优化激光参数（功率、扫描速度、光斑尺寸），以实现约34 mm³/min的高蚀刻速率和均匀的SWS形貌。
• 利用严格耦合波分析（RCWA）对多个空间位置的SWS光学响应进行建模与验证。
• 在六个独立的空间位置进行毫米波透射率测量，以评估均匀性与偏振依赖性。
• 将滤波器集成至MUSTANG2仪器，并在40 K和300 mK的低温条件下验证其性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大直径（302毫米）光学元件上，激光蚀刻SWS ARC在氧化铝上是否可实现75–105 GHz频段内>98%的平均透射率？
• RQ2 SWS ARC是否能将反射损耗从未涂层时的45%降低至操作频段内<1%，且对s-和p-偏振态均有效？
• RQ3 SWS涂层氧化铝滤波器在302毫米直径表面的光学性能是否均匀，无显著空间差异？
• RQ4 与先前的聚四氟乙烯（Teflon）滤波器相比，新型氧化铝滤波器是否能将300 mK探测器级的光学负载降低至少50%？
• RQ5 在302毫米大尺寸上，是否可实现高吞吐量、可重复的氧化铝SWS激光蚀刻？

主要发现

• 滤波器在75–105 GHz频段内实现了98%的平均透射率，与未涂层氧化铝相比，反射损耗降低了45倍。
• SWS ARC导致的平均反射损耗仅为1%，且s-与p-偏振态之间的透射率差异小于1%。
• 在滤波器上六个独立测量位置之间，透射率未表现出显著的空间差异，精度在1%以内。
• 与先前的聚四氟乙烯（Teflon）滤波器相比，该滤波器将300 mK级的光学功率负载降低了约50%，证实了其更优的热性能。
• 在302毫米直径氧化铝圆盘双面完成SWS激光蚀刻仅耗时不足4天，证明了可扩展的大面积制造可行性。
• 这是首次在实际运行的天文仪器中部署激光蚀刻SWS ARC的氧化铝光学元件。