CN102320164B - 一种用于激光变角度入射的多层介质高反射膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光变角度入射的多层介质高反射膜，在不改变镀膜材料及工艺条件下，通过改变常规多层介质高反射膜的膜层厚度，有效改善了介质高反射膜透过率随角度变化特性，适用于在一定范围内变角度入射激光衰减机参数测量的应用。

Description

一种用于激光变角度入射的多层介质高反射膜

技术领域

本发明涉及一种介质光学薄膜，尤其是一种用于激光变角度入射的多层介质高反射膜。

背景技术

多层介质高反射膜是在基底上镀多层适当厚度、折射率相匹配的介质光学薄膜，来改变基底的反射性能和透射性能，在使用中将绝大部分光束反射，只透射小部分光束，具有反射率高，吸收小，而且高反射率只出现在特定的波段范围之内等特点，因而在对特定波段进行衰减时应用较多，尤其适用于波长单一的激光技术领域。

常规的多层介质高反射膜系是针对特定窄带波长、且在入射角度恒定（比如0°或22.5°）的条件下进行的参数设计，通常采用λ₀/4膜系，对于指定的工作角度时，可以起到高反射作用，而当激光入射角度变化时，其反射率会发生较大的变化，这给其应用带来了不便，尤其当利用高反射膜透过率系数较小的特性制作激光功率衰减片用于激光功率参数测量时，会出现当激光入射角度变化时，衰减片的衰减系数随之变化，给激光功率的测量带来较大的测量不确定度，限制了其应用。

如图1所示，常规的多层介质高反射膜是由较高折射率n_H和较低折射率的n_L两种材料交替组成的λ₀/4膜系，并且与基底n_G和空气n_A相邻的都是较高折射率的膜层，取d_H为高折射率n_H膜层的位相厚度，d_L为膜层的位相厚度，则有

$d_L=d_H={\mathrm{\δ}}_j=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_j{d}_j\cos {\mathrm{\θ}}_j,$

当入射角度为0°时，每层的厚度均为λ₀/4，故称之为λ₀/4膜，根据反射膜的理论可知，其高反射带半宽

$\mathrm{\Δg}=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{n_H-n_L}{n_H+n_L}\right)\·{\mathrm{\λ}}_0.$

以0°入射角度为例，当光垂直入射到薄膜时，薄膜的位相厚度变为

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_1{d}_1.$

而当光以一定角度入射到衰减片上时，与垂直入射比相当于改变了薄膜的位相厚度，由于n₁、d₁是不变的，故只有光的波长变小才能使这两个位相厚度相等，也就是说当光一定角度入射到多层介质高反射膜时，透过率最大的波长将向短波方向移动。由于多层介质反射膜是针对特定波长进行的窄带设计，峰谷处的透过率最小，故由于光谱高反射带带宽有限，将会影响到激光入射角度和透过率系数之间的关系。

图2是模拟计算得到的不同入射角度下，多层介质高反射膜透过率随波长变化结果，可以看出随着入射角度的增加，透过率最小的波长将向短波方向移动，由于高反射带的半宽

$\mathrm{\Δg}=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{n_H-n_L}{n_H+n_L}\right)\·{\mathrm{\λ}}_0,$

仅与高折射率n_H和低折射率的n_L材料的折射率系数相关，且并非一个严格的平底，而是一个类似于锅底形状的平底，其最低点在λ₀处，故随着入射角度的增大，λ₀处的透光率系数逐渐偏离最低点，即其透过率系数逐渐增大，而当入射角度增大到一定程度时，将会导致工作波长λ₀偏移出高反射带，从而引起高反射膜的透过率系数剧增。这种因素给高反射膜在变化角度入射的激光应用带来了影响，尤其是采用多层介质高反射膜进行激光功率衰减时，当激光入射角度变化范围较大时，透过率系数成倍增大，影响到衰减取样系统的测量动态范围和量程。

为了改善多层介质高反射膜的入射角度特性，2006年11月出版的《现代光学薄膜技术》一书中给出了一种双中心波长叠加膜的方法，通过在一个基底上镀制两个中心波长不同的多层膜，两个反射带略微重叠，从而扩展了高反射膜反射带的带宽，最终改善了高反射膜的透过率随入射角度变化特性，这种方法在应用中存在镀膜工艺复杂、制作成本高等不足。

发明内容

本发明目的是提供一种用于激光变角度入射的多层介质高反射膜，有效改善现有λ₀/4膜系的反射率随激光入射角度变化特性，并具有镀膜工艺简单、制作成本低等特点。

本发明的技术解决方案是：

一种用于激光变角度入射的多层介质高反射膜，包括基底、交替镀在基底上的高折射率n_H膜层和低折射率n_L膜层，且最外的膜层为高折射率n_H膜层；所述基底与高折射率n_H膜层相邻，其特殊之处是：

所述高折射率n_H膜层的位相厚度d_H和低折射率n_L膜层的位相厚度d_L满足如下关系：

$(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{n_H/n_L-1}{n_H/n_L+1}\right)+1)\·{\mathrm{\λ}}_0/4>d_H=d_L>{\mathrm{\λ}}_0/4$

其中：

λ₀为入射激光的中心波长；

n_H为高折射率n_H膜层的材料折射率系数；

n_L为低折射率n_L膜层的材料折射率系数。

上述的高折射率n_H膜层材料为硫化锌，低折射率膜层n_L材料为三氟化镱；所述的基底材料为石英、硅或锗。

上述的高折射率n_H膜层材料为锗，低折射率n_L膜层材料为硫化锌；所述的基底材料为石英、硅或锗。

上述的高折射率n_H膜层材料为碲化铅，低折射率n_L膜层材料为硫化锌；所述的基底材料为石英、硅或锗。

本发明具有的有益效果是：

1、提供一种用于激光变角度入射的多层介质高反射膜，有效改善现有λ₀/4膜系的反射率随激光入射角度变化特性。

2、镀膜工艺简单，制作成本低。

附图说明

图1为常规λ₀/4膜系的结构示意图；

图2为模拟计算的常规λ₀/4膜系在不同激光入射角度下的光谱特性；

图3为本发明激光变角度入射多层介质高反射膜的工作原理；

图4为模拟计算的本发明变角度入射多层介质高反射膜透过率随入射角度变化结果。

具体实施方式

本发明提出了一种在不改变镀膜材料及工艺条件下的可有效改善介质高反膜角度敏感特性的膜系——中心波长偏置膜，适用于在一定范围内变角度入射激光的应用。

由前面原理知，随着入射角度的增加，峰值波长向短波方向移动，故受到高反射率带带宽的限制，其透过率随入射角度的增大而逐渐达到高反射率带的边缘，故应用波长λ₀的透过率逐渐增大。能否在镀膜设计时对膜系的中心波长进行偏置，使得在0°正入射时，光的中心波长λ₀在膜系带宽内靠近短波长边缘，即新膜系的中心波长向长波长方向偏置，这样随着入射角在一定范围内增大时，峰值波长向短波方向移动，但仍工作在膜系的高反射带宽内，从而充分地利用高反射带的半宽，减小大角度入射时的透过率变化幅值，改善介质高反射膜透过率随角度变化特性。

本发明的激光变角度入射多层介质高反射膜工作原理如图3所示。普通介质高反膜是针对激光波长λ₀设计，在介质基底上镀有多层λ₀/4膜，在0°正入射时光波长λ₀工作在膜系的中心，假设当光以θ'角入射时，波长λ₀已经工作到膜系的反射带右边缘处，此时整个反射带向短波方向移动的波长应对应为高反射带的半宽Δg。中心波长偏置膜系是将膜系的中心波长向长波方向适当偏置，在0°正入射时光波长λ₀工作在膜系反射带靠左边缘的带内，当光以一定角度假设为15°入射时，波长λ₀仍工作在反射带靠右边缘的带内，这种膜系充分地利用了反射带的带宽，故在变角度入射时透过率参数不变或变化量较小。

相对于常规膜系，中心波长偏置膜只是镀膜时针对应用的激光波长进行了偏置，对于λ₀/4多层介质高反膜，相当于镀膜时膜层的厚度进行了改变，由原来的λ₀/4变为(λ₀+k)/4，其中k为偏置量，其最大偏置量即为高反射带的半宽Δg，在实际中应用中，由于反射带边缘处的透过率系数与反射带平底处的透过率系数已经有较大的差别，故通常取

$k_{\max }=\frac{\mathrm{\Δg}}{2}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{n_H-n_L}{n_H+n_L}\right){\mathrm{\λ}}_0,$

即

$(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{n_H/n_L-1}{n_H/n_L+1}\right)+1)\·{\mathrm{\λ}}_0/4>d_H=d_L>{\mathrm{\λ}}_0/4$

其中d_H为高折射率n_H膜层的位相厚度，d_L为低折射率n_L膜层的位相厚度，λ₀为入射激光的波长，n_H为高折射率材料的折射率系数，n_L为低折射率材料的折射率系数。由于采用这种偏置方法制作高反射膜中，膜系的材料和制作工艺不变，因而更容易实现，适用性更强。

图4是模拟计算了高反射膜在不同偏置量k时的透过率随角度变化的结果，其中高折射率材料n_H为硫化锌、低折射率材料n_L为三氟化镱、基底为硅为例，激光的波长λ₀=2000nm，激光的谱宽Δλ=5nm，最大偏置波长k_max＝Δg/2＝0.066λ₀=132nm。分别计算了k=0nm、k=15nm、k=50nm、k=100nm、k=150nm，可以看出k=0nm即采用常规的λ₀/4膜系时，高反射膜透过率系数随入射激光角度变化幅度较大，当入射角为25°时，相对于0°正入射时的透过率系数变化了20%。而采用k=15nm、k=50nm、k=100nm、k=150nm，其透过率系数随入射激光角度变化幅度有了明显的减小，即采用本发明的中心波长偏置膜可有效改善多层介质高反射膜透过率随角度变化特性。通常情况下，其最佳偏置波长k的选取与光源的谱宽和光入射角度范围相关。

需要说明的是，本发明并不局限于高折射率材料为硫化锌、低折射率材料为三氟化镱、基底为硅的实例，其他的材料如基底采用石英、锗，高折射率/低折射率材料分别采用锗/硫化锌、碲化铅/硫化锌等均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于激光变角度入射的多层介质高反射膜，包括基底、交替镀在基底上的高折射率n_H膜层和低折射率n_L膜层，且最外的膜层为高折射率n_H膜层；所述基底与高折射率n_H膜层相邻，其特征在于：

所述高折射率n_H膜层的位相厚度d_H和低折射率n_L膜层的位相厚度d_L满足如下关系：

$(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{n_H/n_L-1}{n_H/n_L+1}\right)+1)\·{\mathrm{\λ}}_0/4{>d}_H=d_L>{\mathrm{\λ}}_0/4$

其中：

λ₀为入射激光的中心波长；

n_H为高折射率n_H膜层的材料折射率系数；

n_L为低折射率n_L膜层的材料折射率系数。

2.根据权利要求1所述的用于激光变角度入射的多层介质高反射膜，其特征在于：所述的高折射率n_H膜层材料为硫化锌，低折射率膜层n_L材料为三氟化镱；所述的基底材料为石英、硅或锗。

3.根据权利要求1所述的用于激光变角度入射的多层介质高反射膜，其特征在于：所述的高折射率n_H膜层材料为锗，低折射率n_L膜层材料为硫化锌；所述的基底材料为石英、硅或锗。

4.根据权利要求1所述的用于激光变角度入射的多层介质高反射膜，其特征在于：所述的高折射率n_H膜层材料为碲化铅，低折射率n_L膜层材料为硫化锌；所述的基底材料为石英、硅或锗。

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