CN106324732A - 一种超宽带激光薄膜反射镜 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种超宽带激光薄膜反射镜，以及使用该反射镜的全固态钛宝石宽带可调谐激光器。本发明的反射镜基底两面分别由不同的高、低折射率材料交替形成，两面膜层对应不同的中心波长，物理厚度基本相同。本发明采用双面薄膜的方法，合理选择薄膜材料，实现应力匹配设计，通过设计薄膜的结构有助于提高宽带反射率，同时兼顾薄膜应力致面形误差变化的控制。本发明提出一种能够提高660nm‑1200nm波长范围的反射率的超宽带激光薄膜反射镜，可应用于全固态钛宝石宽带可调谐激光器中。

Description

一种超宽带激光薄膜反射镜

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种超宽带激光薄膜反射镜，以及使用该反射镜的全固态钛宝石宽带可调谐激光器。

背景技术

自1960年激光器出现以来，可调谐激光一直是激光领域研究的一个重要内容。可调谐宽带激光光源在光通讯、大气环境监测、光学相干层析成像、激光水下探测、分离同位素、激光遥感以及精密光谱学研究等许多重要领域都有广泛的应用。实现可调谐激光输出主要有固体染料和固体钛宝石作为激光介质的固体激光器；钛宝石激光器具有宽的光谱调谐范围(660nm-1200nm)，是目前在近红外波段调谐范围最宽的激光器之一。在钛宝石激光器的振荡级谐振腔和放大级光路中的关键元件之一是宽带激光反射镜，其带宽需覆盖660nm-1200nm整个波段，其反射率和面形误差决定了钛宝石激光输出的能量和光束质量等特性，甚至决定着整个激光系统是否可以出光。因此，带宽大于500nm的宽带激光反射镜在激光系统的作用不可忽略。

传统的宽带反射镜采用金属薄膜的方式，在激光器应用中激光损伤的问题较为明显。介质反射镜可通过物理气相沉积技术实现，一般采用两种薄膜材料交替沉积在基底(如石英、BK7等)表面。由于固体可调谐激光的带宽大于500nm，因此传统的反射膜规整结构设计不能满足带宽的需求。使用全数值计算的非规整薄膜设计具有层数多、应力大的缺点，主要表现在以下两个方面：1)采用非规整的膜层光学厚度材料组合，薄膜层数多应力大容易导致薄膜出现脱落的现象；2)在制备高反射率薄膜的过程中，强烈非平衡的物理过程使薄膜内容易产生较高的应力，即使薄膜不出现脱落的现象，也会导致基底出现弹性形变，在使用过程中激光波前易发生畸变。如何进一步提高反射镜的带宽又能够降低薄膜的应力，在实际制备中又具有较强的可实现性，是宽带激光反射镜面临的主要问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种超宽带激光薄膜反射镜，以解决如何进一步提高反射镜的带宽又能够降低薄膜的应力的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种超宽带激光薄膜反射镜，该反射镜包括基底，基底的两个表面分别记为A面和B面，A面为激光入射工作面；A面和B面均具有多层反射膜，其中：

A面的多层反射膜对应的中心波长为λ_a，多层反射膜的膜系结构为：基底/(1H_a1L_a)^m_a/空气，其中多层反射膜的基本组合为一对高、低折射率薄膜，m_a为基本组合的重复次数，H_a和L_a分别代表高、低折射率材料的λ_a/4光学厚度；

B面的多层反射膜对应的中心波长为λ_b，多层反射膜的膜系结构为：基底/(1H_b1L_b)^m_b/空气，其中多层反射膜的基本组合为一对高、低折射率薄膜，m_b为基本组合的重复次数，H_b和L_b分别代表高、低折射率材料的λ_b/4光学厚度；

A面的多层反射膜与B面的多层反射膜的物理厚度基本相同，即满足以下公式：

${\mathrm{\λ}}_a{m}_a\[\frac{n_{aH}\left({\mathrm{\λ}}_a\right)+n_{aL}\left({\mathrm{\λ}}_a\right)}{n_{aH}\left({\mathrm{\λ}}_a\right)n_{aL}\left({\mathrm{\λ}}_a\right)}\]\≈{\mathrm{\λ}}_b{m}_b\[\frac{n_{bH}\left({\mathrm{\λ}}_b\right)+n_{bL}\left({\mathrm{\λ}}_b\right)}{n_{bH}\left({\mathrm{\λ}}_b\right)n_{bL}\left({\mathrm{\λ}}_b\right)}\]$

其中，n_aH(λ_a)、n_aL(λ_a)分别为A面的高、低折射率材料在中心波长λ_a处的折射率，n_bH(λ_b)、n_bL(λ_b)分别为B面的高、低折射率材料在中心波长λ_b处的折射率。

进一步地，基底材料为对660nm-1200nm波段透明的材料。

进一步地，基底材料为熔融石英。

进一步地，A面的高折射率材料为金属氧化物，低折射率材料为SiO₂；B面的高折射率材料为Si，低折射率材料为金属氧化物。

进一步地，A面的金属氧化物为Ta₂O₅，B面的金属氧化物为Al₂O₃。

进一步地，λ_a为700nm，m_a为15；λ_b为945nm，m_a为15。

进一步地，对于工作波长在660nm-1200nm的激光，反射镜的平均反射率大于99.80％，最低反射率为99.38％。

本发明还提出一种全固态钛宝石宽带可调谐激光器，包括上述超宽带激光薄膜反射镜。

进一步地，激光器的光谱调谐范围为660nm-1200nm。

(三)有益效果

本发明采用双面薄膜的方法，合理选择薄膜材料，实现应力匹配设计，通过设计薄膜的结构有助于提高宽带反射率，同时兼顾薄膜应力致面形误差变化的控制。本发明提出一种能够提高660nm-1200nm波长范围的反射率的超宽带激光薄膜反射镜，可应用于全固态钛宝石宽带可调谐激光器中。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中超宽带激光薄膜反射镜结构；

图2为本发明具体实施方式中A面两种薄膜材料的折射率；

图3为本发明具体实施方式中A面的光谱反射率；

图4为本发明具体实施方式中B面两种薄膜材料的折射率；

图5为本发明具体实施方式中B面的光谱反射率；

图6为本发明具体实施方式中反射镜的整体光谱反射率。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明实施例的超宽带激光薄膜反射镜，反射镜结构如图1所示。反射镜的基底材料为熔融石英。基底的两个表面分别记为A面和B面，A面为激光入射工作面。

A面构成基本组合的高折射率材料为Ta₂O₅，低折射率材料为SiO₂。两种薄膜材料对于不同波长的折射率，如图2所示。A面的多层反射膜对应的中心波长λ_a＝700nm，根据图2确定Ta₂O₅和SiO₂在700nm处的折射率。基本组合的重复次数m_a＝15。A面的膜系结构为：基底/(1H_a 1L_a)^15/空气。A面的光谱反射率，如图3所示。A面的多层反射膜总厚度为3047.8nm。

B面构成基本组合的高折射率材料为Si，低折射率材料为Al₂O₃。两种薄膜材料对于不同波长的折射率，如图4所示。B面的多层反射膜对应的中心波长λ_b＝945nm，根据图4确定Si和Al₂O₃在945nm处的折射率。基本组合的重复次数m_b＝15。B面的膜系结构为：基底/(1H_b1L_b)^15/空气。B面的光谱反射率，如图5所示。B面的多层反射膜总厚度为3122.8nm。

超宽带激光薄膜反射镜的整体光谱反射率，如图6所示。由图6可见，对于工作波长在660nm-1200nm的激光，反射镜的平均反射率大于99.80％，最低反射率为99.38％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超宽带激光薄膜反射镜，其特征在于，所述反射镜包括基底，所述基底的两个表面分别记为A面和B面，所述A面为激光入射工作面；所述A面和所述B面均具有多层反射膜，其中：

所述A面的多层反射膜对应的中心波长为λ_a，多层反射膜的膜系结构为：基底/(1H_a1L_a)^m_a/空气，其中多层反射膜的基本组合为一对高、低折射率薄膜，m_a为所述基本组合的重复次数，H_a和L_a分别代表高、低折射率材料的λ_a/4光学厚度；

所述B面的多层反射膜对应的中心波长为λ_b，多层反射膜的膜系结构为：基底/(1H_b1L_b)^m_b/空气，其中多层反射膜的基本组合为一对高、低折射率薄膜，m_b为所述基本组合的重复次数，H_b和L_b分别代表高、低折射率材料的λ_b/4光学厚度；

所述A面的多层反射膜与所述B面的多层反射膜的物理厚度基本相同，即满足以下公式：

${\mathrm{\λ}}_a{m}_a\[\frac{n_{aH}\left({\mathrm{\λ}}_a\right)+n_{aL}\left({\mathrm{\λ}}_a\right)}{n_{aH}\left({\mathrm{\λ}}_a\right)n_{aL}\left({\mathrm{\λ}}_a\right)}\]\≈{\mathrm{\λ}}_b{m}_b\[\frac{n_{bH}\left({\mathrm{\λ}}_b\right)+n_{bL}\left({\mathrm{\λ}}_b\right)}{n_{bH}\left({\mathrm{\λ}}_b\right)n_{bL}\left({\mathrm{\λ}}_b\right)}\]$

其中，n_aH(λ_a)、n_aL(λ_a)分别为所述A面的高、低折射率材料在中心波长λ_a处的折射率，n_bH(λ_b)、n_bL(λ_b)分别为所述B面的高、低折射率材料在中心波长λ_b处的折射率。

2.如权利要求1所述的反射镜，其特征在于，所述基底材料为对660nm-1200nm波段透明的材料。

3.如权利要求2所述的反射镜，其特征在于，所述基底材料为熔融石英。

4.如权利要求3所述的反射镜，其特征在于，所述A面的高折射率材料为金属氧化物，低折射率材料为SiO₂；所述B面的高折射率材料为Si，低折射率材料为金属氧化物。

5.如权利要求4所述的反射镜，其特征在于，所述A面的金属氧化物为Ta₂O₅，所述B面的金属氧化物为Al₂O₃。

6.如权利要求5所述的反射镜，其特征在于，所述λ_a为700nm，所述m_a为15；所述λ_b为945nm，所述m_a为15。

7.如权利要求6所述的反射镜，其特征在于，对于工作波长在660nm-1200nm的激光，所述反射镜的平均反射率大于99.80％，最低反射率为99.38％。

8.一种全固态钛宝石宽带可调谐激光器，其特征在于，包括上述任一项权利要求所述的超宽带激光薄膜反射镜。

9.如权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述激光器的光谱调谐范围为660nm-1200nm。