CN106549297B - 一种钕玻璃激光器用背入射式高反薄膜系统的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钕玻璃激光器用背入射式高反薄膜系统的制备方法，包括针对钕玻璃激光器谐振腔构型所需的光谱特性，采用垂直偏振态S光作为工作偏振态，以及对应的角度匹配的S光增透膜和背入射高反膜的组合膜系；优化背入射高反膜的驻波电场在薄膜‑基板界面最小；对增透膜和背入射高反膜的电场分布进行归一化，改变驻波电场最大值处的增透膜膜厚，进一步提高损伤阈值。与现有平行偏振态P光背入射高反膜的方案相比，本发明具有工作角度可调，反射带更宽，激光损伤阈值更高，稳定性和容错率更好的优点。

Description

一种钕玻璃激光器用背入射式高反薄膜系统的制备方法

技术领域

本发明涉及激光薄膜领域，尤其是涉及一种能满足新型侧面泵浦钕玻璃激光器谐振腔构型的光谱特性需求，同时具有高激光损伤阈值的激光薄膜的制备方法。

背景技术

基于紧凑型谐振腔的激光器系统是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。其工作物质的形状有圆柱和板条状的；而泵浦的耦合方式可分为端面泵浦和侧面泵浦。由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点近年来在国际上发展极为迅速，用途广泛，具有很大的市场潜力。

然而，对于钕玻璃激光器系统，限制其发展的一个重要难题就是热管理问题。钕玻璃激光器在增益放大过程中会产生大量的热，引起钕玻璃自身和系统的温升，严重影响系统的性能稳定和正常使用。一种采用采用侧面泵浦的新型钕玻璃激光器的谐振腔构型被认为是在解决热管理问题方面十分有前景。该新构型具有以下特点：首先，该构型采用侧面泵浦，来取代常用的端面泵浦。因为侧面泵浦具有更大的泵浦面积，一方面使钕玻璃的产热能够在轴向均匀分布，另一方面也使得冷却介质与钕玻璃有更大的接触面积，从而获得更好的散热效率。其次，该构型中的钕玻璃棒采用中空的结构，一方面避免了钕玻璃由于在径向上的温度分布差异导致的光学性能畸变，另一方面也使得钕玻璃在单位空间内的产热体积减少，进一步降低了其产热导致的温升。

这一构型的工作原理是，依然是通过激光在腔内多次反射，反复经过钕玻璃增益介质，使得泵浦光能量转化为所需激光之中。为了保证这一构型的实现，需要薄膜来保证其多次反射而的光谱需求，以及在高能激光系统中应当具有较高的激光损伤阈值。

对于新构型中所需的光谱特性，具体来说是主激光在钕玻璃前表面透射，后表面反射，再经过前表面透射三个部分。针对这种光谱需求，通常的设计思路是，对于前表面透射需求，利用平行偏振态P光，在布儒斯特角入射时，无反射光的性质，实现激光在钕玻璃无损透射，无需光学薄膜来辅助；对于后表面反射需求，在后表面镀制对应的平行偏振态P光的布儒斯特角的高反膜。这种高反膜不同于普通的空气入射的高反膜，而是入射介质为钕玻璃基板的高反膜，称之为背入射高反膜。

这种平行偏振态P光背入射式高反薄膜的设计确实能够实现所需的光谱特性，但是却存在激光损伤阈值低的缺点，限制了激光器系统的整体功率。平行偏振态P光背入式高反膜的激光损伤具有以下特点：损伤主要发生在后表面的背入射式高反薄膜；P光背入射式高反薄膜激光损伤大多发生在薄膜-基板界面；激光损伤的主要诱因是入射激光形成的驻波电场与钕玻璃基板亚表面的吸收性缺陷相互作用，产生了具有高温高压的损伤过程，破坏了钕玻璃基板和激光薄膜，严重影响激光器的正常工作。

对于这一问题，通常采用薄膜设计对平行偏振态P光背入射式高反薄膜的优化电场进行优化，试图降低薄膜-基板界面损伤处的驻波电场强度，从而提高激光损伤阈值。然而由于平行偏振态P光驻波场振幅较小，电场极小值相对较大，所以驻波电场优化效果比较有限。由于这一特性是平行偏振态P光与物质作用时的基本性质决定的，所以选择平行偏振态P光来设计背入射式高反薄膜，在激光损伤阈值方面效果较差，而且难以进行改善提高。

因此如何制备一种在实现新构型中所需的光谱特性的同时，还能进一步提高激光损伤阈值的激光薄膜，成为制约二极管侧面泵浦钕玻璃激光器新构型发展的一个难点。

发明内容

本发明就是为了克服以上困难，提供在实现新构型中所需的光谱特性的同时，还能进一步提高激光损伤阈值的激光薄膜制备方法。

为达到以上目的，本发明针对背入射式高反薄膜驻波电场特性，采用垂直偏振态S光为激光工作偏振态，设计了一种垂直偏振态S光背反射薄膜系统。

本发明提出的一种钕玻璃激光器用背入射式高反薄膜系统的制备方法，具体步骤如下：

本发明提出的一种钕玻璃激光器用背入射式高反薄膜系统的制备方法，具体步骤如下：

（１）采用垂直偏振态S光作为背入射式高反薄膜系统的工作偏振态；所述背入射式高反薄膜系统结构为铵玻璃基板前表面镀制垂直偏振态S光增透膜，铵玻璃基板后表面镀制垂直偏振态S光背入射高反膜；

（２）针对钕玻璃激光器谐振腔构型所需的工作角度和光谱特性，设计工作角度所需入射的垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜；所述钕玻璃激光器谐振腔构型采用背入射式反射结构，具体为垂直偏振态S光在钕玻璃基板前表面从空气透射进入到钕玻璃基板内部，接着从钕玻璃基板内部入射到钕玻璃基板后表面，在钕玻璃基板后表面通过反射又回到钕玻璃基板内部，再从钕玻璃基板透射到达钕玻璃基板前表面，最后从钕玻璃基板前表面透射回到空气中；所述钕玻璃激光器谐振腔构型的工作角度根据钕玻璃激光器谐振腔构型和最佳激光增益效率进行设计；所述光谱特性要求前表面高透射率在1053nm±20nm波段内，透射率高于99.8%，后表面背入射要求高反射率在1053nm±20nm波段内，反射率高于99.8%；

（３）对垂直偏振态S光背入射高反膜进行驻波电场分析和优化，使其驻波电场在垂直偏振态S光背入射高反膜-钕玻璃基板界面位于驻波极小值；

（４）对垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜之间的驻波电场分布进行统一归一化，得到统一的驻波电场中极大值位于垂直偏振态S光增透膜-钕玻璃基板附近，通过改变此处薄膜膜厚的方法进一步提高激光损伤阈值，得到所需垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜；

（５）最后根据驻波电场优化后的垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜设计，采用电子束蒸发技术将HfO₂和SiO₂ 进行交替镀制，分别在钕玻璃基板前后面上镀制垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜，获得所需的背入射式高反薄膜系统。

本发明中，所述钕玻璃激光器谐振腔构型采用背入射式反射结构，具体为垂直偏振态S光在钕玻璃基板前表面从空气透射进入到钕玻璃基板内部，接着从钕玻璃基板内部入射到钕玻璃基板后表面，在钕玻璃基板后表面通过反射又回到钕玻璃基板内部，再从钕玻璃基板透射到达钕玻璃基板前表面，最后从钕玻璃基板前表面透射回到空气中；。

本发明中，其可选择的宽角度工作范围，工作角度的范围为0~80°，从而可保证玻璃激光器谐振腔构型工作在最佳激光增益效率角度。

本发明中，步骤（４）中所述对垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜之间的驻波电场分布进行统一归一化，具体为：在进行驻波电场计算时，令后表面的入射驻波电场强度等于前表面的出射驻波电场强度。

本发明中，步骤（４）中通过改变此处薄膜膜厚的方法进一步提高激光损伤阈值，具体为：对于薄膜-基板界面的驻波电场强度较高的垂直偏振态S光增透膜，减少其膜层数量，降低其物理厚度，以提高整体损伤阈值。

本发明采用的垂直偏振态S光背反射薄膜系统相比常规的平行偏振态P光背入射式高反薄膜，优点在于，在薄膜-基板界面的驻波电场强度更低，激光损伤阈值更高，同时薄膜系统的整体阈值也更好，而且具有工作角度可调，反射带更宽，稳定性和容错率更好等优点，从而保证了二极管侧面泵浦钕玻璃激光器新构型的实施和发展。

附图说明

图1为本发明主要应用环境——新型侧面泵浦钕玻璃激光器谐振腔构型的示意图；

图2 为本发明所提出的垂直偏振态S光背反射高反薄膜系统，即在钕玻璃基板双面进行镀膜后的光路示意图；

图3为本发明所提出的垂直偏振态S光背反射高反薄膜系统中背入式高反膜与常规平行偏振态P光背入式高反膜的光谱图对比；横坐标为光谱图的入射波长（纳米），纵坐标实测反射率（%）。其中实线代表垂直偏振态S光背反射高反薄膜系统中的背入射式高反膜，点线代表平行偏振态P光背入式高反膜；

图4为图3在反射带附近的局部放大图；横坐标为光谱图的入射波长（纳米），纵坐标实测反射率（%）。其中实线代表垂直偏振态S光背反射高反薄膜系统中的背入射式高反膜，点线代表平行偏振态P光背入式高反膜；

图5为本发明所提出的垂直偏振态S光背反射高反薄膜系统与常规平行偏振态P光背入式高反膜在基板-薄膜界面驻波电场强度分布图（波长1053nm、入射角56°）。横坐标为薄膜垂直方向物理厚度（纳米），纵坐标为归一化的驻波电场强度（%）。其中实线代表平行偏振态P光背入式高反膜，点状线代表垂直偏振态S光背反射高反薄膜系统中的背入射式高反膜，点横线代表垂直偏振态S光背反射高反薄膜系统中的增透膜；

图中标号： 1为激光二极管阵列泵浦源，2为1053nm反射镜，3为1053nm主激光，4为增益介质-中空钕玻璃管；５为谐振腔内部，６为增透膜，７为钕玻璃基板，８为背入射高反膜，９为谐振腔外部。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

以钕玻璃激光器谐振腔构型中常规平行偏振态P光背入射式高反薄膜工作角度——布儒斯特角为例，以方便对比。如图1所示。

制备方法：

1)设计布儒斯特角入射的垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜；垂直偏振态S光增透膜的膜系结构为[基板|LHL|空气]，垂直偏振态S光背入式高反膜的膜系结构为[基板|L(HL)^15|空气]。其中L代表四分之一光学厚度的低折射率材料SiO₂，H代表四分之一光学厚度的高折射率材料HfO₂，工作波长为1053nm；

2)进行驻波电场分析和优化，通过将背入射式高反薄膜结构[基板|L(HL)^15|空气]为[基板|(HL)^15|空气]，使得薄膜-基板界面位于驻波电场极小值。如图2所示；

3) 对两薄膜之间的驻波电场分布进行统一归一化，令后表面入射波电场强度与前表面出射波驻波电场强度一致，后表面驻波电场整体降低。并将前后表面驻波电场进行比较，发现前表面增透膜的薄膜-基板界面驻波电场强度较大；

4)对于前表面增透膜，通过将其结构从[基板|LHL|空气]改为[基板|HL|空气]，使其物理厚度从587nm降低为373nm，降低了36%，从而进一步提高了激光损伤阈值；

5)最后根据以上设计和优化，采用电子束蒸发技术将HfO₂和SiO₂ 进行交替镀制，分别在钕玻璃基板正反面上制得垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜，从而获得所需的背入射式高反薄膜系统。

效果对比：

1)将镀制的样品用分光光度计测试，钕玻璃前表面对S偏振态的1053nm波长透射率大于99.5%；在钕玻璃后表面对背入式S偏振态的1053nm波长反射率大于99.5%。光谱性能完全满足激光系统中的使用需求；

2) 将垂直偏振态S光背入射式高反薄膜系统与平行偏振态P光背入射式高反薄膜的光谱进行对比，发现同样的膜厚下，垂直偏振态S光方案获得的带宽更宽，反射率更高。如图3所示。反射率99.5%以上的带宽从35nm提升到250nm，提高了7倍多，增加了薄膜制备过程的容错率和系统的可靠性。如图4所示；

3)将垂直偏振态S光背入射式高反薄膜系统与平行偏振态P光背入射式高反薄膜的驻波电场进行对比，垂直偏振态S光背入式高反膜和增透膜在薄膜-基板界面的驻波电场归一化理论值分别为：0%和42%，而平行偏振态P光方案高达59%。因此本发明提出的垂直偏振态S光背入射式高反薄膜系统在薄膜-基板界面驻波电场更低。如图5所示；

4)在纳秒激光损伤测试平台上进行激光损伤检测，1-On-1测试标准，该样品的损伤阈值为25J/cm²（在λ=1053nm，脉宽10ns）；

5)将垂直偏振态S光背入射式高反薄膜系统与平行偏振态的平行偏振态P光背入射式高反薄膜的激光损伤阈值进行对比，发现使用本发明方法镀制出的薄膜的激光损伤阈值有大幅度提高，从10J/cm²提升到25J/cm²，提升了250%；

6)所以本发明制备的垂直偏振态S光偏振态的背入式高反薄膜系统，相比平行偏振态P光背入射式高反薄膜，能够在提供钕玻璃激光器新构型中所需的光谱特性的同时，获得更高的激光损伤阈值，更宽的反射带宽，更可靠的稳定性和容错率。

实施例2：

采用本发明提出的垂直偏振态S光背入射式高反薄膜系统，还可以使钕玻璃激光器谐振腔构型工作在布儒斯特角以外的任意角度，现在以45°为例说明。

制备方法：

1)设计45°入射的垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜；垂直偏振态S光增透膜的膜系结构为[基板|LHL|空气]，垂直偏振态S光背入式高反膜的膜系结构为[基板|L(HL)^15|空气]。其中L代表四分之一光学厚度的低折射率材料SiO₂，H代表四分之一光学厚度的高折射率材料HfO₂，工作波长为1053nm；

2)进行驻波电场分析和优化，通过将背入射式高反薄膜结构[基板|L(HL)^15|空气]为[基板|(HL)^15|空气]，使得薄膜-基板界面位于驻波电场极小值；

3)对两薄膜之间的驻波电场分布进行统一归一化，令后表面入射波驻波电场强度与前表面出射波驻波电场强度一致，后表面驻波电场整体降低。并将前后表面驻波电场进行比较，发现前表面增透膜的膜基界面驻波电场较大；

4)对于前表面增透膜，通过将其结构从[基板|LHL|空气]改为[基板|HL|空气]，降低其物理厚度，从而进一步提高了激光损伤阈值；

5)最后根据以上设计和优化，采用电子束蒸发技术将HfO₂和SiO₂ 进行交替镀制，分别钕玻璃基板正反面上制得45°入射的垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜，从而获得所需的背入射式高反薄膜系统。

效果对比：

１)将镀制的样品用分光光度计测试，钕玻璃前表面对垂直偏振态S光在1053nm波长透射率大于99.5%；在钕玻璃后表面对基板入射的的垂直偏振态S光在1053nm波长反射率大于99.5%。光谱性能完全满足激光系统中的使用需求。反射率99.5%以上的带宽为300 nm；

２) 垂直偏振态S光背入式高反膜和增透膜在薄膜-基板界面的驻波电场归一化理论值分别为：0%和49%；

３)在纳秒激光损伤测试平台上进行激光损伤检测，1-On-1测试标准，该样品的激光损伤阈值为30J/cm²（在λ=1053nm，脉宽10ns）；

４)所以本发明制备的垂直偏振态S光的背入式高反薄膜系统，在任意工作角度(如45°)，都能够提供钕玻璃激光器新构型中所需的光谱特性，同时获得较高的激光损伤阈值。

Claims (4)

1.一种钕玻璃激光器用背入射式高反薄膜系统的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）采用垂直偏振态S光作为背入射式高反薄膜系统的工作偏振态；所述背入射式高反薄膜系统结构为铵玻璃基板前表面镀制垂直偏振态S光增透膜，铵玻璃基板后表面镀制垂直偏振态S光背入射高反膜；

（２）针对钕玻璃激光器谐振腔构型所需的工作角度和光谱特性，设计工作角度所需入射的垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜；所述钕玻璃激光器谐振腔构型采用背入射式反射结构，具体为垂直偏振态S光在钕玻璃基板前表面从空气透射进入到钕玻璃基板内部，接着从钕玻璃基板内部入射到钕玻璃基板后表面，在钕玻璃基板后表面通过反射又回到钕玻璃基板内部，再从钕玻璃基板透射到达钕玻璃基板前表面，最后从钕玻璃基板前表面透射回到空气中；所述钕玻璃激光器谐振腔构型的工作角度根据钕玻璃激光器谐振腔构型和最佳激光增益效率进行设计；所述光谱特性要求前表面高透射率在1053nm±20nm波段内，透射率高于99.8%，后表面背入射要求高反射率在1053nm±20nm波段内，反射率高于99.8%；

（３）对垂直偏振态S光背入射高反膜进行驻波电场分析和优化，使其驻波电场在垂直偏振态S光背入射高反膜-钕玻璃基板界面位于驻波极小值；

（４）对垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜之间的驻波电场分布进行统一归一化，得到统一的驻波电场中极大值位于垂直偏振态S光增透膜-钕玻璃基板附近，通过改变此处薄膜膜厚的方法进一步提高激光损伤阈值，得到所需垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜；

（５）最后根据驻波电场优化后的垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜设计，采用电子束蒸发技术将HfO₂和SiO₂ 进行交替镀制，分别在钕玻璃基板前后面上镀制垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜，获得所需的背入射式高反薄膜系统。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：背入射式高反薄膜系统可选择的工作角度范围宽，工作角度的范围为0~80°，从而可保证玻璃激光器谐振腔构型工作在最佳激光增益效率角度。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（４）中所述对垂直偏振态S光增透膜和垂直偏振态S光背入射高反膜之间的驻波电场分布进行统一归一化，具体为：在进行驻波电场计算时，令后表面的入射驻波电场强度等于前表面的出射驻波电场强度。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（４）中通过改变此处薄膜膜厚的方法进一步提高激光损伤阈值，具体为：对于薄膜-基板界面的驻波电场强度较高的垂直偏振态S光增透膜，减少其膜层数量，降低其物理厚度，以提高整体损伤阈值。