CN107748404A - 一种低散射损耗的高反射薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低散射损耗的高反射薄膜，包括由下而上依次设置的基板、第一薄膜、第二薄膜和第三薄膜，第一薄膜、第二薄膜和第三薄膜均由高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置构成，第一薄膜为1/4中心波长光学厚度的标准高反射薄膜结构，第二薄膜和第三薄膜均为全介质法珀腔薄膜结构，第一薄膜与基板接触的一侧为高折射率材料膜层H，第三薄膜与空气接触的一侧为高折射率材料膜层H，第一薄膜、第二薄膜和第三薄膜连接处高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置。与现有技术相比，本发明具有有效降低散射、材料选择范围广、制作成本低和易于推广等优点，在超高精度激光测量领域具有广泛的应用前景。

Description

一种低散射损耗的高反射薄膜

技术领域

本发明属于激光器领域，涉及一种光学薄膜，尤其是涉及一种低散射损耗的高反射薄膜。

背景技术

超高精度激光测量系统如激光陀螺、引力波探测系统、光腔衰荡光谱测量系统和飞秒“光钟”是基础科学、应用技术和国防领域中重要的前沿激光测试设备。超低损耗激光薄膜是组成超高精度激光测量系统的核心光学元件。薄膜总损耗的高低对超高精度激光测量系统的基本功能、灵敏度和信噪比等因素造成极大的影响。

超高精度激光测试系统中使用了多种低损耗薄膜元件，其中高反射薄膜的损耗对系统性能的影响最大，控制高反射薄膜的损耗就成为该系统关键技术之一。如何降低高反射薄膜的损耗一直是低损耗高反射薄膜研究的重点和热点，根据能量守恒定律，高反射薄膜的反射率R可表示为：

R＝1-(S+A+T) (1)

其中，S为散射损耗，A为吸收损耗，T为透射损耗。当反射膜的反射率高于99.9％，或者总损耗小于1000ppm时，就可以称之为低损耗高反射薄膜。

目前通过改善抛光、清洗和镀膜工艺来降低表面粗糙度和减少内部缺陷，已经可以极大地降低散射值。如何在现有加工工艺的基础上，通过对高反射薄膜的优化设计来降低散射值，其优化设计的主要依据是光学薄膜的散射理论，通过全相关和非相干的模型对膜系进行优化设计，达到降低散射的目的。对于标准的高反射薄膜，法国研究人员通过优化光学因子，将1/4中心波长高反射薄膜的界面电场峰值移到电场内部，理论上降低了非相关散射。但是，高反射薄膜结构主要采用标准的1/4中心波长高低折射率交替设置，其矢量散射理论计算全相关的界面粗糙度引起的界面散射要大于非相关造成的影响，并且大多数高反射薄膜的界面相关性接近于全相关模型。目前，还没有一种可以降低高反射薄膜全相关模型下散射值的方法。

针对以上问题可知，高反射薄膜的研制急需一种降低全相关散射值的方法，直接有效的降低高反射薄膜的损耗对系统性能的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低散射损耗的高反射薄膜。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低散射损耗的高反射薄膜，包括由下而上依次设置的基板、第一薄膜、第二薄膜和第三薄膜，所述第一薄膜、第二薄膜和第三薄膜均由高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置构成，所述第一薄膜为1/4中心波长光学厚度的标准高反射薄膜结构，所述第二薄膜和第三薄膜均为全介质法珀腔薄膜结构，

所述第一薄膜与所述基板接触的一侧为高折射率材料膜层H，所述第三薄膜与空气接触的一侧为高折射率材料膜层H，

所述第一薄膜、第二薄膜和第三薄膜连接处高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置。

进一步地，所述基板为石英或硅片。

进一步地，所述高折射率材料为HfO₂、TiO₂或Ta₂O₅中的一种，低折射率材料为MgF₂或SiO₂中的一种。

进一步地，所述第一薄膜的结构为(HL)ⁿ¹H，n1≥15。

进一步地，所述第二薄膜的结构为(LH)ⁿ²2L(HL)ⁿ²，1≤n2≤4。

进一步地，所述第三薄膜的结构为(HLH)ⁿ³2L(HLH)ⁿ³，1≤n3≤4。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、有效降低散射：本发明采用光学厚度为标准1/4波长的高反射薄膜结构和两个法珀腔薄膜结构结合的膜系，理论上使得全相关模型的总散射值(TS)比普通高反射薄膜降低了约2倍，极大地降低了高反射薄膜的散射损耗。

2、通用性强：材料选择范围广，基板为石英或硅片，高折射率材料膜层为HfO₂、TiO₂或Ta₂O₅的一种，低折射率材料膜层为MgF₂或SiO₂的一种；制作成本低，可以用常规的IAD镀膜工艺制备，在超高精度激光测量领域具有广泛的应用前景，易于推广。

3、可制备性强：采用两种高低折射率材料，各膜层光学厚度适合常规薄膜监控方式。

附图说明

图1为低散射损耗膜系的示意图；

图2为Ta₂O₅/SiO₂低散射损耗膜系结构图；

图3为Ta₂O₅/SiO₂单腔高反射薄膜与普通高反薄膜的散射光学因子对比；

图4为Ta₂O₅/SiO₂低散射高反射薄膜与普通高反射薄膜的散射光学因子对比；

图5为Ta₂O₅/SiO₂低散射高反射薄膜和普通高反射薄膜角分布散射(ARS)理论结果对比图；

图6为Ta₂O₅/SiO₂低散射高反射薄膜和普通高反射薄膜角分布散射(ARS)实验结果对比图；

图中标号：1是基板，2是第一薄膜，3是第二薄膜，4是第三薄膜，H是高折射率材料膜层，L是低折射率材料膜层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种低散射损耗的高反射薄膜，包括由下而上依次设置的基板1、第一薄膜2、第二薄膜3和第三薄膜4，第一薄膜2、第二薄膜3和第三薄膜4均由高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置构成，第一薄膜2、第二薄膜3和第三薄膜4连接处高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置，第一薄膜2与基板1接触的一侧为高折射率材料膜层H，第三薄膜4与空气接触的一侧为高折射率材料膜层H，即由基板1往上的奇数层为高折射率材料膜层H，偶数层为低折射率材料膜层L。第一薄膜2为1/4中心波长光学厚度的标准高反射薄膜结构，其结构为(HL)ⁿ¹H，考虑到高反射率特性，n1≥15。第二薄膜3为全介质法珀腔薄膜结构，其结构为(LH)ⁿ²2L(HL)ⁿ²，使腔附近的散射界面电场干涉相消，考虑到腔结构的有效性和高反射薄膜实际镀制的总膜厚要求，1≤n2≤4。第三薄膜4为全介质法珀腔薄膜结构，其结构为(HLH)ⁿ³2L(HLH)ⁿ³，使腔附近的散射界面电场干涉相消，考虑到腔结构的有效性和高反射薄膜实际镀制的总膜厚要求，1≤n3≤4。

上述低散射损耗的高反射薄膜从界面散射电场干涉相消的原理出发，在普通高反射薄膜膜系设计时添加两个法珀腔结构，使界面散射电场干涉相消，降低散射光学因子，进一步达到降低散射的目的。该膜系结构的光学厚度为1/4中心波长和1/2中心波长，可以用常规光学监控的方式精确控制，具有较高的可制备性，便于推广。

基板1为石英或硅片，高折射率材料为HfO₂、TiO₂或Ta₂O₅中的一种，低折射率材料为MgF₂或SiO₂中的一种。

本实施例中，基板1为JGS1，高折射率材料为Ta₂O₅，低折射率材料为SiO₂，最终形成的Ta₂O₅/SiO₂低散射损耗膜系结构如图2所示。入射介质为空气，光垂直入射，中心波长为808nm，总膜层数为51层，奇数层为高折射率材料Ta₂O₅，偶数层为低折射率材料SiO₂，除了38、48层的光学厚度为404nm之外，其他膜层的光学厚度均为202nm。

在图2中，第1层到第31层为第一薄膜2，其结构为(HL)¹⁵H的法珀腔结构膜系，高低折射率材料交替设置，靠近基板1的为高折射率材料，各膜层光学厚度为中心波长的1/4，增加膜层数可增大反射率。

第32层到第44层为第二薄膜3，其结构为(LH)³2L(HL)³的法珀腔结构膜系，两边反射膜的光学厚度为1/4的中心波长，间隔层38层的光学厚度为1/2的中心波长，公式(2)为S光入射时入射面上角分布散射值(ARS)的表达式：

式(2)主要由两部分构成，表征界面不规则形貌的表面功率谱密度函数(PSD)，余下部分是与散射电场相关的光学因子。其中和分别为一阶散射场和0阶电场Z方向上的波矢，c为光速，ω为角速度，ε_L+2为空气折射率，θ为散射极化角，L为膜层数。由于腔结构的存在，使得某些界面的G_j值反向，达到散射电场反向干涉相消的效果。

若只增加单个法珀腔即第二薄膜3，设计得到单腔高反射薄膜，并在理论上比较中心波长为808nm的Ta₂O₅/SiO₂普通高反射薄膜和单腔高反射薄膜的散射光学因子，如图3可知，单个法珀腔在大角度散射的电场干涉相消效果较差。所以，加入单个法珀腔并不能达到低散射膜系的要求，需要增加第二个法珀腔降低大角度散射的影响。

在此基础上，增加第二个法珀腔即第三薄膜4，层数为第45层到第51层，其结构为HLH2LHLH的法珀腔结构膜系，间隔层为48层，光学厚度为1/2倍的中心波长，两边反射膜的光学厚度为1/4倍的中心波长。同理腔结构膜系使不同散射角的散射电场干涉相消。

图4在理论上比较了中心波长为808nm的Ta₂O₅/SiO₂普通高反射薄膜和低散射膜系的散射光学因子，可知在全相关的理论下，低散射膜系的光学因子明显低于普通高反射薄膜，且在±20°散射角附近时有极小值出现，与图3对比可知，大角度散射的影响被大幅度降低。Ta₂O₅/SiO₂低散射损耗膜系和普通高反射薄膜的角分布散射(ARS)的理论对比图如图5所示，入射光为S光，仅考虑入射面上的角分布散射(ARS)值。从图5可知，在表面形貌相近的情况下，全相关模型下的双腔结构低散射膜系的角分布散射(ARS)值比普通的高反射薄膜的角分布散射(ARS)值要低一个量级。角分布散射(ARS)值积分得到的全相关模型下低散射膜系的总散射(TS)为

其中θ_s为散射极化角，总散射(TS)值为1.20×10^-4，普通高反射薄膜的总散射(TS)值为2.26×10^-4，理论上界面全相关模型的总散射(TS)值比普通1/4波长的高反射薄膜降低两倍左右。法珀腔的个数的增加会增加薄膜的厚度，薄膜太厚会增加表面粗糙度并对实际光谱特性造成影响，通过本发明设计的增加两个法珀腔的膜系，可在理论上有效的降低全相关散射导致的薄膜损耗，无需要继续增加法珀腔的个数。

图6为Ta₂O₅/SiO₂低散射损耗膜系和普通高反射薄膜的角分布散射(ARS)测试结果对比图。实验结果表明在小角散射时，低散射膜系略高于普通高反射薄膜，在20°没有出现极小值，但有迅速下降的趋势。这与薄膜的界面相关性有关，在小角散射时薄膜受界面非相关的影响，导致散射值略高。对于大角散射，低散射膜系角分布散射(ARS)明显低于普通高反射薄膜一个量级左右，与理论值相符合。根据测试的角分布散射(ARS)值积分得到低散射膜系的总散射(TS)值为1.78×10^-4，普通高反射薄膜的总散射(TS)值为2.52×10^-4。所以本发明设计的低散射损耗的高反射薄膜，有效的降低全相关散射导致的薄膜损耗，提升超高精度激光测量的系统性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低散射损耗的高反射薄膜，其特征在于，包括由下而上依次设置的基板(1)、第一薄膜(2)、第二薄膜(3)和第三薄膜(4)，所述第一薄膜(2)、第二薄膜(3)和第三薄膜(4)均由高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置构成，所述第一薄膜(2)为1/4中心波长光学厚度的标准高反射薄膜结构，所述第二薄膜(3)和第三薄膜(4)均为全介质法珀腔薄膜结构，

所述第一薄膜(2)与所述基板(1)接触的一侧为高折射率材料膜层H，所述第三薄膜(4)与空气接触的一侧为高折射率材料膜层H，

所述第一薄膜(2)、第二薄膜(3)和第三薄膜(4)连接处高折射率材料膜层H和低折射率材料膜层L交替设置。

2.根据权利要求1所述的低散射损耗的高反射薄膜，其特征在于，所述基板(1)为石英或硅片。

3.根据权利要求1所述的低散射损耗的高反射薄膜，其特征在于，所述高折射率材料为HfO₂、TiO₂或Ta₂O₅中的一种，低折射率材料为MgF₂或SiO₂中的一种。

4.根据权利要求1所述的低散射损耗的高反射薄膜，其特征在于，所述第一薄膜(2)的结构为(HL)ⁿ¹H，n1≥15。

5.根据权利要求1所述的低散射损耗的高反射薄膜，其特征在于，所述第二薄膜(3)的结构为(LH)ⁿ²2L(HL)ⁿ²，1≤n2≤4。

6.根据权利要求1所述的低散射损耗的高反射薄膜，其特征在于，所述第三薄膜(4)的结构为(HLH)ⁿ³2L(HLH)ⁿ³，1≤n3≤4。