CN107863675B - 一种用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构，包括板条基板和SiO2薄膜，所述板条基板和SiO2薄膜间设置有一层一定厚度的高折射率混合材料HfxSi1‑xO2薄膜，大幅降低薄膜与板条基板界面的驻波电场强度，从而提高全反射面的激光损伤阈值并且不改变全反射临界条件。与现有技术相比，本发明具有提高激光损伤阈值、保持低吸收和实用性强等优点。

Description

一种用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构
技术领域
本发明涉及光学薄膜领域，涉及一种板条激光器，尤其是涉及一种用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构。
背景技术
板条激光器谐振腔由于其全反射光路结构可以减小热效应及应力双折射等不利影响，并获得高输出能量和良好的光束质量，因而被广泛应用于各种高能激光系统中。对于工作在高平均功率激光下的板条激光器，其谐振腔的全反射面由激光介质与低折射率薄膜构成，低折射率薄膜再与热沉相连以带走废热。高平均功率激光下对谐振腔有两方面要求，一方面由于薄膜内部较强的倏逝波电场分布会产生废热，所以要求薄膜具有较小的吸收；另一方面要求谐振腔在高平均功率激光下工作时不发生损坏。
迄今为止，板条激光器谐振腔全反射面的结构都是在高折射率晶体材料的板条基板表面镀制单层的低折射率SiO2薄膜形成全反射。SiO2薄膜的吸收较小，但是这种薄膜结构的全反射面的抗激光损伤能力较弱。随着板条激光器激光功率的提高，谐振腔损坏的现象也越来越多，谐振腔损坏问题已经成了限制板条激光器发展的一个重要难题。
在现有的研究中，尚未明确全反射面激光损伤的机制，也无人提出过有效提高谐振腔全反射面激光损伤阈值的方法。在实际应用中，迫切需要一种新型的、实用性强和激光损伤阈值更高的谐振腔全反射面的薄膜结构。
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用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构，包括板条基板和SiO2薄膜，所述板条基板和SiO2薄膜间设置有HfxSi1-xO2薄膜。
进一步地，所述HfxSi1-xO2薄膜的厚度为200～300nm。
进一步地，所述HfxSi1-xO2薄膜的厚度优选为250nm。
进一步地，所述HfxSi1-xO2薄膜在1064nm波长的折射率为1.83～1.93。
进一步地，所述HfxSi1-xO2薄膜的制备工艺为离子束辅助沉积工艺。
进一步地，所述HfxSi1-xO2薄膜为经退火处理的薄膜。
进一步地，所述退火处理过程中，退火温度为500℃～600℃。
进一步地，所述板条基板的材料为Nd:YAG晶体。
进一步地，所述SiO2薄膜的厚度大于2μm。
本发明还提供一种板条激光器谐振腔，包括所述的用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在传统的全反射面薄膜结构[基板|SiO2]中增加了一层一定厚度的低吸收的HfxSi1-xO2薄膜，形成新型薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]，通过调节HfxSi1-xO2薄膜的厚度可以使得HfxSi1-xO2薄膜与板条基板界面处的驻波电场强度大幅降低，从而提高全反射面的激光损伤阈值。本发明优选的薄膜结构激光损伤阈值是传统SiO2单层膜的2倍。
(2)本发明使用的HfxSi1-xO2薄膜经退火处理，可以降低材料的吸收，在保证了薄膜非晶态结构的同时保持了全反射面薄膜的低吸收，该薄膜吸收值与单层SiO2全反射面薄膜相近。
(3)本发明板条激光器谐振腔全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]的制备简单，膜系结构简单，工艺成熟，可制备性强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明高功率板条激光器谐振腔结构的示意图；
图3为本发明全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]的电场分布图；
图4为传统的全反射面薄膜结构[基板|SiO2]的电场分布图；
图5为本发明全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]的典型损伤形貌；
图6为传统全反射面薄膜结构[基板|SiO2]的典型损伤形貌。
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，本实施例提供一种用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构，包括板条基板1和SiO2薄膜2，板条基板1和SiO2薄膜2间设置有一定厚度的HfxSi1-xO2薄膜3。板条基板1的材料为Nd:YAG晶体。SiO2薄膜的厚度大于2μm，本实施例中为3μm。HfxSi1-xO2薄膜3是一种混合材料，其厚度为200～300nm，本实施例中，HfxSi1-xO2薄膜3的厚度为250nm。HfxSi1- xO2薄膜3在1064nm波长下的折射率为1.83～1.93，本实施例采用折射率为1.93的HfxSi1-xO2薄膜。
HfxSi1-xO2薄膜3和SiO2薄膜2的制备工艺采用离子束辅助沉积工艺。本实施例中，HfxSi1-xO2薄膜3为经退火处理的薄膜，退火温度范围在500℃～600℃，本实施例采用500℃进行退火处理，经过退火处理可使其吸收降到最低。
如图2所示为基于上述薄膜结构形成的板条激光器谐振腔，工作激光波长为1064nm，其激光工作介质为板条基板1，板条端面切角为45°，并镀制1064nm增透膜4，板条的全反射面镀制的HfxSi1-xO2薄膜3和SiO2薄膜2提供全反射，SiO2薄膜2再与热沉5相连带走废热，泵浦光6从板条基板1的端面入射为工作介质供能，工作激光7在板条基板1内部通过上下表面的全反射以曲折光路传输并被工作介质放大。让入射激光工作为S偏振光，在全反射面的入射角约为55°，控制HfxSi1-xO2薄膜3厚度约为250nm，使得HfxSi1-xO2薄膜3与板条基板1界面处的驻波电场强度大幅降低，且全反射临界条件不会改变。
全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]的电场分布如图3所示，厚度为0的位置代表板条基板1和HfxSi1-xO2薄膜3的界面，厚度为负值的区域代表板条基板1的电场分布，厚度在0到约250nm之间为HfxSi1-xO2薄膜3的电场分布，余下区域代表SiO2薄膜2的电场分布，其HfxSi1-xO2薄膜3与板条基板1界面处电场强度几乎为0。对比传统的全反射面薄膜结构[基板|SiO2]的电场分布，如图4所示，图中厚度为0的位置代表板条基板和SiO2单层膜的界面，厚度为负值的区域代表板条基板的电场分布，厚度为正值的区域代表SiO2单层膜的电场分布。对比发现本发明设计的全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]在薄膜与基板界面处的驻波电场强度远低于传统的全反射面薄膜结构[基板|SiO2]，理论结果表明本发明设计的薄膜结构可以有效的提高激光损伤阈值。
通过实验测试并对比全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]与传统的全反射面薄膜结构[基板|SiO2]的激光损伤阈值、损伤形貌以及吸收大小。本发明设计的全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]的典型损伤形貌如图5所示，图中给出了板条基板、SiO2薄膜和HfxSi1-xO2薄膜的形貌，损伤发生位置在较难损伤的基板内部，其抗激光损伤能力比较强。传统的全反射面薄膜结构[基板|SiO2]的典型损伤形貌如图6所示，损伤发生位置在易损伤的薄膜与基板界面处，其抗激光损伤能力较弱。本发明设计的全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]与传统的全反射面薄膜结构[基板|SiO2]的激光损伤阈值与吸收大小如表1，激光损伤阈值大小对比与损伤位置结果相符。
表1 传统的全反射面薄膜结构[基板|SiO2]与全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]的激光损伤阈值与吸收大小
Figure BDA0001413467280000041
由此可见，本发明在传统的SiO2单层膜与板条基板之间加入一层一定厚度的高折射率膜层HfxSi1-xO2，这种全反射面薄膜结构[基板|HfxSi1-xO2|SiO2]的激光损伤阈值是传统全反射面薄膜结构[基板|SiO2]的2倍，并且依然保持了低的薄膜吸收。
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 (7)

1.一种用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构，包括板条基板和SiO2薄膜，其特征在于，所述板条基板和SiO2薄膜间设置有一层高折射率混合材料HfxSi1-xO2薄膜，所述HfxSi1-xO2薄膜的厚度为200～300nm，所述HfxSi1-xO2薄膜为经退火处理的薄膜，所述SiO2薄膜的厚度大于2μm。
2.根据权利要求1所述的用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构，其特征在于，所述HfxSi1-xO2薄膜的厚度为250nm。
3.根据权利要求1所述的用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构，其特征在于，所述HfxSi1-xO2薄膜在1064nm波长的折射率为1.83～1.93。
4.根据权利要求1所述的用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构，其特征在于，所述HfxSi1-xO2薄膜的制备工艺为离子束辅助沉积工艺。
5.根据权利要求1所述的用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构，其特征在于，所述退火处理过程中，退火温度为500℃～600℃。
6.根据权利要求1所述的用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构，其特征在于，所述板条基板的材料为Nd:YAG晶体。
7.一种板条激光器谐振腔，其特征在于，包括如权利要求1所述的用于板条激光器谐振腔全反射面的薄膜结构。
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