CN111123510A

CN111123510A - 高色散镜膜系的设计方法

Info

Publication number: CN111123510A
Application number: CN202010031830.6A
Authority: CN
Inventors: 王胭脂; 陈瑞溢; 张宇晖; 郭可升; 王志皓; 朱美萍; 赵娇玲; 朱晔新; 易葵; 邵建达
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2020-05-08

Abstract

一种高色散镜膜系的设计方法，初始膜系结构为：S/(HL)^(m/2)C[(HL)^(m/4)C]^n(HL)^(2)/A,其中S表示基底，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，m为高反射膜层的周期数，n为谐振腔周期数，C为谐振腔，A代表空气。本发明通过将多个谐振腔嵌入在四分之一波长规整膜系的膜系中，使工作带宽内不同波长光分量在不同的腔内谐振与反射，极大的增加了整个膜系所引入的色散补偿能力。通过调整周期数m和n，可调控不同带宽内的色散和反射率，基于三腔式的初始结构和相应的膜系设计软件，我们设计得到多种高色散镜：‑10,000fs²,‑20,000fs²和‑40,000fs²高色散镜。高色散镜在保持高反射率的同时提供极大的色散补偿量，并且具有精确色散补偿的优点，对于超快激光技术的发展具有最重要的意义。

Description

高色散镜膜系的设计方法

技术领域

本发明属于超快激光薄膜，特别是一种高色散镜膜系的设计方法。

背景技术

在超快激光技术的发展过程中，色散补偿方式的优劣直接影响超快激光脉冲的产生和稳定运转，而色散镜的发明和使用对于超快激光来说具有里程碑式的作用。色散镜具有色散补偿可精确控制、调节方便、结构紧凑等优点，通过给予不同波长的光不同延迟，色散镜能够提供精确的群延迟色散补偿，并且不会引入高阶色散以及非线性效应，保证了激光脉冲的输出质量。

随着膜系设计和镀膜工艺的提高，色散镜朝着更多的方向发展，高色散镜作为其中最重要的一个方向，自从第一次被报道以来，已经受到越来越多的关注。2008年，高色散首次由慕尼黑大学和马普所的Pervak教授提出。随后，2009年Pervak又设计、制备了在740-860nm提供-500fs²GDD的高色散镜，并首次将高色散镜作为压缩级应用于CPA系统中，最终获得接近压缩极限的19.1fs激光脉冲，而且激光脉冲有着很好的时空分辨率，这也开辟了高色散镜在CPA系统中应用的先河。2010年，Hungwen Chen等人将制备得到的1030-1050nm提供-2000fs²GDD的高色散镜作为腔外色散补偿元件应用于掺Yb的光纤激光系统中，经过高色散镜间6次反射得到接近变换极限的80fs激光脉冲。2012年，Pervak教授课题组又报道出两种更高色散量的高色散镜，分别是在1027-103nm提供-4000fs²GDD高色散镜和1020-1040nm提供-3000fs²GDD高色散镜。2015年，Pervak等人利用robustsynthesis算法设计得到色散补偿量达到-10000fs²GDD的高色散镜，-10000fs²GDD也是目前在10nm带宽范围内所报道出来最大的色散量。2017年，Pervak又提出一种中红外波段新型高色散镜，在9-11.5μm范围内提供+1500fs²GDD,这也是中红外波段高色散镜首次报道出来。从高色散镜发展历程可以看出，大的色散补偿量一直是高色散镜追求的一个方向，从最初的报道的-500fs²到最高的-10000fs²的高色散镜，色散量的增加可以减少应用过程中高色散镜间的反射次数，降低损耗，同时光路调节过程中更加简单，激光系统更加紧凑、小型化。

高色散镜结合啁啾镜和嵌入效应以及谐振腔的谐振效应极大的提高了色散镜引入色散能力，同时高色散镜所引入大的色散补偿量，对于高色散镜的设计和制备都带来很大的难度。好的高色散镜初始设计不仅可以得到满足设计要求的高色散镜，而且还能得到最优的设计结果。高色散镜具有复杂的膜系结构，其所引入的色散量是嵌入效应和谐振效应共同作用的结果，而且大色散补偿量以及高反射率都对高色散镜设计带来极大挑战。因此，找到一种合适的高色散镜初始结构，对于高色散镜设计是极为重要的。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提出一种基于多腔式结构的高色散镜初始结构和设计方法，该高色散镜初始结构将谐振腔和高反射率层相结合，即在规整的四分之一波长膜厚的膜层中合适的位置插入谐振腔，同时利用了嵌入效应和谐振效应，极大的引入了色散量。利用该多腔式的高色散镜初始结构，并选择合适的参数，经过膜系设计软件优化之后可以得到所需的高色散镜。

本发明解决的技术方案如下：

一种高色散镜初始结构和设计方法，其特点在于基于多腔式结构的高色散镜初始结构，初始膜系结构可以表示为:S/(HL)^(m/2)C[(HL)^(m/4)C]^n(HL)^(2)/A,其中S表示基底，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，m为高反射膜层的周期数，n为谐振腔周期数，C为谐振腔，A代表空气。在整个膜系结构中，(HL)^(m/2)、(HL)^(m/4)和(HL)^(2)为高反层，C＝(aHbL)表示谐振腔，a和b为系数。该结构同时利用了嵌入效应和谐振效应，极大的引入了色散量，选择合适的参数之后并优化，可以得到所需的高色散镜最终结构。

上述高色散镜初始结构和设计方法，其特点在于该方法包括如下步骤：

1)根据所需制备色散镜对的色散量、反射率、偏振、入射角度和带宽，选择合适的高折射率材料、低折射率材料，常用的高折射率材料有Nb₂O₅、Ta₂O₅、HfO₂等，低折射率材料有SiO₂，所述的高折射率材料的折射率n_H和低折射率材料的折射率n_L为实际镀膜实验中反演得到；

2)基于多腔式的高色散镜初始结构S/(HL)^(m/2)C[(HL)^(m/4)C]^n(HL)^(2)/A,其中S表示基底，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，m为高反射膜层的周期数，n为谐振腔周期数，C＝(aHbL)表示谐振腔，a和b为系数，A代表空气。选择合适的参数，高反射膜层的周期数m一般选择在30-50，谐振腔的周期数n为大于1的正整数，谐振腔的厚度系数a和b在0.2-0.8；

3)确定高色散镜的基本参数，包括反射率、偏振态、入射角度、工作带宽、目标色散量以及所用高低折射率材料，确定高色散镜初始结构的参数，包括m、n、a和b的值，之后，利用膜系设计软件和相应的算法对膜系进行优化，得到最终所需要的结果。

4)观察最终结果是否满足高色散镜所需指标要求。若未能达到所需高色散镜的群延迟色散要求，通过调整谐振腔和高反射层的厚度系数a、b和周期数n，修改高色散镜镜初始结构参数，重复步骤2、3进行多次优化，直到最终满足高色散镜要求；若未能达到所需高色散镜的反射率要求，通过增加高反射率膜层周期数m，重复步骤2、3多次优化，直到最终满足高色散镜要求；若未能达到高色散镜的带宽要求，通过增加谐振腔和高反射层的厚度系数a、b和周期数m，重复步骤2、3，直到最终满足高色散镜要求。

与现有技术相比，本发明技术效果

1、提出一种高色散镜初始设计，利用多个谐振腔嵌入在高反射膜层中的形式，同时利用了嵌入效应和谐振效应引入色散，可针对不同色散和反射率要求，调节谐振腔厚度和高反层周期数，得到满足设计要求的高色散镜。

2、基于这一初始设计，可以实现不同带宽和不同色散量的高色散镜。

附图说明

图1为本发明高色散镜实施例一的初始膜系结构图。

图2为实施例一-20,000fs²高色散镜最终膜系结构。

图3为实施例一-20,000fs²高色散镜群延迟色散及反射率曲线图。

图4为实施例二-10,000fs²高色散镜最终膜系结构。

图5为实施例二-10,000fs²高色散镜群延迟色散及反射率曲线图。

图6为实施例三-40,000fs²高色散镜最终膜系结构。

图7为实施例三-40,000fs²高色散镜群延迟色散及反射率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。

请参阅图1，图1为本发明基于三腔式结构的高色散镜结构示意图，如图所示，由谐振腔和高反射膜层组成，三个谐振腔分别嵌入在四分之一波长规整膜系高反层结构中。所述的高反射膜层、谐振腔由高低折射率材料交替组成。

实施例一

该实施例的高色散镜指标为：群延迟色散值-20,000fs²，反射率＞99.9％，相应带宽为1064nm，中心波长为10nm带宽。

设计步骤如下：

1、根据群延迟色散及带宽要求，色散量相对较大，带宽较宽，所以选择折射率较高的高折射率材料Ta₂O₅，低折射率材料为SiO₂，高低折射率材料的折射率参数由柯西公式

确定，如表1所示。

	A<sub>0</sub>	A<sub>1</sub>	A<sub>2</sub>
				SiO<sub>2</sub>	1.44293	1.1622618e-2	-3.705533e-4
Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	22.01486	3.01116301e-2	-7.635062e-4

表1

2、根据高色散镜目标色散值和反射率要求，选择合适的参数：m＝40，a＝0.5，b＝0.5，得到三腔式结构高色散镜的膜系结构表达式S/(HL)^20(0.5H0.5L)(HL)^10(0.5H0.5L)(HL)^10(0.5H0.5L)(HL)^2/A,其中S表示基底，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高、低折射率材料，m为高反射膜层的周期数，C＝(aHbL)表示谐振腔，a和b为系数，A代表空气。膜系结构如图1所述。

3、基于S/(HL)^20(0.5H0.5L)(HL)^10(0.5H0.5L)(HL)^10(0.5H0.5L)(HL)^2/A的初始设计，参考波长为1064nm，选择入射角15度下的p偏振光，设定优化目标值群延迟色散(groupdelaydispersion，GDD)为-20,000fs²，通过膜系设计软件进行优化，如TfCalc、OptiLayer等，得到最终的膜系结构如图2所示。

4、如图3为满足要求的高色散镜反射率和群延迟色散曲线，其中反射率在1059-1069nm大于99.9％，群延迟色散GDD在1059-1069nm达到-20,000fs²，得到最终满足高色散镜要求的膜系结构。

实施例二

该实施例的群延迟色散-10,000fs²@1058-1073nm，反射率＞99.9％@1058-1073nm的高色散镜。

基于S/(HL)^15(0.5H0.5L)(HL)^7(0.5H0.5L)(HL)^7(0.5H0.5L)(HL)^2/A的初始设计，得到-10,000fs²高色散镜，最终膜系结构如图4所示，群延迟色散及反射率曲线如图5所示。

实施例三：群延迟色散-40,000fs²@1050-1057nm，反射率＞99.4％@1050-1057nm的高色散镜。

基于S/(HL)^16(0.8H0.8L)(HL)^8(0.8H0.8L)(HL)^8(0.8H0.8L)(HL)^2/A的初始设计，得到-40,000fs²高色散镜，最终膜系结构如图6所示，群延迟色散及反射率曲线如图7所示。

本发明对于高色散镜的设计具有重要意义，有助于推动高色散镜在超快激光系统中应用。

Claims

1.一种高色散镜膜系的设计方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)采用多腔式的结构，设计初始膜系结构如下：

S/(HL)^(m/2)C[(HL)^(m/4)C]^n(HL)^(2)/A,

其中，S表示基底，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高、低折射率材料，m为高反射膜层的周期数，n为谐振腔周期数，C为谐振腔，A代表空气，在整个膜系结构中，(HL)^(m/2)、(HL)^(m/4)和(HL)^(2)为高反层，C＝(aHbL)表示谐振腔，a和b为系数，针对不同的设计带宽和需要引入的色散量，选择合适的高反射膜层的重复周期数(m)，谐振腔重复周期数(n)和谐振腔的厚度(a和b的值)：

2)选择所述基底层材料；

3)根据所需制备高色散镜的色散量、反射率和带宽，选择合适的高折射率材料、低折射率材料，所述的高折射率材料的折射率n_H、低折射率材料的折射率、n_L为实际镀膜实验中反演得到；

4)选择所述的高反射率膜层的周期数m，谐振腔周期数n，谐振腔的厚度系数a和b；

5)根据所设计的高色散镜要求，设定相应的目标值：包括群延迟色散值、反射率以及所涵盖波长范围；

6)在初始结构的基础上进行优化，并观察最终结果是否满足高色散镜所需的指标：

若未能达到所需高色散镜的群延迟色散要求和波长范围要求，通过调整谐振腔的系数a和b，增加周期数n之后，再进一步优化；

若未能达到所需高色散镜的反射率要求，通过增加高反射率膜层的周期数m，进一步优化，直到满足高色散镜要求。

2.根据权利要求1所述的高色散镜膜系的设计方法，其特征在于，所述的基底层材料为石英玻璃或者CaF₂。

3.根据权利要求1所述的高色散镜膜系的设计方法，其特征在于，所述的高折射率材料包括TiO₂，Nb₂O₅，Ta₂O₅，HfO₂，ZrO₂，氟化物，硫化物或Si。

4.根据权利要求1所述的高色散镜膜系的设计方法，其特征在于，所述的低折射率材料为SiO₂，Al₂O₃或MgF₂。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高色散镜膜系的设计方法，其特征在于，所述的高反射率膜层的周期数m的选择范围为30-50，所述的谐振腔周期数n为正整数，所述的谐振腔的厚度系数a和b的选择范围均为0.2-0.8。