CN111208591A - 宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法。宽带高阈值组合介质低色散镜的结构为G/M/N/A，其中G代表基底层，M代表宽带介质膜层，N代表高阈值介质膜层，A代表空气层。所述的介质膜系结构由高折射率材料和低折射率材料交替沉积而成。不同的宽带介质膜层材料可实现不同的反射带宽和色散要求，不同的高阈值介质膜层材料可满足不同的阈值、色散要求。本发明结合宽带高折射率材料反射带宽宽、色散低和高阈值材料抗激光破坏能力强的特点，通过调节膜层厚度，调控膜内电场分布，从而设计满足超快激光系统中用于脉冲传输的宽带高阈值低色散镜。

Description

宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及超快激光薄膜，特别是一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法。

背景技术

激光作为二十世纪最伟大的发明之一，经过六十多年的发展，已经衍生出了一大批高新技术和学科方向。超强超短激光是激光科学最前沿方向之一，近些年随着小型化超强超短激光器的出现，使研究人员能够在实验室中运用全新的实验手段，模拟出恒星内部、核爆中心以及黑洞边缘出现的极端物理条件。所谓的超短脉冲一般是指飞秒范围内的脉冲，脉冲时域非常窄。由于啁啾效应，超短脉冲通过介质材料时，脉冲会在时域上发生形变。低色散镜是超短脉冲激光系统中最常用的光学元件之一，通过在反射带宽内提供零群延迟色散(Group delay dispersion)，保证超短脉冲在经过低色散镜反射后，仅发生传输方向的变化，不会产生额外的色散。但是因为低色散镜的反射带宽、色散和损伤阈值相互影响和制约，所以设计并制备出更宽反射带宽、更高损伤阈值的低色散镜是高功率超短脉冲激光器的一个研究重点。

全介质高反膜由高低折射率材料交替沉积而成，高折射率材料(HfO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂、ZrO₂等)的折射率和带隙宽度直接影响着低色散镜的反射带宽、色散和阈值。折射率越高，低色散镜的反射带宽越宽，色散越低，但是更高的折射率也意味着材料的带隙越窄。例如HfO₂/SiO₂组成的规整介质膜的反射带宽大约90nm，HfO₂的带隙为5.5ev，而TiO₂/SiO₂组成的规整介质膜系的反射带宽大约150nm，但是TiO₂的带隙只有3.3ev，就这两种低色散镜来说，TiO₂/SiO₂虽然具有更宽的反射带宽，更低的色散引入，但是由于其带隙较窄，阈值性能不如HfO₂/SiO₂。所以对于全介质膜系结构，反射带宽及色散和阈值是互为矛盾的变量。此外，规整介质膜的电场峰值一般分布于高低折射率膜层与膜层的交界面处，短脉冲作用下，界面处极易发生损伤。

发明内容

本发明提出一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法，利用高折射率材料反射带宽宽、色散低和高阈值材料抗激光破坏能力强的特点，通过调整介质膜的厚度调控膜内电场分布，设计宽带范围内的高阈值组合介质低色散镜。不同的宽带介质薄膜材料可以实现不同的反射带宽，不同的高阈值薄膜材料可以实现不同的阈值要求。

本发明的技术解决方案如下：

一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构为G/M/N/A，其中G代表基底层，M代表宽带介质膜层，N代表高阈值介质膜层，A代表空气层。具体由下而上依次是基底材料、宽带介质膜层、高阈值介质膜层和空气层，所述的宽带介质膜层由低折射率介质材料和宽带高折射率介质材料交替沉积而成，所述的的高阈值介质膜层由低折射率介质材料和高阈值高折射率介质材料交替沉积而成，所述的宽带高折射率介质材料带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料的带隙。

所述的低折射率介质材料的折射率小于宽带高折射率介质材料的折射率，且小于高阈值高折射率介质材料的折射率。

所述的低折射率介质材料为SiO₂、Al₂O₃或MgF₂。

所述的基底层材料为石英玻璃、K9(BK7)或CaF₂。

所述的宽带高折射率介质材料为TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、HfO₂、Nb₂O₅、硫化物或Si，高阈值高折射率介质材料为TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、HfO₂、Nb₂O₅、硫化物或Si，且所述的宽带高折射率介质材料(H)带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料(M)的带隙。

一种宽带高阈值组合介质低色散镜的设计方法，其特点在于该设计方法包括以下步骤：

1)根据所需设计低色散镜的反射带宽和反射率选择合适的宽带介质膜层材料和周期数。宽带介质膜高低折射率材料的折射率比值范围1～3，折射率的比值越大，设计的低色散镜反射带宽越宽。宽带介质膜层周期数需大于10，周期数越大，反射带宽范围内的反射率越高。

2)根据所需设计低色散镜的阈值要求、色散和反射带宽选择合适的宽带隙高阈值介质膜层材料和周期数。高阈值介质膜高低折射率材料的折射率比值范围1～2，折射率的比值越小，设计的低色散镜的阈值越高，但是色散越大。高阈值介质膜层周期数不大于10，周期数越大，阈值越高，色散越大。

3)从低色散镜的最外层(靠近空气层)开始，线性减小高阈值高折射率介质膜层的厚度，线性增加高阈值低折射率介质膜层的厚度，获得电场变化及色散和反射光谱随着高阈值介质膜层厚度的变化规律，在此基础上，使色散和反射率达到设计目标的同时，将表层电场峰值转移至低折射率材料中。

4)得到最终满足设计需求的宽带高阈值组合介质低色散镜膜系结构。

本发明的有益技术效果为：

不同的宽带介质膜层材料可实现不同的反射带宽和色散要求，不同的高阈值介质膜层材料可满足不同的阈值、色散要求。本发明结合宽带高折射率材料反射带宽宽、色散低和高阈值材料抗激光破坏能力强的特点，通过调节膜层厚度，调控膜内电场分布，从而设计满足超快激光系统中用于脉冲传输的宽带高阈值低色散镜。解决了现有技术中全介质低色散镜带宽不宽，阈值过低的问题。

附图说明

图1为本发明一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构示意图。

图中：1-基底层、2-宽带介质膜层、3-高阈值介质膜层、4-空气层

图2为实施例三种膜系结构反射带宽对比图。

图3为实施例替换膜层材料后的电场分布和膜系结构。

图4为实施例调整膜层厚度后的群延迟色散曲线和反射光谱。

图5为实施例调整膜层厚度后的电场分布和膜层结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实例进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明宽带高阈值组合介质低色散镜结构示意图，如图所示，一种宽带高阈值组合介质低色散镜，由下而上依次是基底材料1、宽带介质膜层2、高阈值介质膜层3、空气层4。所述的宽带介质膜层2由低折射率介质材料L和宽带高折射率介质材料H交替沉积而成，所述的的高阈值介质膜层3由低折射率介质材料L和高阈值高折射率介质材料M交替沉积而成，所述的宽带高折射率介质材料H带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料M的带隙。

在材料选择方面，基底层材料可以为石英玻璃、K9(BK7)或CaF₂。宽带高折射率材料可以为TiO₂，Ta₂O₅，ZrO₂，HfO₂，Nb₂O₅，氟化物，硫化物，Si中的任意一种。宽带低折射率材料可以为SiO₂，Al₂O₃，MgF₂中的任意一种。高阈值高折射率材料可以为TiO₂，Ta₂O₅，ZrO₂，HfO₂，Nb₂O₅，Al₂O₃，氟化物，硫化物，Si中的任意一种，所选高阈值高折射率材料的带隙须大于宽带高折射率材料的带隙。高阈值低折射率材料可以为SiO₂，Al₂O₃，MgF₂中的任意一种。

实施例一所要求低色散镜设计指标为：850-950nm范围内，入射角5°，p光，群延迟色散小于±30fs²，反射率＞99.95％。

设计步骤如下：

1、基底材料选择石英玻璃JGS1。根据反射带宽的要求，反射带宽较宽，所以选择TiO₂和SiO₂作为宽带介质膜的高低折射率材料，初始结构为周期性膜层结构，反射光谱如图2所示。宽带高折射率材料TiO₂和宽带低折射率材料SiO₂的折射率参数由柯西公式

确定，如表1所示，其中n(λ)为波长λ处的折射率，A₀、A₁、A₂是柯西色散系数，不同介质对应的色散系数不同。

	A<sub>0</sub>	A<sub>1</sub>	A<sub>2</sub>
				SiO<sub>2</sub>	1.44293	1.16226181e-2	-3.70553295e-4
TiO<sub>2</sub>	2.224101	4.4657e-2	8.2192065e-4
				HfO<sub>2</sub>	1.88775	1.5934e-2	e-12

表1

2、高阈值高折射率介质材料应选择带隙宽度大于(3.3ev)TiO₂(3.3ev)的材料，可供选择的高阈值材料有Ta₂O₅、Nb₂O₅、HfO₂、Al₂O₃等，出于追求更高的阈值，且不牺牲过大的反射带宽，该实例选择HfO₂作为高阈值材料，高阈值低折射率介质材料选择SiO₂。高阈值高折射率介质材料HfO₂的折射率参数和高阈值低折射率介质材料SiO₂的折射率参数由柯西公式

确定，如表1所示。若采用相同的膜系结构，即宽带高低折射率介质材料选择HfO₂/SiO₂，其反射带宽如图2所示。对比发现，TiO₂/SiO₂反射带宽大约200nm，反射率大于目标值，满足设计需求，HfO₂/SiO₂反射带宽大约90nm且反射率小于99.95％，不满足设计要求，所以我们选择在TiO₂/SiO₂规整膜系的基础上，将顶部一层TiO₂替换成HfO₂.

3、替换后的膜系结构如图3所示，图中的竖线为高低折射率材料界面，H和L为宽带高折射率介质材料TiO₂和低折射率介质材料SiO₂，M为高阈值高折射率介质材料HfO₂。反射光谱如图2所示，反射带宽大约195nm，反射带宽内反射率大于99.95％，满足设计需求。电场分布如图3所示，电场峰值位于高折射率膜层靠近界面处，越靠近空气层电场峰值越大，这样的电场分布极易发生损伤。从最外层(越靠近空气层敏感度越高)开始调整膜层的厚度，具体操作为减小高折射率层的厚度，增大低折射率层的厚度，在色散和反射率均满足设计需求的前提下，将表层电场峰值转移至低折射率材料中。调整后的最终膜系结构和电场分布如图5所示，前表膜层的电场峰值转移至低折射率材料SiO₂中。反射光谱和色散曲线如图4所示，工作带宽内，反射率＞99.95％且色散小于±30fs²。损伤阈值经实测，较TiO₂/SiO₂高反膜提升30％

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于：由下而上依次是基底材料(1)、宽带介质膜层(2)、高阈值介质膜层(3)和空气层(4)，所述的宽带介质膜层(2)由低折射率介质材料(L)和宽带高折射率介质材料(H)交替沉积而成，所述的的高阈值介质膜层(3)由低折射率介质材料(L)和高阈值高折射率介质材料(M)交替沉积而成，所述的宽带高折射率介质材料(H)带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料(M)的带隙。

2.根据权利要求1所述的宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于：所述的低折射率介质材料(L)的折射率小于宽带高折射率介质材料(H)的折射率，且小于高阈值高折射率介质材料(M)的折射率。

3.根据权利要求1或2所述的宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于：所述的低折射率介质材料(L)为SiO₂、Al₂O₃或MgF₂。

4.根据权利要求1或2所述的宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于：所述的基底层材料为石英玻璃、K9(BK7)或CaF₂。

5.根据权利要求1或2所述的宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于，所述的宽带高折射率介质材料(H)为TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、HfO₂、Nb₂O₅、氟化物、硫化物或Si，高阈值高折射率介质材料(M)为TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、HfO₂、Nb₂O₅、氟化物、硫化物或Si，且所述的宽带高折射率介质材料(H)带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料(M)的带隙。

6.一种宽带高阈值组合介质低色散镜的设计方法，其特征在于该设计方法包括以下步骤：

1)根据所需设计低色散镜的反射带宽和反射率选择合适的宽带介质材料和周期数：宽带介质高低折射率材料的折射率比值范围1～3，折射率的比值越大，设计的低色散镜反射带宽越宽，宽带介质膜层周期数需大于10，周期数越大，反射带宽范围内的反射率越高；

2)根据所需设计低色散镜的阈值要求、色散和反射带宽选择合适的高阈值介质材料和周期数：高阈值介质高低折射率材料的折射率比值范围1～2，折射率的比值越小，设计的低色散镜的阈值越高，但是色散越大，高阈值介质膜层周期数不大于10，周期数越大，阈值越高，色散越大；

3)从低色散镜的最外层(靠近空气层)开始，线性减小高阈值高折射率介质膜层的厚度，线性增加高阈值低折射率介质膜层的厚度，获得电场变化及色散和反射光谱随着高阈值介质膜层厚度的变化规律，在此基础上，使色散和反射率达到设计目标的同时，将表层电场峰值转移至低折射率材料中；

4)得到最终满足设计需求的宽带高阈值组合介质低色散镜膜系结构。

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