CN111221063B - 一种中红外宽带高反射超快激光薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种中红外宽带高反射超快激光薄膜，其结构由下而上分别是基底材料G，过渡层M₁，金属膜层M，过渡层M₂，啁啾介质膜系C，空气层A。本发明的目的是为了扩宽中红外色散镜的反射带宽和提高反射率。所述金属膜层为单层金属膜，目的是为了提供宽反射带宽和保证一定的反射率，所述的啁啾介质膜系结构由高低折射率材料交替沉积组成，啁啾介质膜系能够提供色散补偿并且提高反射率。本发明利用金属优异的反射带宽，结合啁啾介质膜系的色散补偿作用，设计中红外超快激光器中用于脉冲压缩的超宽带高反射色散镜。

Description

一种中红外宽带高反射超快激光薄膜

技术领域

本发明属于超快激光薄膜领域，尤其涉及到超快激光器中的中红外宽带高反射超快激光薄膜，是一种用于中红外超快激光系统脉冲压缩展宽反射镜。

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学科和技术的发展。激光科学最前沿的方向之一便是超短激光，超短脉冲激光对物理学、化学、生物学、医学等相关领域的发展有着至关重要的作用，是研究原子分子内部超快动力过程的重要手段。目前的超短脉冲激光器主要集中在紫外、可见光和近红外波段，近十年来，人们已经对中红外的超短脉冲激光开展大量研究，目前已有报道的输出中红外激光的方式主要有气体激光器、固体激光器、量子级联激光器和稀土掺杂光纤激光器等。

激光波段的不断发展，也对激光系统中用于脉冲展宽、压缩的色散镜提出了更高的要求。我们希望中红外色散镜能够在极宽波段内提供色散补偿，但是反射带宽与反射率是一对互为矛盾的量，常规氧化物材料构成的高低折射率材料，折射率比值不足以在如此宽的波段范围内提供高反射输出，并且由于参考波长位于中红外波段，膜层厚度可达到几十个微米。实际制备过程中，如此厚的薄膜对我们镀膜工艺的稳定性带来了巨大的挑战，另外几十微米的薄膜在实际应用中会带来不可忽略的吸收损耗，影响最终反射率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于超短脉冲激光器中的中红外宽带高反射超快激光薄膜，利用金属材料在中红外波段优异的反射特性，结合啁啾膜系的色散补偿作用，极大的减小了纯介质中红外啁啾膜系的厚度，提高了工作波段内的反射率。

本发明解决的技术方案如下：

一种中红外宽带高反射超快激光薄膜，其结构为G/M₁MM₃/C/A，其中G代表基底材料，M₁代表过渡层1，M代表金属材料，M₃代表过渡层2，C代表啁啾介质膜系，A代表入射介质空气层。所述啁啾膜系由低折射率的介质材料和高折射率的介质材料交替沉积而成。

所述的薄膜结构表达式为G/M₁MM₃(HL)^n(xHL)^m(HyL)^k/A，其中G为基底材料，M₁代表过渡层1，M代表金属材料，M₃代表过渡层2，H为光学厚度为λ/4的高折射率材料，L为光学厚度为λ/4的低折射率材料，n为高反射膜层的周期数，x，y为腔的厚度，m，k为腔的周期数，A为空气层。

所述的高反射率膜层周期数n选择范围为5～10，所述的腔的厚度x在0.1～2之间，所述的腔的周期数m，k在1-10之间。

所述基底层材料为石英玻璃、K9(BK7)或CaF₂。

所述过渡层材料为Al₂O₃、Ge中的任意一种。

所述金属材料为Ag、Au、Al，金属膜层厚度大于80nm。

所述高折射率材料为TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、HfO₂、Nb₂O₅、硫化物或Si。

所述低折射率材料为SiO₂、MgF₂或Al₂O₃。

与现有技术相比，本发明技术效果

1、在超宽带范围内满足色散补偿要求的前提下，降低了吸收损耗，提高了色散镜的反射率。

2、具有膜层数少，膜层厚度薄，力学稳定性好等优点。

附图说明

图1为本发明一种中红外宽带高反射超快激光薄膜结构示意图。

图2为实施例1的最终膜系结构。

图3为实施例2的群延迟色散和反射率曲线。

图4为全介质中红外色散镜膜系结构。

图5为全介质中红外色散镜群延迟色散和反射率曲线

具体实施方式

下面先对色散镜膜系设计的基本理论知识做一个简单的阐述。

色散镜须在指定宽度的光谱范围内提供持续的高反射率和光滑的色散曲线，为同时满足这两个要求，色散镜的评价函数通常定义为：

式中，i＝1，…，n是目标值个数，R_target，GDD_target是波长点处反射率和群延迟色散的目标值，R_λi和GDD_λi是反射率和GDD优化过程中波长点出的实际值，v_i和w_i是对应反射率和GDD的权重，k为power值。膜系设计软件一般是通过寻找该评价函数的最小值来判断设计是否与目标设计相接近，膜系设计软件中寻找评价函数最小值的优化方法有多种，一般有gradient，variable metric，或simplex三种。前两种是通过计算评价函数的导数来寻找评价函数的最小值，而simplex算法是直接计算评价函数的最小值，这种方法一般需要更多的迭代次数。

下面结合附图对本发明具体实例进行详细说明

图1为本发明一种中红外宽带高反射超快激光薄膜结构示意图，其结构为G/M₁MM₃/C/A，其中G代表基底材料，M₁代表过渡层1，M代表金属材料，M₃代表过渡层2，C代表啁啾介质膜系，A代表入射介质空气层。所述啁啾膜系由低折射率的介质材料和高折射率的介质材料交替沉积而成。

实施例1所要求中红外宽带高反射超快激光薄膜设计指标为：3500-4500nm范围内，入射角5°，p光，群延迟色散GDD＝+200fs²，反射率＞99.9％。

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，选择折射率较高的高折射率材料TiO₂，低折射率材料SiO₂。初始结构为G/M₁MM₃(HL)^10(0.5HL)^3(H0.5L)^3/A，其中H代表光学厚度为四分之一波长的TiO₂，L代表光学厚度为四分之一波长的SiO₂，M₁和M₃代表30nm的过渡层Al₂O₃，M代表150nm的金属银膜。高折射率材料TiO₂和低折射率材料SiO₂的折射率参数由柯西公式

确定，如表1所示。

	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

表1

2、设定优化目标为3500-4500nm范围内p光反射率100％，群延迟色散GDD＝+200fs²，通过variable metric和needle优化算法对初始膜系结构进行优化。

3、优化得到最佳设计结果。最优膜系结构如图2所示，总厚度17微米，膜层数为37层。群延迟色散曲线及反射率曲线如图3所示，群延迟色散振荡控制在±100fs²以内且反射率大于99.99％。图4为全介质中红外色散镜，膜层数57层，总厚度37微米，37微米的总厚度对薄膜制备工艺带来了巨大挑战。图5为全介质中红外色散镜的群延迟色散及反射率曲线。反射率仅大于86％，远远低于设计需求。

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 (7)

1.一种中红外宽带高反射超快激光薄膜，其特征在于，其结构为G/M₁MM₃/C/A，其中G代表基底材料，M₁代表过渡层1，M代表金属材料，M₃代表过渡层2，C代表啁啾介质膜系，A代表入射介质空气层，所述啁啾介质膜系由低折射率的介质材料和高折射率的介质材料交替沉积而成；

所述的薄膜结构表达式为G/M₁MM₃(HL)^n(xHL)^m(HyL)^k/A，其中G为基底材料，M₁代表过渡层1，M代表金属材料，M₃代表过渡层2，H为光学厚度为λ/4的高折射率材料，L为光学厚度为λ/4的低折射率材料，n为高反射膜层的周期数，x，y为腔的厚度，m，k为腔的周期数，A为空气层。

2.根据权利要求1所述的中红外宽带高反射超快激光薄膜结构，其特征在于，所述的高反射率膜层周期数n选择范围为5～15，所述的腔的厚度x，y在0.1～2之间，所述的腔的周期数m，k在1-10之间。

3.根据权利要求1或2所述的中红外宽带高反射超快激光薄膜，其特征在于：所述的基底材料为石英玻璃、K9、BK7或CaF₂。

4.根据权利要求1或2所述的中红外宽带高反射超快激光薄膜，其特征在于：所述的过渡层1和过渡层2的材料均为Al₂O₃或Ge。

5.根据权利要求1或2所述的中红外宽带高反射超快激光薄膜，其特征在于：所述的金属材料为Ag、Au或Al，金属材料厚度大于80nm。

6.根据权利要求1或2所述的中红外宽带高反射超快激光薄膜，其特征在于，所述的高折射率的介质材料为TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、HfO₂、Nb₂O₅、硫化物或Si。

7.根据权利要求1或2所述的中红外宽带高反射超快激光薄膜，其特征在于，所述低折射率的介质材料为SiO₂、MgF₂、或Al₂O₃。

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