CN111722311B

CN111722311B - 复合功能色散镜结构

Info

Publication number: CN111722311B
Application number: CN202010729510.8A
Authority: CN
Inventors: 王胭脂; 张宇晖; 陈瑞溢; 王志皓; 朱美萍; 朱晔新; 赵娇玲; 邵宇川; 易葵; 贺洪波; 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: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: CN111722311A

Abstract

复合功能色散镜结构，其中色散镜结构由下到上依次为基底、增透结构单元、色散补偿结构单元，其中增透结构单元包括增透腔和第一高反层，色散补偿结构单元包括G‑T腔和第二高反层，基本表达式：G/[(HxL)^m(HL)^a]^p[(HyL)^n(HL)^b]^q。本发明通过增透结构单元取代标准镜的高反射膜层，G‑T腔与增透腔形成串联形式，调节G‑T腔和增透腔的周期数以及腔厚度，设计不同色散量、反射率以及带宽的高色散镜，并且作为谐振腔的输出镜，能够在实现泵浦波长高透的同时，在激光响应波段保持一定的反射率且具备色散补偿功能，结构更加简单紧凑。

Description

复合功能色散镜结构

技术领域

本发明属于超快激光薄膜领域，尤其涉及到超短脉冲激光系统中的腔内色散补偿元件，是一种复合功能色散结构。作为超短激光系统中谐振器输出镜的同时能够对光脉冲进行色散补偿。

背景技术

超快激光已经在物理、化学、生物等基础科学以及医学、生命科学等工程领域获得广泛的应用。光学谐振腔是激光器中的关键部件，由两面反射镜组成，其中一面反射镜是全反镜，另一面为部分反射镜(又称为输出镜)。谐振腔内的光强会在无数次的反射过程中被迅速放大，最终在达到稳态以后，由输出镜输出。输出镜一般要求对泵浦波长实现高透过率，且对激光工作波长部分反射。色散镜是超快激光系统中不可或缺的脉冲压缩元件，能够通过连续地改变膜层的共振波长，使整个反射镜在保持高反射率的同时，不同波长的光在薄膜内行走的路程不同，给予不同波长以不同的延迟，为超快激光系统中激光脉冲的传输提供精确的GDD、TOD及高阶色散补偿或者色散调控。本发明通过先进的膜系设计，在满足输出镜基本需求的前提下，增加色散补偿功能，实现激光放大输出的同时，进行色散的补偿，有助于超短脉冲激光系统的集成化、小型化。

发明内容

本发明通过增透结构单元(HxL)^m(HL)^a取代标准GTI镜的高反射膜层，G-T腔与增透腔形成串联形式，调节G-T腔和增透腔的周期数以及腔厚度，设计不同色散量、反射率以及带宽的高色散镜。作为谐振腔的输出镜，能够在实现泵浦波长高透的同时，在激光响应波段保持一定的反射率且具备色散补偿功能，相比于传统的腔外色散补偿方式，采用本发明的超快激光系统结构更加简单紧凑。

本发明解决的技术方案如下：

复合功能色散镜结构，其由下到上依次为基底、增透结构单元、色散补偿结构单元，其中增透结构单元包括增透腔和第一高反层，色散补偿结构单元包括Gires-Tournois(G-T)腔和第二高反层，基本表达式可以写为：G/[(HxL)^m(HL)^a]^p[(HyL)^n(HL)^b]^q，其中G代表基底，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，x和y分别为增透腔和G-T腔的厚度，m和n分别为增透腔和G-T腔的周期数，a和b为第一高反层和第二高反层的周期数，p和q为增透结构单元和色散补偿结构单元的周期数。

优选地，所述基底层材料为JGS1、BK7和CaF₂中的任意一种。

进一步地，所述基底层材料为JGS1。

所述的增透结构单元由增透腔和第一高反层构成。

所述的色散补偿结构单元由G-T腔和第二高反层构成。

所述的增透腔、G-T腔和高反层都是由高折射率材料和低折射率材料交替沉积组成。

所述的增透腔结构单元为[(HxL)^m(HL)^a]^p，周期数p选取范围在1～5之间。其中(HxL)^m是增透腔，x为腔的厚度，m为增透腔的周期数，通过调控增透腔的厚度以及周期数，实现泵浦波长处的高透射以及激光工作带宽内的部分反射，腔长x选区范围0.5～2之间，周期数m选取范围在1～5之间；第一高反层结构为(HL)^a，周期数a选取范围在1～8之间，周期数a越大，反射率越高。

所述的色散补偿结构单元为[(HyL)^n(HL)^b]^q，周期数q选取范围在1～5之间。其中(HyL)^n是G-T腔，y为腔的厚度，n为G-T腔的周期数，通过增加G-T腔周期数以及腔的厚度，实现更大色散量以及更大带宽的高色散镜，结合实际镀膜设备所能达到控制精度以及高色散镜大色散补偿量的特点，其中G-T腔的周期数n选取范围在1～5之间，腔的厚度x在0.5～2之间。第二高反层的结构为(HL)^b，周期数b选取范围在1～7之间。

本发明复合功能色散镜结构的设计步骤如下：

1、根据所需设计色散镜要求，包括激光工作波段的色散量、反射率、带宽以及泵浦波段的透过率，选择合适的高低折射率材料，其中高折射率材料有Nb₂O₅、Ta₂O₅、HfO₂等氧化物材料，低折射率材料一般选择SiO₂，高低折射率材料的折射率n_H、n_L为实际镀膜实验中反演得到。

2、基于结构式G/[(HxL)^m(HL)^a]^p[(HyL)^n(HL)^b]^q，其中G代表基底，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，x和y分别为增透腔和G-T腔的厚度，m和n分别为增透腔和G-T腔的周期数，a和b为第一高反层和第二高反层的周期数，p和q为增透结构单元和色散补偿结构单元的周期数。选择合适的参数，包括增透结构单元的周期数p，色散补偿结构单元的周期数q，增透腔的腔长x、周期数m，第一高反层的周期数a，G-T腔的腔长y，周期数n，第二高反层的周期数b。增透结构单元和色散补偿结构单元的周期数p、q取值范围为1～5，增透腔和G-T腔的腔长x、y选取范围为0.5～2之间，周期数选取范围为1～5，第一高反层的周期数在1～8之间选择，第二高反层的周期数在1～7之间选择。

3、初步选定色散镜的初始结构参数后，根据所设计色散镜要求，设定相应的目标值，包括群延迟色散值、反射率、透过率以及所涵盖波长范围，经变尺度优化算法多次优化，得到基于这一初始结构参数的优化最终结果。

4、观察最终结果是否满足高色散镜所需指标要求。若未能达到所需色散镜的群延迟色散要求，通过增加色散补偿结构的周期数q或者G-T腔的厚度y和周期数b，修改色散镜参数，重复步骤3，直到最终满足色散镜要求；若未能达到所需色散镜工作波段的反射率要求，通过改变第一高反层和第二高反层的周期数a和b，重复步骤3，直到最终满足色散镜要求；若未能达到色散镜的透射要求要求，通过增加增透结构单元的周期数p或者增透腔的腔长x和周期数m，重复步骤3，直到最终满足色散镜要求。

5、最终得到复合功能色散镜结构。

与现有技术相比，本发明技术效果

1、利用增透腔和G-T腔串联形式，可针对不同设计要求，调节增透腔和G-T腔的周期数以及腔的厚度，得到满足设计要求的色散镜。

2、可以实现不同带宽、不同色散量和不同光谱要求的色散镜。

附图说明

图1为本发明复合功能色散镜结构示意图。

图中：1-基底层、2-增透腔、3-第一高反层、4-G-T腔、5-第二高反层。

图2为本发明复合功能色散镜结构实施例一的膜系结构图。

图3为实施例一的最终膜系结构。

图4为实施例一的群延迟色散及反射光谱曲线图。

图5为实施例一的泵浦波长透射光谱曲线图。

图6为实施例二的最终膜系结构

图7为实施例二的群延迟色散及反射光谱曲线图。

图8为实施例二的泵浦波长透射光谱曲线图。

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。

图1为本发明复合功能色散镜结构示意图，如图所示，由下到上包括1-基底层、2-增透腔、3-第一高反层、4-G-T腔、5-第二高反层。

实施例一所要求色散镜指标为：群延迟色散值-3000fs²@1020-1040nm，反射率93±2％，泵浦波长532nm处要求透过率>95％。

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Nb₂O₅，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
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	2.15786	3.61226445e-2	2.024012e-3

表1

2、根据色散镜要求，选择m＝n＝1，a＝b＝5，p＝3，q＝2，x＝1.2，y＝1.5，得到色散镜的初始膜系结构表达式G/[(H1.2L)^1(HL)^5]^3[(H1.5L)^1(HL)^5]^2/A，其中G代表基底材料，A代表入射介质空气。膜系结构如图2所示。

3、基于G/[(H1.2L)^1(HL)^5]^3[(H1.5L)^1(HL)^5]^2/A的初始设计，参考波长为1020nm，选择入射角0度，偏振无要求，设定优化目标值群延迟色散(group delaydispersion，GDD)为-3000fs²，532nm处透过率100％，通过变尺度算法，优化膜层厚度，得到最终的膜系结构如图3所示，群延迟色散及反射率曲线如图4所示，泵浦波长透射曲线如图5所示。

实施例二：群延迟色散-6000fs2@1020-1040nm，反射率93±2％，泵浦波长532nm处要求透过率>95％，入射介质为空气。

基于G/[(H1.2L)^1(HL)^4]^3[(H1.5L)^1(HL)^5]^3/A的初始设计，得到-6000fs²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，泵浦波长透过率如图8所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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

1.复合功能色散镜结构，其特征在于，由下到上依次为基底(1)、增透结构单元和色散补偿结构单元，所述的增透结构单元包括增透腔(2)和第一高反层(3)，所述的色散补偿结构单元包括G-T腔(4)和第二高反层(5)；该色散镜结构的表达式为：G/[(HxL)^m(HL)^a]^p[(HyL)^n(HL)^b]^q，其中G代表基底(1)，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，x和y分别为增透腔和G-T腔的厚度，m和n分别为增透腔和G-T腔的周期数，a和b分别为第一高反层和第二高反层的周期数，p和q为增透结构单元和色散补偿结构单元的周期数；所述增透结构单元的结构为[(HxL)^m(HL)^a]^p，周期数p范围在1～5之间，所述色散补偿结构单元的结构为[(HyL)^n(HL)^b]^q，周期数q范围在1～5之间，所述增透腔由高折射率膜层和低折射率膜层交替组成，其结构为(HxL)^m，周期数m范围在1～5之间，腔长x＝1.2，所述第一高反层由高折射率膜层和低折射率膜层交替组成，其结构为(HL)^a，周期数a范围在1～8之间，所述G-T腔由高折射率膜层和低折射率膜层交替组成，其结构为(HyL)^n，周期数n范围在1～5之间，腔长y选区范围0.5～2之间,所述第二高反层由高折射率膜层和低折射率膜层交替组成，其结构为(HL)^b，周期数b选取范围在1～7之间,通过调节增透腔和G-T腔的周期数以及腔的厚度，实现不同带宽、不同色散量和不同光谱的色散镜。

2.如权利要求1所述的复合功能色散镜结构，其特征在于，所述基底为JGS1、BK7和CaF₂中的任意一种。