CN112327390A - 基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法，基于给定的规整膜系结构，利用折射率大于1.8的单一材料A和光学带隙大于6.0eV的单一材料B分别与单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数a、b，之后确定由材料A和材料B组成的复合材料M与单一低折射率材料C设计激光分束膜时，膜层周期数g的取值范围(a<g<b)，计算实现目标透射率所需的膜系结构参数。本发明利用复合材料的折射率调控优势，根据目标透射率设计具有规整膜系结构的分束膜，降低对膜厚监控的要求；复合材料M的使用，能够在降低膜层中电场分布的同时，充分利用材料A和材料B各自的优势，提升该分束膜的激光损伤阈值。

Description

基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术领域，涉及一种基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法。

背景技术

分束镜用于把入射光分离成反射光和透射光两部分，被广泛应用于各类光学系统，是光学研究及使用系统的一个重要元件。常用的分束镜有两种结构：一种是把薄膜沉积在透明的平板上，形成平板型分束镜；另一种是把膜层镀在45°的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜，构成胶合立方体分束镜。

平板型分束镜具有易制备大尺寸、成本低、设计和制作灵活等优点，广泛应用于激光系统，尤其是大型的激光装置。理想的激光分束膜不仅要求将特定入射角度、波段范围和偏振态的入射光，分成具有一定光强比的两束光(透射光束与反射光束)，还要求其具有较高的激光损伤阈值。由于自然界可用的镀膜材料有限，为了实现特定的透射比(透射光束强度T与反射光束强度R的比值)，往往需要设计非规整的膜系结构，增加了薄膜厚度控制的难度。薄膜沉积设备的进步使得通过电子束共蒸发或者离子束共溅射等技术形成均匀的复合材料膜层成为可能。由具有较高折射率的材料和较大光学带隙的材料形成的复合材料膜层能够结合两种材料分别具有的折射率高和光学带隙宽的优势，不仅可以实现折射率和光学带隙的调控(能够获得介于两种材料折射率之间的任意折射率的复合材料膜层)，而且可以优化膜层中电场强度分布。

基于复合材料的激光分束膜能够通过规整膜系结构获得所需的光谱性能：一方面，降低对薄膜厚度监控系统的要求；另一方面，能够提升分束膜的激光损伤阈值。因此，充分利用复合材料的优势进行平板型激光分束膜的设计，具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法。本发明利用复合材料的折射率调控优势，根据目标透射率设计具有规整膜系结构的分束膜。降低了对薄膜厚度监控的要求，适用于仅能制备规整膜系的镀膜设备。采用由折射率大于1.8的单一材料A和光学带隙大于6.0eV的单一材料B形成的复合材料M作为高折射率膜层，能够在降低膜层中电场分布的同时，充分利用材料A折射率高和材料B光学带隙大的优势，提升分束膜的激光损伤阈值。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于复合材料的平板型激光分束膜，其特征在于，膜系结构为：S|dL(HL)^gHmL|A，其中，S表示基底，H表示光学厚度为λ/4的高折射率层，L表示光学厚度为λ/4的低折射率层，d表示靠近基底的L层的光学厚度系数，0≤d≤8，g表示括号中的膜层周期数，m表示靠近空气的L层的光学厚度系数，m＝0、2或者4，A表示空气。

上述基于复合材料的平板型激光分束膜的设计方法，首先，利用折射率大于1.8的单一材料A和单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数a；然后，利用光学带隙大于6.0eV的单一材料B和单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数b；最后，确定由材料A和材料B组成的复合材料M作为高折射率材料和单一低折射率材料C设计激光分束膜时，膜系结构中膜层周期数g的取值范围(a<g<b)，进而计算实现目标透射率所需的膜系结构参数，包括复合材料M的折射率、复合材料M中材料A的体积占比。

进一步，该设计方法具体包括以下几个步骤：

1)参数设置：激光分束膜的设计透射率值T_D、光束入射角θ、光束偏振分量(p分量，s分量)、基底折射率n_S、单一材料A的折射率n_A、单一材料B的折射率n_B、单一材料C的折射率n_C、初始膜系结构S|dL(HL)^gHmL|A，其中，S表示基底，H表示光学厚度为λ/4的高折射率层，L表示光学厚度为λ/4的低折射率层，d表示靠近基底的L层的光学厚度系数(0≤d≤8)，m表示靠近空气的L层的光学厚度系数(m＝0，2或者4)，A表示空气。

2)根据公式(1)至(3)计算利用折射率大于1.8的单一材料A和单一低折射率材料C设计激光分束膜的膜系结构时，实现目标透射率所需的膜层周期数a：

其中，如果光束偏振分量为p分量，则：

如果光束偏振分量为s分量，则：

η₀＝cosθ,η_A＝n_Acosθ_A,η_C＝n_Ccosθ_C,η_S＝n_Scosθ_S (3)

这里的θ_A、θ_C、θ_S分别是膜系中A材料层和C材料层以及基底中的折射角。

3)根据公式(4)至(6)计算利用光学带隙大于6.0eV的单一材料B和单一低折射率材料C设计激光分束膜的膜系结构时，实现目标透射率所需的膜层周期数b：

其中，如果光束偏振分量为p分量，则：

如果光束偏振分量为s分量，则：

η_B＝n_Bcosθ_B (6)

这里的θ_B是指膜系中B材料层中的折射角。

4)确定膜层周期数g，g可以取a至b之间的任意整数。根据公式(7)至(9)计算膜层周期数为g时，实现目标透射率所需复合材料M的折射率n_M：

其中，如果光束偏振分量为p分量，则：

n_M＝η_Mcosθ_M (8)

如果光束偏振分量为s分量，则：

这里的θ_M是指膜系中复合材料层M中的折射角。

5)根据公式(10)计算在由材料A和材料B组成的复合材料M中材料A的体积占比：

6)输出基于复合薄膜材料的平板型激光分束膜的膜系结构：S|dL(HL)^gHmL|A，以及复合材料M中材料A的体积占比x。

本发明的技术效果：

1.本发明提出一种基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法，利用复合材料的折射率调控优势，即可以获得介于两种材料折射率之间的任意折射率。可以根据目标透射率设计具有规整膜系结构的分束膜，降低了对薄膜厚度监控的要求，适用于仅能制备规整膜系的镀膜设备。

2.采用由折射率大于1.8的单一材料A和光学带隙大于6.0eV的单一材料B形成的复合材料作为高折射率膜层，能够在降低膜层中电场分布的同时，充分利用材料A折射率高和材料B光学带隙大的优势，提升分束膜的激光损伤阈值。

附图说明

图1为采用本发明进行设计的一种平板型激光分束膜的膜系结构示意图。

图2为以Design1方式设计的平板型激光分束膜透过率光谱曲线(45°入射，s偏振分量)。

图3为以Design2方式设计的平板型激光分束膜透过率光谱曲线(45°入射，s偏振分量)。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

以45度角入射，s偏振分量，在1053nm处实现透射率＝50±1％为例，说明本发明一种基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法。

所述的设计方法具体包括下列步骤：

1)参数设置：激光分束膜的设计透射率值T_D＝50％、光束入射角θ＝45°、入射光束为s偏振分量、在1053nm中心波长处，石英基底折射率n_S＝1.4378，HfO₂材料的折射率n_A＝1.9088，Al₂O₃材料的折射率n_B＝1.5910，SiO₂材料的折射率n_C＝1.4212、初始膜系结构为S|dL(HL)^gHmL|A，其中，S表示基底，H表示光学厚度为λ/4(λ指膜系的设计波长，为1180nm)的高折射率膜层，L表示光学厚度为λ/4(λ指膜系的设计波长，为1180nm)的SiO₂低折射率膜层，d表示靠近基底的L层的光学厚度系数(0≤d≤8)，这里取d＝2，m表示靠近空气的L层的光学厚度系数(m＝0，2或者4)，这里取m＝2，A表示空气。

2)根据公式(1)至(2)计算利用HfO₂材料和SiO₂材料设计激光分束膜的膜系结构时，实现目标透射率所需的膜层周期数a：

进一步推导可得：

在本实施例中，入射光束偏振分量为s分量，则：

其中

θ_S分别是膜系中HfO₂材料层和SiO₂材料层以及石英基底中的折射角。通过公式计算求得a的值为0.68。

3)根据公式(3)至(4)计算利用Al₂O₃材料和SiO₂材料设计激光分束膜的膜系结构时，实现目标透射率所需的膜层周期数b：

进一步推导可得：

入射光束偏振分量为s分量，则：

这里的

是指膜系中Al₂O₃材料层中的折射角。计算求得b的值为3.21。

4)确定膜层周期数g，g可以取a至b之间的任意整数，这里取g＝1或2进行说明。

根据公式(7)至(9)计算膜层周期数为1或2时，实现目标透射率所需复合材料的折射率n_M为：

进一步推导可得：

入射光束偏振分量为s分量，则：

这里的θ_M是指膜系中复合材料层M中的折射角。计算求得当g的值为1时，n_M＝1.817，当g的值为2时，n_M＝1.669。

5)根据公式(10)计算在由材料HfO₂和材料Al₂O₃组成的复合材料M中材料HfO₂的体积占比：

求得当n_M＝1.817时，HfO₂和Al₂O₃的体积占比为0.71:0.29，当n_M＝1.669时，HfO₂和Al₂O₃的体积占比为0.244:0.756。

6)输出基于复合薄膜材料的平板型激光分束膜的膜系结构，分别为：当HfO₂和Al₂O₃的体积占比为0.71:0.29时，复合材料在1053nm处的折射率为1.817，膜系结构为S|2LHLH2L|A，记为Design1；当HfO₂和Al₂O₃的体积占比为0.244:0.756时，复合材料在1053nm处的折射率为1.669，膜系结构为S|2L(HL)²H2L|A，记为Design2。

本发明利用复合材料的折射率调控优势，根据目标透射率设计具有规整膜系结构的分束膜。降低了对薄膜厚度监控的要求，适用于仅能制备规整膜系的镀膜设备。采用由折射率大于1.8的单一材料A和光学带隙大于6.0eV的单一材料B形成的复合材料M作为高折射率膜层，能够在降低膜层中电场分布的同时，充分利用材料A折射率高和材料B光学带隙大的优势，提升分束膜的激光损伤阈值。

Claims (3)

1.一种基于复合材料的平板型激光分束膜，其特征在于，膜系结构为：S|dL(HL)^gHmL|A，其中，S表示基底，H表示光学厚度为λ/4的高折射率层，L表示光学厚度为λ/4的低折射率层，d表示靠近基底的L层的光学厚度系数，0≤d≤8，g表示括号中的膜层周期数，m表示靠近空气的L层的光学厚度系数，m＝0、2或者4，A表示空气。

2.权利要求1所述的一种基于复合材料的平板型激光分束膜设计方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

首先，利用折射率大于1.8的单一材料A和单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数a；

然后，利用光学带隙大于6.0eV的单一材料B和单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数b；

最后，确定由材料A和材料B组成的复合材料M作为高折射率材料和单一低折射率材料C设计激光分束膜时，膜系结构中膜层周期数g的取值范围，a<g<b，计算实现目标透射率所需的膜系结构参数，包括复合材料M的折射率、复合材料M中材料A的体积占比。

3.根据权利要求2所述的一种基于复合材料的平板型激光分束膜设计方法，其特征在于，该设计方法具体步骤如下：

1)利用折射率大于1.8的单一材料A和单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数a，公式如下：

当光束偏振分量为p分量，则：

当光束偏振分量为s分量，则：

η₀＝cosθ,η_A＝n_Acosθ_A,η_C＝n_Ccosθ_C,η_S＝n_Scosθ_S (3)

式中，T_D为目标透射率，n_S为基底折射率、n_A为单一材料A的折射率、n_C为单一低折射率材料C的折射率；θ为光束入射角，θ_A、θ_C、θ_S分别是膜系中A材料层和C材料层以及基底中的折射角；

2)利用光学带隙大于6.0eV的单一材料B和单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数b：

如果光束偏振分量为p分量，则：

如果光束偏振分量为s分量，则：

η_B＝n_Bcosθ_B (6)

式中，n_B为单一材料B的折射率，θ_B是指膜系中B材料层中的折射角。

3)确定膜系结构中膜层周期数g，并计算实现目标透射率所需复合材料M的折射率n_M，公式如下：

其中，如果光束偏振分量为p分量，则：

n_M＝η_Mcosθ_M (8)

如果光束偏振分量为s分量，则：

式中，θ_M是指膜系中复合材料层M中的折射角；

4)计算在由材料A和材料B组成的复合材料M中材料A的体积占比x，公式如下:

5)输出基于复合薄膜材料的平板型激光分束膜的膜系结构：S|dL(HL)^gHmL|A，以及复合材料M中材料A的体积占比x。

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