CN1136172A - 无序多层介质膜宽带光学反射镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学介质膜反射镜，特别是涉及一种用于激光器中的无序多层介质膜高反射镜及其制备方法。本发明的目的为了拓宽多层介质膜反射镜的工作区域，而在制膜时又无需在不同波长连接处加镀特殊的耦合层，从而提供一种由具有高、低折射率的介质材料交替镀在基片上N层的高反射镜，以及制备该高反镜的方法。本发明的方法所制高反镜比普通四分之一波长高反镜要宽约一倍；可以在各类激光器和光学仪器上用一块该镜代替多块不同波长的高反镜，既降低成本，又简化镀膜程序；以及给使用者带来方便。

Description

无序多层介质膜宽带光学反射镜及其制备方法

本发明涉及一种光学介质膜反射镜，特别是涉及一种用于激光器中的无序多层介质膜高反射镜及其制备方法。多层介质膜高反射镜是目前广泛应用于各类激关器及光学仪器中的一种光学元件。它是把具有高，低折射率的两种介质材料，分别以光学厚度为四分之一中心波长的厚度交替在基底材料上制成的。如文献：

Pochi Yeh：Optical Wgves in layered media(Wiley，New York，1988)

由于反射光的相长干涉，在中心波长左右一定波段上，这种多层膜的反射率可达99％以上，它的主要优点是反射率高，损耗小。主要缺点是对每一块高反镜只能在一个有限的波长范围里有高的反射率，这个工作范围一般是一百多纳米左右，因此在某些应用中，如宽带调频激光器，宽带法卜利-白洛干涉仪等，就必须准备几种不同工作波段的高反膜。这不但增加成本，而且更换高反镜也给使用带来诸多不便。

针对多层介质膜高反镜工作区域较窄的问题，目前可以用把不  同中心波长的四分之一波长膜系镀在同一介质或金属基底上来解决。但这种扩展工作波长的方法手续繁杂，在连接区还要加镀特殊的耦合层以防止透射峰的出现，因而在实用上受一定限制。又如文献：

光学薄膜原理，  林永昌，卢维强  编著

国防工业出版社，  1990年5月  北京

本发明的目的在于克服已有技术的缺点和不足，为了拓宽多层介质膜高反镜工作区域，使一块高反镜在几百纳米的波长范围内都具有高反射率，而在制备该膜时又无需在不同波长连接处加镀特殊的耦合层，以防止透射峰的出现，从而提供一种由具有高和低折射率的两种介质材料交替镀在同一介质或金属基底上N层介质膜高反镜，以及根据所要求的反射中心波长位置确定镀膜材料，再由所要求的高反射区的宽度确定无序度，并根据中心波长，镀膜材料的折射率及无序度选取一组膜厚分布，用光学转换矩阵方法计算出它的反射率，以验证在所需的高反区有好的反射率，并进一步通过调整这些层的层厚及先后次序使层厚分布最佳化的无序多层介质膜宽带光学反射镜的制备方法。

本发明的任务是这样实现的：

无序多层介质膜宽带光学反射镜是由介质材料或金属材料做为基片，在其基片上采用真空镀膜镀上由两种介质材料，按预先决定的无序度和所镀介质材料的折射率确定的层厚交替镀上N层，N层可以是20-100层。

具体制备步骤：

根据要求的反射区的中心波长决定镀膜材料，根据要求的反射区的宽度确定多层膜的无序度D $D=\{1/m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[{(\mathrm{Li}-L)}^2+{(\mathrm{Hi}-H)}^2]{\}}^{1/2}\·\frac{1}{L+H}$

其中m是同一反射镜上每种材料镀层的总层数，Li，Hi分别为低和高折射率材料第i层的厚度，L，H分别为低和高折射率材料镀层的平均厚度：

n_L，n_H分别为两种材料的折射率，λ₀是反射的中心波长。

从D和L，H可以选定两种材料每层的实际厚度。在选定一组实际厚度值之后，用光学转换矩阵的方法，计算出它的反射率随入射波长的变化曲线，以验证在所需的高反射区有完善的反射率，并进一步通过调整这些厚度值及其先后次序来使其最佳化。最后把最佳化的数据输入到真空镀膜机的计算机内，以便控制每一层低和高折射率介质材料膜层交替地镀在基底材料上。

下面结合附图及实施例对本发明进行详细地说明：

无序多层介质膜宽带光学反射镜的制备方法是根据周期性多层介质膜中存在的无序时的光子定域效应来制作的。

图1是无序多层介质膜宽带光学反射镜结构剖面示意图。

图1中①-基片，它为金属或非金属介质材料；

     ②-低折射率介质膜层；

     ③-高折射率介质膜层；

     ④-低；

     ⑤-高；

本发明的优点在于：

与普通的四分之一波长多层膜相比，本发明的方法有2个主要特点：1)各层膜的厚度是随意选取的，只要求它们的平均光学厚度为四分之一反射中心波长。2)用无序度来表征无序多层膜与普通四分之一波长膜的差别。D越大差别越大，相应的高反射区的范围也大，但不适当的D会带来反射率的绝对值下降，因此，在要求既有高的反射率，又有宽的高反射区时，D的选取必须适当。用这种设计制成的无序多层介质膜宽带光学反射镜能比以往的普通四分之一波长多层膜高反射镜要宽近一倍(见实施例)这样，在需要宽带调频的各类激光器及光学仪器上，用一块这样的高反镜能替代多块目前所用的不同中心波长的高反镜，既降低了镀膜的成本  和复杂程度，又使使用者用起来更方便，不必经常更换反射镜，重调光路。

实施例1：

制备一块中心反射波长680纳米的无序多层介质膜宽带光学反射镜，其组成由TiO₂和SiO₂膜交替镀24个周期，镀在光学玻璃基底上。

制备步骤如下：

所有24层SiO₂膜层的厚度都相同，并等于117纳米，即L＝λ₀/4n_L＝117纳米，其中λ₀＝680纳米。

所有24层TiO₂膜层的厚度各不相同。根据无序度D＝0.15，平均厚度H＝λ₀/4n_H＝74纳米以及厚度按高斯分布取值的原则，确定24层膜层的实际厚度，其厚度值见附表1。

把选定的TiO₂的不同厚度的膜层与相同厚度的SiO₂膜层交替真空镀在玻璃基底上，并使TiO₂膜层按从薄到厚的次序先后镀制。

主要结果：用标准薄膜理论计算得到的反射率随波长改变见图2，曲线a为无序膜的，b为普通四分之一波长反射镜的。无序膜的高反区加宽了约150nm。

图2，24周期，D＝0.15的TiO₂-SiO₂无序多层膜反射镜的反射曲线及其与相同周期数的四分之一波长反射镜的比较。附表1：

TiO₂材料24层膜的膜厚值

层次         厚度(纳米)         层次       厚度(纳米)

1              13.6              13         75.2

2              27.2              14         76.7

3              33.7              15         81.3

4              40.2              16         87.3

5              51.3              17         93.2

6              53.1              18         94

7              53.8              19         94.8

8              54.6              20         100.7

9              56.4              21         110.5

10             66.5              22         114.1

11             71.1              23         117.7

12             72.6              24         134.2

实施例2：

制备一块中心反射波长1微米的无序多层介质膜宽带光学反射镜，其组成为ZnS和MgF₂，它们交替镀在光学玻璃基底上，共24个周期。

制备步骤如下：

所有24层MgF₂膜层的厚度都相同，并等于181纳米，即L＝λ₀/4n_L＝181纳米，其中λ₀＝1微米。

所有24层ZnS膜层的厚度各不相同。根据无序度D＝0.15，平均厚度H＝λ₀/4n_H＝106纳米以及厚度按高斯分布取值的原则，确定24层膜层的实际厚度。

把选定的ZnS的不同厚度的膜层与相同厚度的MgF₂膜层交替真空镀在玻璃基底上，并使ZnS膜层按从薄到厚的次序先后镀制。

主要结果：用标准光学薄膜理论计算的反射率随波长的变化见图3，曲线a为无序膜的，b为相同周期数目的四分之一膜反射镜的。高反区的宽度增加了约240纳米。

图3，24周期，D＝0.15的ZnS-MgF₂无序多层膜反射镜的反射曲线及其与相同周期数的四分之一波长反射镜的比较。

实施例3：

按实施例1的方法制备一块中心波长在680纳米的无序多层介质膜宽带光学反射镜，其组成为TiO₂和SiO₂，它们交替镀在光学玻璃基底上，共30个周期。(实施例1为24个周期)。所有SiO₂膜层的厚度均相同为117纳米，而TiO₂膜层的厚度各不相同。按无序度D＝0.15，平均膜厚74纳米以及厚度按高斯分布取值的原则，确定30层TiO₂膜层的实际厚度，在真空镀膜时按从薄到厚的次序先后镀制。

主要结果：用标准光学薄膜理论计算得到，当中心波长为680纳米时，这块无序多层介质膜反射镜大于90％反射率的范围从450-950纳米，其宽度为500纳米；大于99％反射率的范围从550-900纳米，其宽度为350纳米。

图4，30个周期，D＝0.15的TiO₂-SIO₂无序多层膜反射镜的反射曲线。

实施例4：

制备一块中心反射波长680纳米的双无序多层介质膜宽带光学反射镜，其组成由TiO₂和SiO₂，它们交替镀在光学玻璃基底上，共30个周期。

制备步骤如下：

所有30层SiO₂膜层的厚度各不相同。根据无序度D＝0.29，平均厚度L＝λ₀/4n_L＝117纳米λ₀＝680纳米以及厚度按高斯分布取值的原则，确定30层膜SiO₂层的实际厚度。

所有30层TiO₂膜层的厚度也各不相同。但它们的平均厚度H＝λ₀/4n_H＝74纳米。TiO₂每层的厚度是根据下列原则来决定的：在每个周期中SiO₂和TiO₂层的光学厚度相同，即n_L·Li＝n_H·Hi，n_L，n_H分别为SiO₂和TiO₂的折射率。Li，Hi是第i层的SiO₂和TiO₂的实际厚度。

把选定的SiO₂和TiO₂的不同厚度的膜层交替镀在玻璃基底上，两种膜层都按从薄到厚的次序先后镀制。

主要结果：用标准光学薄膜理论计算得出，在中心波长680纳米时，在450-1100纳米范围内反射率均高于80％。

图5，30个周期，D＝0.29的TiO₂-SiO₂双无序多层膜反射镜的反射曲线。

Claims (3)

1.一种在介质或金属基片上蒸镀介质薄膜的无序多层宽带光学反射镜，其特征在于：利用具有高或低折射的两种介质材料交替镀在同一种介质或金属基底上N层介质膜组成。

2.按权利要求1.所述的无序多层宽带光学反射镜，其特征在于：所说的高、低折射率介质材料是TiO₂、SiO₂、MgF₂、Zns、ZrO₂、冰晶石。

3.一种制备按权利要求1.无序多层宽带光学反射镜的方法，其特征在于：

根据要求的反射区的中心波长决定镀膜材料，根据要求的反射区的宽度确定多层膜的无序度D $D=\{1/m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[{(\mathrm{Li}-L)}^2+{(\mathrm{Hi}-H)}^2]{\}}^{1/2}\·\frac{1}{L+H}$

其中m是同一反射镜上每种材料镀层的总层数，Li，Hi分别为低和高折射率材料第i层的厚度，L，H分别为低和高折射率材料镀层的平均厚度：

n_L，n_H分别为两种材料的折射率，λ₀是反射的中心波长。

从D和L，H可以选定两种材料每层的实际厚度。在选定一组实际厚度值之后，用光学转换矩阵的方法，计算出它的反射率随入射波长的变化曲线，以验证在所需的高反射区有完善的反射率，并进一步通过调整这些厚度值及其先后次序来使其最佳化。最后把最佳化的数据输入到真空镀膜机的计算机内，以便控制每一层低和高折射率介质材料膜层交替地镀在基底材料上。

Images