CN113946005A - 宽带高激光损伤阈值色散镜结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽带高激光损伤阈值色散镜结构，由下到上依次包括基底、啁啾层和电场调制层；基底为色散镜的衬底材料；啁啾层为膜层厚度啁啾渐变的多层介质膜层；电场调制层为膜层厚度周期性变化并重复排列的多层介质膜层。本发明所述的宽带高激光损伤阈值色散镜结构底部为传统的啁啾结构，顶部创造性的引入了电场调制层结构；该新型色散镜结构中电场调制层为膜层厚度周期性变化并重复排列的多层介质膜层，该结构使得各波长分量在电场调制层内的驻波场峰值相互错开，使得最大的峰值电场强度大大降低。通过同时调制色散镜内所有波长的驻波场分布而实现总的峰值电场强度降低，最终可以有效提升激光损伤阈值。

Description

宽带高激光损伤阈值色散镜结构
技术领域
本发明属于超快激光薄膜领域，特别涉及是一种宽带高激光损伤阈值色散镜结构。
背景技术
在超快激光技术的发展过程中，色散补偿方式的优劣直接影响超快激光脉冲的产生和稳定运转，而色散镜的发明和使用对于超快激光来说具有里程碑式的作用。色散镜具有色散补偿可精确控制、调节方便、结构紧凑等优点，通过给予不同波长的光不同延迟，色散镜能够提供精确的群延迟色散补偿，并且不会引入高阶色散以及非线性效应，保证了激光脉冲的输出质量。随着超强超短激光技术的进一步发展，激光脉冲已压缩至数飞秒，峰值功率可到达拍瓦量级，作为超快激光系统中不可缺少的基本元件，光学薄膜也是激光系统中最薄弱的环节之一。这对光学薄膜提出了新的要求：在保证良好的色散补偿前提下进一步提高激光损伤阈值。
国外对激光薄膜的研究起步较早。1977年，Apfel首次提出通过优化多层介质膜内电场分布，降低在高折射率层的电场强度可以提升薄膜抗激光破坏能力。2001年，K.Starke等人比较了不同带宽的色散镜和四分之一波长高反镜在100fs飞秒激光辐照下的损伤阈值，研究发现色散镜的损伤阈值均低于相应的四分之一波长高反镜，认为色散镜较低的损伤阈值归结于其复杂的膜系结构引起的局部电场增强。2005年，Mero等人研究了氧化物薄膜材料的抗激光损伤特性，提出薄膜材料的电子能带带隙与损伤阈值存在正相关关系。2017年，Melnikas等人通过对Gires-Tournois(GT)镜的飞秒损伤测试，发现电场在高折射率层分布的极大值处是初始损伤发生的地方。近年来，国内对激光薄膜的主要工作有：2013年，Shunli Chen利用中心波长800nm、脉宽为38fs的激光脉冲，对相同高低折射率材料的高反镜、啁啾镜进行了标准的单脉冲损伤测试和研究，发现啁啾镜的损伤阈值仅为标准镜阈值的约1/4。2019年，Jinlong Zhang研究了亚纳秒下提高低色散镜损伤阈值的方法并分析了对节瘤缺陷的影响。2020年，Meiping Zhu等人提出将Al2O3-HfO2纳米叠层作为高折射率材料应用在低色散镜中，在纳秒激光下的激光损伤阈值有效提升。目前，对于飞秒激光脉冲与激光薄膜相互的机理仍是研究的热点，激光薄膜在飞秒激光脉冲下损伤阈值低，如何提高激光薄膜的抗激光损伤能力，特别是具有复杂膜层结构的激光薄膜在飞秒激光下的损伤阈值是亟待解决的问题。
作为超快超强激光系统中不可缺少的基本元件，光学薄膜也是激光系统中最薄弱的环节之一。研究超快强场激光作用下光学薄膜元件的抗飞秒激光破坏问题，对于阐释超快激光与光学薄膜作用的物理机制、以及探索改善薄膜材料抗超短脉冲激光损伤能力的途径，具有非常重要的实际意义。但是针对激光薄膜飞秒损伤阈值的研究较少，尤其是针对具有复杂膜系结构的宽带色散调控薄膜的损伤机制和损伤过程的研究还不够充分，以及如何获得高阈值宽带色散调控薄膜的研究一直处于待进一步发掘的状态，因此开展相关工作，具有重要的作用和意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种宽带高激光损伤阈值色散镜结构；该宽带高激光损伤阈值色散镜结构可以有效提升色散镜的激光损伤阈值。
本发明解决的技术方案如下：
一种宽带高激光损伤阈值色散镜结构，由下到上依次包括基底、啁啾层和电场调制层；基底为色散镜的衬底材料；啁啾层为膜层厚度啁啾渐变的多层介质膜层；电场调制层为膜层厚度周期性变化并重复排列的多层介质膜层；
该宽带高激光损伤阈值色散镜结构的表达式为：
S/[a1(HL)a2(HL)…an(HL)]/[b1(HL)b2(HL)…bm-1(HL)bm(HL)bm-1(HL)…b2(HL)b1(HL)]p/A；
其中，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，λ为色散镜工作带宽的参考波长；S表示基底，A代表空气；
[a1(HL)a2(HL)…an(HL)]为啁啾层的结构，a1，a2，…，an为一列单调递增或单调递减的数组，当目标群延迟色散为负数时，底部啁啾层的啁啾系数an为单调递减的数组，当目标群延迟色散为正数时，底部啁啾层的啁啾系数an为单调递增的数组，n为大于1的正整数；
[b1(HL)b2(HL)…bm-1(HL)bm(HL)bm-1((HL)…b2(HL)b1(HL)]p为电场调制层的结构，b1，b2，…，bm为等差数列，p为电场调制层周期数；b1，b2，…，bm等差数列项数的范围为2-50之间，公差的范围在0.05-0.3之间；电场调制层周期数p为正整数，范围为2-10之间。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1、本发明所述的宽带高激光损伤阈值色散镜结构底部为传统的啁啾结构，顶部创造性的引入了电场调制层结构；该新型色散镜结构中电场调制层为膜层厚度周期性变化并重复排列的多层介质膜层，该结构使得各波长分量在电场调制层内的驻波场峰值相互错开，使得最大的峰值电场强度大大降低。通过同时调制色散镜内所有波长的驻波场分布而实现总的峰值电场强度降低，最终有效提升激光损伤阈值。
2、传统结构的啁啾色散镜在飞秒激光作用下损伤阈值较低，本发明所述的宽带高激光损伤阈值色散镜结构，创新性的提出电场调制层多层介质膜结构并将其与啁啾膜层有机结合，在保持色散镜的反射率、色散和带宽等性能不变的前提下大大增强了抗激光损伤能力。
3、本发明所述的宽带高激光损伤阈值色散镜结构为一种通用的初始结构，针对不同的设计要求(如工作波长、入射角度、偏振、群延迟色散等)，均可以在这一初始结构上仅仅通过调整初始参数优化后实现，该宽带高激光损伤阈值色散镜结构具有广泛的通用性。
附图说明
图1为本发明所述宽带高激光损伤阈值色散镜结构的膜层结构示意图。
图2为本发明所述宽带高激光损伤阈值色散镜结构实施例的初始膜系结构图。
图3为实施例色散镜优化后最终膜系结构。
图4为实施例色散镜群延迟色散及反射率曲线图。
图5为实施例色散镜群内部各波长电场峰值强度分布曲线图。
图6为实施例飞秒激光脉冲光谱。
图7为实施例色散镜群内部800nm和加权平均电场强度分布曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供了一种宽带高激光损伤阈值色散镜结构，如图1所示，由下到上依次包括基底1、啁啾层2和电场调制层3。基底1为色散镜的衬底材料；啁啾层2为用于实现色散补偿和宽带高反射的结构单元，其结构为膜层厚度啁啾渐变的多层介质膜层；电场调制层3为用于优化电场而实现高激光损伤阈值的结构单元，其结构为膜层厚度周期性变化并重复排列的多层介质膜层。该宽带高激光损伤阈值色散镜结构的表达式为：
S/[a1(HL)a2(HL)…an(HL)]/[b1(HL)b2(HL)…bm-1(HL)bm(HL)bm-1(HL)…b2(HL)b1(HL)]p/A；其中，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，所述的高折射率材料为TiO2，Nb2O5，Ta2O5，HfO2，ZrO2，氟化物，硫化物或Si等，所述的低折射率材料为SiO2，Al2O3或MgF2等，其中λ为色散镜工作带宽的参考波长。S表示基底1，基底1的材料为石英玻璃或者CaF2，A代表空气。
[a1(HL)a2(HL)…an(HL)]为啁啾层2的结构，a1，a2，…，an为一列单调递增或单调递减的数组，当目标群延迟色散为负数时，底部啁啾层的啁啾系数an为单调递减的数组，当目标群延迟色散为正数时，底部啁啾层的啁啾系数an为单调递增的数组，其中n为大于1的正整数。此外，n的最大值根据目标反射率、工作带宽来确定，当反射率要求较高，或者工作带宽较宽时，n的最大值越大。
[b1(HL)b2(HL)…bm-1(HL)bm(HL)bm-1((HL)…b2(HL)b1(HL)]p为电场调制层3的结构，b1，b2，…，bm为等差数列，p为电场调制层周期数。根据电场分布峰值要求确定bm和p的大小。一般的，b1，b2，…，bm等差数列项数的范围为2-50之间，公差的范围在0.05-0.3之间。电场调制层周期数p为正整数，选择范围为2-10之间，当p越大时，电场在膜层内部分布范围越大，电场峰值强度越低，反射率也更高。参数选择依据为：根据反射率、偏振、入射角度和带宽要求，选择合适的啁啾膜层的啁啾系数an；之后根据电场分布和电场峰值强度的要求和已确定的啁啾系数an，进一步选择合适的电场调制层系数bm和电场调制层周期数p。
本发明创新性提出电场调制层多层介质膜结构，其膜层厚度周期性渐变并重复排列，该结构可实现对电场的有效调制，本发明通过在传统的厚度渐变结构的啁啾镜上加入电场调制层，发现各波长分量在电场调制层内的驻波场峰值相互错开，使得与最终损伤阈值密切相关的加权平均电场强度大大降低，增加电场调制层的色散镜表现出更强的抗激光损伤潜力。
基于本发明所述的宽带高激光损伤阈值色散镜结构，提出具体的设计目标，包括群延迟色散、反射率、偏振、入射角度、带宽和电场峰值强度要求，之后设定合适的参数利用计算机软件进行优化，可以得到所需的宽带高激光损伤阈值色散镜最终结构。
本发明的具体实施例中，提出的具体色散镜指标为：群延迟色散-100fs2，反射率＞99％，针对P偏振光和45度入射角，带宽为200nm(工作波长为700-900nm，参考波长为875nm)，等效电场峰值强度在100％左右。
基于本发明所述的宽带高激光损伤阈值色散镜结构和所需的色散镜指标，具体设计过程如下步骤：
(1)根据所需制备色散镜对的群延迟色散、反射率、偏振、入射角度、带宽和电场峰值强度要求，选择合适的高折射率材料、低折射率材料和基底材料。
根据实施例的设计要求，由于群速度色散较大，带宽较宽，所以选择折射率较高的高折射率材料Ta2O5，低折射率材料为SiO2，高低折射率材料的折射率参数实际镀膜实验中反演得到，由柯西公式
Figure BDA0003337403160000051
确定，如表1所示。
表1
A<sub>0</sub> A<sub>1</sub> A<sub>2</sub>
SiO<sub>2</sub> 1.44293 1.1622618e-2 -3.705533e-4
Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 22.01486 3.01116301e-2 -7.635062e-4
(2)确定色散镜初始结构的参数，包括an、bm、p的值。
实施例的高激光损伤阈值色散镜初始结构为S/[a1(HL)a2(HL)…an(HL)]/[b1(HL)b2(HL)…bm-1(HL)bm(HL)bm-1(HL)…b2(HL)b1(HL)]p/A，其中S选择石英玻璃基底，H和L分别代表光学厚度为875/4nm的Ta2O5和SiO2。根据色散镜目标群延迟色散值、反射率和带宽要求，选择合适的参数：an＝1.35-0.02n，(n＝1，2，3，...，25)，bm＝0.9+0.1m，(m＝1，2)，p＝8。得到基于基底1、啁啾层2和电场调制层3结构的色散镜初始膜系的表达式S/[a1(HL)a2(HL)…a25(HL)]/[b1(HL)b2(HL)b1(HL)]p/A，膜系结构如图2所示。
(3)确定参数之后，优化的过程如下：①在确定参数的初始结构的基础上利用膜系设计软件(如TfCalc、OptiLayer等)和相应的算法(如Neddle、Gradient、Variable Metric和Simplex等)对膜系进行优化，并观察最终群速度色散、反射率和带宽结果是否满足色散镜所需的指标。若未能达到所需色散镜的群速度色散、反射率和带宽要求，通过调整啁啾膜层的啁啾系数an之后，再进一步优化；②在一次优化的基础上进行二次优化，并观察电场峰值和电场分布是否满足色散镜所需的指标。若未能达到色散镜的电场分布和峰值强度要求，通过同时调整电场调制层系数bn和电场调制层周期数p之后，再次优化。③重复步骤①、②多次优化，直到最终满足色散镜要求。
实施例采用TFCalc软件，并利用Variable Metric算法对确定参数的初始膜系进行优化，并按照上述(1)、(2)、(3)步骤进行优化，得到最终满足色散镜要求的膜系结构如图3所示。此外，图4为满足设计目标要求的色散镜反射率和群延迟色散曲线：针对P偏振光、45度入射光，其反射率在700-900nm大于99％，群延迟色散在700-900nm为-100fs2。优化得到的高阈值色散镜的750-850nm波长范围内部分的电场分布如图5所示，在前4.7μm的电场调制层内，各个波长分量的电场分布具有较大差异，在同一深度，不同波长的电场交替出现峰值和谷值，即使是相邻的波长，其电场分布的峰值位置也相互错开。由于电场调制层对各波长电场分布具有调制作用，错峰的电场分布使得与最终损伤阈值密切相关的加权平均电场强度大大降低。我们计算得到了高阈值色散镜的加权平均电场，其中各波长电场的权重是实际激光损伤实验中飞秒激光的光谱，如图6所示，加权平均电场在膜层中的分布如图7所示，作为对比，图中给出了800nm中心波长的电场分布。加权平均电场在电场调制层内的强度为100％左右，满足设计要求，电场调制层有效降低了电场峰值强度，分布也更为均匀平滑，相比较于800nm电场，电场峰值强度降低一半以上。例如，在r＝2.77μm处，加权平均电场值为110％，而中心波长800nm的强度为250％。电场强度的降低保证了在飞秒下激光损伤阈值的提升。
综上，本发明通过在传统的厚度渐变结构的啁啾色散镜上加入电场调制层，各波长分量在电场调制层内的驻波场峰值相互错开，使得总的峰值电场强度大大降低，新型色散镜表现出更强的抗激光损伤潜力。通过调整电场调制层的啁啾系数bm和周期数p，可调控各波长分量的驻波场在电场调制层内的分布，实现总的电场峰值强度的降低，最终提升色散镜的激光损伤阈值。本实施例设计得到宽带高激光损伤阈值色散镜的设计入射角为45度，P偏振，在700-900nm带宽内色散补偿量为-100fs2，反射率大于99％。高激光损伤阈值色散镜在保证色散量、反射率和带宽不变的前提下具有极高的抗激光损伤能力，对于超快激光技术的发展具有最重要的意义。

Claims (1)

1.一种宽带高激光损伤阈值色散镜结构，其特征在于，由下到上依次包括基底(1)、啁啾层(2)和电场调制层(3)；基底(1)为色散镜的衬底材料；啁啾层(2)为膜层厚度啁啾渐变的多层介质膜层；电场调制层(3)为膜层厚度周期性变化并重复排列的多层介质膜层；
该宽带高激光损伤阈值色散镜结构的表达式为：
S/[a1(HL) a2(HL) … an(HL)]/[b1(HL) b2(HL) … bm-1(HL) bm(HL) bm-1(HL) … b2(HL) b1(HL)]p/A；
其中，H和L分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，λ为色散镜工作带宽的参考波长；S表示基底(1)，A代表空气；
[a1(HL) a2(HL) … an(HL)]为啁啾层(2)的结构，a1，a2，…，an为一列单调递增或单调递减的数组，当目标群延迟色散为负数时，底部啁啾层的啁啾系数an为单调递减的数组，当目标群延迟色散为正数时，底部啁啾层的啁啾系数an为单调递增的数组，n为大于1的正整数；
[b1(HL) b2(HL) … bm-1(HL) bm(HL) bm-1((HL) … b2(HL) b1(HL)]p为电场调制层(3)的结构，b1，b2，…，bm为等差数列，p为电场调制层周期数；b1，b2，…，bm等差数列项数的范围为2-50之间，公差的范围在0.05-0.3之间；电场调制层周期数p为正整数，范围为2-10之间。
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