CN114839708A - 一种抗激光损伤的蓝光反射镜及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗激光损伤的蓝光反射镜及设计方法，主要从优化膜层内部电场分布出发，选择四种不同折射率的材料，利用其中一种或两种材料的导热性交替形成内部膜层用来导热降低薄膜的温度，利用另外两种材料的抗激光损伤性能交替形成外部膜层。通过约束外部膜层中低折射率膜层的物理厚度，来约束薄膜内部电场，使空气与薄膜交界处电场为0，峰值电场在膜层内部薄膜内部而不在膜层交界处，电场基本分布外部膜层中，内部膜层中电场基本为0。本发明的蓝光反射镜对激光损伤有较高的容忍度，在激光投影显示系统中具有重要的应用价值。

Description

一种抗激光损伤的蓝光反射镜及设计方法
技术领域
本发明涉及激光投影显示领域，具体涉及一种抗激光损伤的蓝光反射镜及设计方法。
背景技术
近些年激光光源的出现很好的解决了传统高压汞灯体积大、重量大、易爆炸、灯泡使用寿命短、亮度低、能耗大、色彩差，而且使用非环保的汞材料的问题，也使激光投影机成为这些年的研究热点。但正是由于激光投影机的照明光源为激光光源，且要实现上万流明的高亮度，可想而知其激光输出功率是非常高的，所以对于其中的光学元件要有很高的抗激光要求。而在激光投影系统中，光学薄膜又是几乎所有光学元件中必不可少的基本元件，是激光系统中非常重要又最容易损伤的薄弱环节，光学薄膜的抗激光损伤能力决定了激光投影显示系统的使用寿命。所以针对激光投影系统，研究高损伤阈值的激光薄膜元件是必不可少且有意义，现有技术对其他高能激光波长的损伤研究已经取得一定的进展，同时也制备出相应波长的抗激光损伤薄膜，而对于半导体蓝激光的损伤研究却很少，所以制备高损伤阈值的蓝激光薄膜元件对于激光投影系统来说是急需解决的一个问题。
申请公布号为CN111007690A(申请号为CN201911299897.1)的中国发明专利公开了一种3LCD投影机激光照明系统以及3LCD投影机。一种3LCD投影机激光照明系统包括蓝光激光光源，偏振分色组件、蓝光传导光路、黄光激发传导光路、分色组件、绿光传导光路、红光传导光路、蓝光LCD、绿光LCD、红光LCD以及分光棱镜组件。混合蓝光通过偏振分色组建分光成在不同方向上传导的P偏振蓝光和S偏振蓝光，其中P偏振蓝光经蓝光反射镜传导到蓝光LCD，S偏振蓝光激发黄光并将所述激发黄光传导到分色组件，分色组件将激发的黄光分色成沿不同方向传导的绿光和红光，分别传导至红光LCD和绿光LCD，经所述蓝光LCD、绿光LCD和红光LCD作用后的蓝光、绿光和红光均进入分光棱镜组件以进行合光从而生成成像光束。上述技术方案能够提供线偏振光满足LCD的工作环境，并且亮度更高、色域更宽、寿命更长。但是仍未认识到提高系统中光学薄膜元件抗激光损伤阈值的重要性，未对系统中蓝激光反射元件的抗激光损伤能力作出改善，光学薄膜元件的抗激光损伤能力仍然制约着激光投影系统的使用寿命。
发明内容
为了提高激光投影系统中光学薄膜元件的抗激光损伤能力，本发明提供了一种45度入射的抗激光损伤的蓝光反射镜，用于激光液晶投影系统的蓝激光传导光路中。本发明主要从优化膜层内部电场分布出发，选择四种不同折射率的材料，利用材料的导热性及抗激光损伤性能，形成内部导热降温外部抗激光损伤的膜层结构。同时通过约束膜层厚度，优化膜层内部电场分布，从而使所设计的膜系有较高的抗激光损伤能力。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种抗激光损伤的蓝光反射镜的设计方法，包括以下步骤：
1)选择导热系数大的第一高折射率材料H1和第一低折射率材料L1以及抗激光损伤性能好的第二高折射率材料H2和第二低折射率材料L2；
所述导热系数的大小表明材料导热能力的大小，导热系数越大，导热能力越强。所述导热系数大的材料为导热系数大于10W/(m*K)的材料，有着较强的导热能力，可以降低薄膜的温度。
所述抗激光损伤性能好的材料为带隙Eg>4eV的材料，材料的激光损伤阈值场强与材料带隙的平方根成正比，激光损伤阈值场强是表征材料抗激光损伤能力的参量，材料所述具有较大带隙的介质材料，其抗激光损伤的能力也较大。
所述第一高、低折射率材料可以两种均为导热系数大的材料，也可以其中一种为导热系数大的材料。所述第一高、低折射率材料和第二高、低折射率材料均为氧化物材料。
进一步，所述第一高折射率材料H1为TiO2，所述第一低折射率材料L1为Al2O3，所述第二高折射率材料H2为HfO2或者Ta2O5，更进一步为Ta2O5，所述第二低折射率材料L2为SiO2。
2)由步骤1)所选材料设定初始膜系结构Sub|(H1L1)^m(H2L2)^nH2|Air；
所述初始膜系结构中的m为导热系数大的第一高、低折射率材料的循环次数，n为抗激光损伤性能好的第二高、低折射率材料的循环次数。其中所述m的值为7～15，所述n的值为6～9，进一步m＝9，n＝6。
3)在膜系设计软件中输入设定参数：入射角度，参考波长及步骤2)中的初始膜系结构；
4)设定连续性优化目标，对膜系进行优化设计后，得到反射率满足要求的的优化膜系结构；
所述连续性优化目标的起始波段为420～500nm，角度为45°，反射率目标值为100。
5)通过约束步骤4)中所得优化膜系结构中第二低折射率膜层的物理厚度在一定范围内，来约束膜层内部电场分布，使膜层内部电场对激光有较高的容忍度。
所述第二低折射率膜层的物理厚度的范围为100nm～140nm，进一步为最外面2～3层第二低折射率膜层的厚度为140nm，其余的第二低折射率膜层的厚度为100nm。
所述对激光有较高容忍度的内部电场分布为空气与薄膜界面电场接近为0，峰值电场分布在低折射率膜层内部而不在膜层交界处，电场主要分布在由抗激光损伤性能高的材料构成的膜层中，由导热系数大的材料构成的膜层中电场基本为0。
一种抗激光损伤的蓝光反射镜，初始膜系结Sub|(H1L1)^m(H2L2)^nH2|Air，沿基底向空气方向依次包括交替m次的第一高折射率材料H1层和第一低折射率材料L1层，以及交替n次的第二高折射率材料H2层和第二低折射率材料L2层；
其中，m的值为7～15，所述n的值为6～9，进一步m＝9，n＝6。
本发明的抗激光损伤的蓝光反射镜，主要从优化膜层内部电场分布出发，选择四种不同折射率的材料，利用其中一种或两种材料的导热性交替形成内部膜层用来导热降低薄膜的温度，利用另外两种材料的抗激光损伤性能交替形成外部膜层。通过约束外部膜层中低折射率膜层的物理厚度，来约束薄膜内部电场，使空气与薄膜交界处电场为0，峰值电场在膜层内部薄膜内部而不在膜层交界处，电场基本分布外部膜层中，内部膜层中电场基本为0。本发明的蓝光反射镜对激光损伤有较高的容忍度，在激光投影显示系统中具有重要的应用价值。
优选地，经过步骤5)后，得到一种抗激光损伤的蓝光反射镜，沿基底向空气方向依次每一层的厚度为：48.03nm、79.11nm、47.93nm、79.48nm、47.79nm、79.63nm、47.73nm、79.71nm、47.69nm、79.75nm、47.68nm、79.78nm、47.66nm、79.79nm、47.66nm、79.81nm、47.66nm、79.83nm、51.82nm、100nm、51.97nm、100nm、52.00nm、100nm、52.03nm、100nm、52.08nm、140nm、52.19nm、140nm、52.62nm。其中第1，3，5，7，9，11，13，15，17层为TiO2膜层，第2，4，6，8，10，12，14，16，18为Al2O3膜层，第19，21，23，25，27，29，31为Ta2O5膜层，第20，22，24，26，28，30为SiO2膜层。
本发明的反射镜使膜层内部电场主要分布在抗激光损伤性能好的材料构成的膜层中，同时避免了在薄膜交界面出现强电场，有助于提高激光的抗损伤阈值。在激光投影显示系统中具有重要的应用价值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
选用四种不同折射率的材料构成高反介质膜，利用Al2O3的导热性和TiO2构成内部膜层用以导热来降低薄膜的温度，利用Ta2O5和SiO2较高的抗激光损伤破坏特性构成外部抗激光损伤膜层，形成外部抗激光内部导热的膜层结构。同时通过对膜系优化设计及对膜层厚度的约束来约束膜层中电场，使电场主要分布在抗激光损伤膜层中，膜层与空气交界面激光电场为0，避免了膜层中峰值电场出现在膜层与膜层的交界面，使峰值电场尽可能多的出现在地折射率的SiO2膜层中，从而对激光损伤由较高的容忍度。本发明从激光对薄膜损伤的热机制和场机制两方面出发提高了蓝光反射镜的损伤阈值。现有技术很少有对抗损伤的蓝光反射镜的研究，也很少有选用四种折射率材料形成外部抗激光内部导热降温的反射膜层结构同时优化电场分布来制备抗激光损伤的反射镜。本发明的抗激光损伤的蓝光反射镜可以用于激光液晶投影系统的蓝光传导光路中，也可用于其他蓝激光传导光路中。该反射镜在一定程度上会提高激光液晶投影系统的使用寿命，对激光投影显示系统来说很有意义。
附图说明
图1是本发明的一种抗激光损伤的蓝光反射镜的结构示意图。
图2是本发明的一种抗激光损伤的蓝光反射镜的反射率曲线。
图3是用LumericalFDTD仿真本发明的抗激光损伤的蓝光反射镜的电场分布曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。以下附图用来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明的一种抗激光损伤的蓝光反射镜的结构示意图，该抗激光损伤的蓝光反射镜由四种不同折射率膜层组成，其中内部由导热性好的Al2O3膜层及TiO2膜交替组成用以导热，外部膜层由抗激光损伤性能好的Ta2O5膜层和SiO2膜层交替组成。每一层的厚度依次为：48.03nm、79.11nm、47.93nm、79.48nm、47.79nm、79.63nm、47.73nm、79.71nm、47.69nm、79.75nm、47.68nm、79.78nm、47.66nm、79.79nm、47.66nm、79.81nm、47.66nm、79.83nm、51.82nm、100nm、51.97nm、100nm、52.00nm、100nm、52.03nm、100nm、52.08nm、140nm、52.19nm、140nm、52.62nm。其中第1，3，5，7，9，11，13，15，17层为TiO2膜层，第2，4，6，8，10，12，14，16，18为Al2O3膜层，第19，21，23，25，27，29，31为Ta2O5膜层，第20，22，24，26，28，30为SiO2膜层。
图2为本发明的一种抗激光损伤的蓝光反射镜的反射率曲线。从反射率曲线可以得到光学特性：在425nm-505nm所述抗激光损伤的蓝光反射镜的平均反射率达到了99.94％，在434-502nm反射率均大于99.9％。
薄膜中的激光电场分布会影响薄膜的抗激光损伤能力，膜层中电场强度大的位置，该处的吸收也大，对薄膜的激光损伤会更严重，而膜层中的各交界面“空气与膜层，膜层与膜层，膜层与基板”都是容易损伤处。如果膜层交界处位置的电场强度大的话，膜层就更易损伤，抗损伤能力就更弱。通过LumericalFDTD软件对本发明所述抗激光损伤的蓝光反射镜进行电场仿真。根据所述基板及所述高反介质膜的厚度与结构建立仿真模型，构建仿真模型所需的材料折射率参数n和k应与膜系设计时所用折射率材料参数n和k一致，对于材料折射率参数数据较少的情况下，由于膜系设计软件TFCale和LumericalFDTD软件的拟合方式不同，拟合出的材料折射率参数会有偏差，得到的结果会与设计的相差较大。因此仿真时事先通过线性针插法(TFCale所需波长值不在折射率数据表中时，采用线性插值法估计)获取更多数据，再在FDTD中进行拟合，减小由于拟合方式不同造成的误差。将光源设置为沿y轴45度方向入射的平面光源，电场强度为1V/m，平面波类型选择BFAST类型，z轴采用PML边界条件。图3即为FDTD仿真本发明的抗激光损伤的蓝光反射镜的电场分布曲线。所述抗激光损伤的蓝光反射镜的激光电场分布：在空气与膜层交界处，激光电场值为0.00388(相对量，无量纲)，激光电场主要分布在由抗激光损伤性能好的Ta2O5膜层和SiO2构成的膜层中，在Al2O3膜层及TiO2膜层中激光电场很小接近0，且激光峰值电场分布在低折射率膜层SiO2膜层内部，未在膜层交界处及高折射率膜层中。所述高反介质膜中，空气-膜层分界面电场较小，几乎为0，膜层中激光峰值电场分布地低折射率膜层内部，膜层中有着较好的激光电场分布。由此获得了抗激光损伤性能较好的蓝光反射镜。

Claims (10)

1.一种抗激光损伤的蓝光反射镜，其特征在于，初始膜系结构Sub|(H1L1)^m(H2L2)^nH2|Air，沿基底向空气方向依次包括交替m次的第一高折射率材料H1层和第一低折射率材料L1层，以及交替n次的第二高折射率材料H2层和第二低折射率材料L2层。
2.根据权利要求1所述的抗激光损伤的蓝光反射镜，其特征在于，所述第一高、低折射率材料以及第二高、低折射率材料均为氧化物材料。
3.根据权利要求1所述的抗激光损伤的蓝光反射镜，其特征在于，所述第一高折射率材料H1为TiO2，所述第一低折射率材料L1为Al2O3；
所述第二高折射率材料H2为HfO2或者Ta2O5，所述第二低折射率材料L2为SiO2。
4.根据权利要求1所述的抗激光损伤的蓝光反射镜，其特征在于，m的值为7～15，所述n的值为6～9。
5.根据权利要求4所述的抗激光损伤的蓝光反射镜，其特征在于，m＝9，n＝6。
6.根据权利要求1所述的抗激光损伤的蓝光反射镜，其特征在于，沿基底向空气方向依次每一层的厚度为：48.03nm、79.11nm、47.93nm、79.48nm、47.79nm、79.63nm、47.73nm、79.71nm、47.69nm、79.75nm、47.68nm、79.78nm、47.66nm、79.79nm、47.66nm、79.81nm、47.66nm、79.83nm、51.82nm、100nm、51.97nm、100nm、52.00nm、100nm、52.03nm、100nm、52.08nm、140nm、52.19nm、140nm、52.62nm。其中第1，3，5，7，9，11，13，15，17层为TiO2膜层，第2，4，6，8，10，12，14，16，18为Al2O3膜层，第19，21，23，25，27，29，31为Ta2O5膜层，第20，22，24，26，28，30为SiO2膜层。
7.一种抗激光损伤的蓝光反射镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选择导热系数大的第一高折射率材料H1和第一低折射率材料L1以及抗激光损伤性能好的第二高折射率材料H2和第二低折射率材料L2；
2)由步骤1)所选材料设定初始膜系结构Sub|(H1L1)^m(H2L2)^nH2|Air；
3)在膜系设计软件中输入设定参数：入射角度，参考波长及步骤2)中的初始膜系结构；
4)设定连续性优化目标，对膜系进行优化设计后，得到反射率满足要求的的优化膜系结构；
5)通过约束步骤4)中所得优化膜系结构中第二低折射率膜层的物理厚度在100nm～140nm范围内，来约束膜层内部电场分布，使膜层内部电场对激光有较高的容忍度。
8.根据权利要求7所述的抗激光损伤的蓝光反射镜的设计方法，其特征在于，步骤1)中，所述第一高折射率材料H1为TiO2，所述第一低折射率材料L1为Al2O3；
所述第二高折射率材料H2为HfO2或者Ta2O5，所述第二低折射率材料L2为SiO2。
9.根据权利要求7所述的抗激光损伤的蓝光反射镜的设计方法，其特征在于，步骤2)中，所述初始膜系结构中的m为导热系数大的第一高、低折射率材料的循环次数，n为抗激光损伤性能好的第二高、低折射率材料的循环次数，其中所述m的值为7～15，所述n的值为6～9。
10.根据权利要求7所述的抗激光损伤的蓝光反射镜的设计方法，其特征在于，步骤4)中，所述连续性优化目标的起始波段为420～500nm，角度为45°，反射率目标值为100。
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