CN114859549B - 一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜及设计方法 - Google Patents

一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了了一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜及设计方法,可以减少由小尺寸节瘤缺陷引起的电场增强,主要用于对激光系统中蓝光高反膜的设计。包括以下步骤:设定初始膜系结构:Sub|(HL)^nH|Air;设置连续性优化目标,优化得到外侧三层膜的膜层厚度;增加高、低折射率膜层共两层,固定外侧膜层的厚度,设定连续性优化目标,优化新增加内侧两层高、低折射率膜层的膜层厚度;重复直至整个膜层的反射率大于95%,得到周期数n1;令n=n1+n0,靠近基板的内侧膜层为周期数为n0的四分之一波长厚度交替的高、低折射率膜层,其余靠近空气的外侧膜层为前面步骤优化得到的膜层,由此得到对缺陷不敏感的高反膜层。

Description

一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜及设计方法
技术领域
本发明涉及光学薄膜领域,具体涉及一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜及设计方法。
背景技术
用于强激光系统中的光学薄膜元件,是激光产生、转化、传输的关键性部件,同时也是系统中最容易破坏的元件,光学薄膜元件的抗激光损伤阈值及损伤特性限制激光系统的输出能力及使用寿命。而节瘤缺陷对薄膜的抗激光损伤性能有较大的影响。节瘤的存在会改变节瘤附近的电场分布,会在节瘤内部形成局部电场强度增强,引起局部辐照能量变大,从而导致膜层发生损伤。因此,减少节瘤缺陷的影响对提高光学薄膜的抗激光损伤阈值有重要意义。目前对节瘤缺陷控制的主要方法是在源头上对其进行控制,通过控制缺陷密度和尺寸来减少节瘤缺陷的影响,提高薄膜的抗激光损伤阈值,但是实际上无法完全去除薄膜中的杂质,很少有通过膜系设计来减少缺陷的影响。授权公告号为CN 101032256 B的《一种提高近红外高反膜激光损伤阈值的方法》提出通过计算出节瘤的张角,求出最大入射角度,设计具有一定角度宽度的高反膜,保证所设计的高反膜反射带角度宽度大于节瘤最大入射角,从而减少了电场增强效应,提高了薄膜的激光损伤阈值。这种方法在材料、工艺、种子源特性一样的情况下提高了高反膜中的节瘤损伤阈值。但这种方法直接设计宽角度反射膜系,针对的是节瘤种子在基板上的情况,而实际上节瘤种子可能存在于膜层中的各个位置,因此该种方法有一定的局限性,无法保证用该方法设计的膜系对于节瘤种子在膜层中的情况也可以减少电场增强效应提高损伤阈值。
发明内容
本发明针对薄膜中无法完全去除的杂质,提出了一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜及设计方法,可以减少由小尺寸节瘤缺陷引起的电场增强,主要用于对激光系统中蓝光高反膜的设计。对于存在节瘤缺陷的高反膜,由于节瘤缺陷的存在,会引起缺陷上方的膜层形成凸起的结构,这种凸起结构类似微凸透镜对光线有会聚作用,同时凸起位置的入射角会变大,会使缺陷位置部分光线透射,从而会使电场增强而加剧破坏薄膜。因此对于缺陷位置来说,在保证膜层整体的反射率及宽角度的同时,使缺陷上方位置的膜层具有更高的反射率及角度效应,可以减少光线透射进入缺陷位置,会在一定程度上减弱节瘤缺陷带来的电场增强。本发明通过由外侧膜层向内侧优化的方法,先优化少量膜层,使其达到更高的反射率及更宽的角度,然后将其固定为外侧膜层,再逐步增加层数,优化新增膜层再固定的方法来设计高反膜系,使得不论缺陷在什么位置都能保证缺陷上方位置的膜层有着更高的反射率及更宽的角度从而减小缺陷引起的电场增强。本发明主要针对小尺寸的缺陷(直径100nm左右,人眼难以发现,同时在实际生产中不会因为该缺陷的存在引起镜片的报废),本发明的高反膜系对小尺寸节瘤缺陷不敏感,无论缺陷在膜层中还是基板上,都能在满足光谱特性的同时,减少节瘤缺陷引起的电场增强,在一定程度上减少了节瘤缺陷对薄膜抗激光损伤性能的影响。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案实现:
一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜设计方法,其特征包括以下步骤:
1)设定初始膜系结构:Sub|(HL)^nH|Air;
所述H为四分之一波长厚度的高折射率膜层,L为四分之一波长厚度的低折射率膜层,所述一对HL层称为一个周期,n为高低折射率膜层HL的周期数,Sub是指基底一侧,Air是指空气一侧;
2)在膜系设计软件TFCale中输入设定的参数:入射角度0°,参考波长以及步骤1)中的初始膜系结构;
3)令步骤1)中的周期数n=1,设置连续性优化目标,优化得到外侧三层膜的膜层厚度;
所述连续性优化目标起始波段为λ0-5nm~λ0+75nm,角度为0°,反射率目标值为100。
所述连续性优化目标起始波段为λ0-2nm~λ0+2nm,角度为30°,反射率目标值为100。
所述连续性优化目标起始波段为λ0-2nm~λ0+2nm,角度为60°,反射率目标值为100。
所述连续性优化目标起始波段为λ0-2nm~λ0+2nm,角度为89°,反射率目标值为100。
所述λ0为所设计的对小尺寸节瘤缺陷不敏感蓝光高反膜的工作波长。
4)令步骤1)中的新周期数n=n+1,增加高、低折射率膜层共两层,固定外侧膜层的厚度,设定连续性优化目标,优化新增加内侧两层高、低折射率膜层的膜层厚度;
所述的连续性优化目标与步骤3)中所述的连续性优化目标一致。
所述外侧膜层的厚度为前面步骤中优化得到的厚度。
5)重复步骤4)中的内容,直至整个膜层的反射率大于95%,得到周期数n1
6)令n=n1+n0,靠近基板的内侧膜层为周期数为n0的四分之一波长厚度交替的高、低折射率膜层,其余靠近空气的外侧膜层为前面步骤优化得到的膜层,由此得到对缺陷不敏感的高反膜层。
所述n0指一次性增加四分之一波长的交替的高、低折射率膜层的周期数,n0≥1,n0的具体数值根据具体的反射率要求设定。
本发明设计的高反膜系,不仅在光谱特性上满足要求,对于不影响使用的小尺寸节瘤缺陷,会减少缺陷引起的电场增强,从而提高膜层的抗激光损伤能力。
一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜,初始膜系结构为Sub|(HL)^nH|Air,高折射率膜层材料H选择Ta2O5,低折射率膜层材料L选择SiO2,令λ0=445nm,经上述步骤1)~步骤6)优选得到一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的445nm蓝光高反膜,其由基板侧向空气侧每一层的厚度依次为:48.61nm、75.89nm、48.61nm、75.89nm、48.61nm、75.89nm、53.05nm、89.52nm、52.81nm、89.56nm、52.52nm、88.57nm、52.01nm、85.62nm、51.53nm、84.09nm、50.29nm,其中奇数层为Ta2O5膜层,偶数层为SiO2膜层。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1)现有技术中激光薄膜元件对节瘤缺陷的控制都是在源头上进行控制,通过减少缺陷密度和尺寸来减少节瘤缺陷的对薄膜抗激光损伤阈值影响,而实际上无法完全去除薄膜中的杂质,很少有通过膜系设计来减少缺陷的影响。本发明提出通过膜系设计,减少缺陷对薄膜电场及抗激光损伤阈值影响。相比现有技术在源头上控制缺陷更加简单、方便、经济;2)相比现有技术通过直接计算最大入射角,直接设计宽角度反射膜系,只针对缺陷种子在基板上的情况,无法保证缺陷在膜层中时也可以减小由缺陷引起的电场增强。本发明先设计外侧薄膜的厚度使其具有一定的光谱效应及角度效应,再固定其厚度逐步增加内侧膜层进行优化设计,可以实现无论缺陷在基板上还是膜层中,都可以减少由缺陷引起的电场增强效应,达到对缺陷不敏感的效果,效果更加全面;3)现有技术对节瘤缺陷的研究多数是大尺寸缺陷,不可否认大尺寸节瘤缺陷会带来更加明显的电场增强,但是对于表面要求严格的产品,大尺寸缺陷在一定程度会影响正常使用,实际应用中可能会将其报废。本发明主要针对直径在100nm左右的小尺寸缺陷,人眼难以辨别不影响使用符合表面要求的缺陷,相比大尺寸节瘤缺陷更加具有实用性。
附图说明
图1是本发明的一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜设计方法的流程图。
图2是本发明的一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜的反射率曲线。
图3是LumericalFDTD仿真缺陷在膜层中的电场分布情况。其中图a是本发明的一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜存在缺陷时的电场分布图,其中a.1为缺陷位于基板上时的电场分布图,a.2缺陷位于膜层中的电场分布图;图b是与本发明的蓝光高反膜有相同层数,相同材料的四分之一厚度的规整膜系存在缺陷的电场分布图,其中b.1为缺陷位于基板上时的电场分布图,b.2缺陷位于膜层中的电场分布图;图c是与本发明的蓝光高反膜有相同层数、相同材料的常规方法设计的宽角度反射膜系,其中c.1为缺陷位于基板上时的电场分布图,c.2缺陷位于膜层中的电场分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例来详细说明本发明,但本发明并不限于此。
我们选择设计445nm的高反膜。图1为本发明的一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜设计方法的流程图。首先设定初始膜系结构:Sub|(HL)^nH|Air;高折射率膜层材料H选择Ta2O5,低折射率膜层材料L选择SiO2。在膜系设计软件TFCale中输入设定的参数:入射角度为0°,参考波长为445nm,初始膜系结构为Sub|(HL)^nH|Air。
令周期数n=1,膜系结构为Sub|(HL)^1H|Air,连续性优化目标为:440nm~520nm,角度为0°,反射率目标值为100;443nm~447nm,角度为30°,反射率目标值为100;443nm~447nm,角度为60°,反射率目标值为100;443nm~447nm,角度为89°,反射率目标值为100。优化后得到外侧3层膜的厚度分布为:51.53nm、84.09nm、50.29nm。
令周期数n=n+1=2,膜系结构为Sub|(HL)^2H|Air,固定外侧3层面厚度为50.87nm、83.13nm、49.65nm,连续性优化目标为:440nm~520nm,角度为0°,反射率目标值为100;443nm~447nm,角度为30°,反射率目标值为100;443nm~447nm,角度为60°,反射率目标值为100;443nm~447nm,角度为89°,反射率目标值为100。优化新增两层膜的厚度,得到这5层膜的厚度为52.01nm、85.62nm、51.53nm、84.09nm、50.29nm。
循环上述步骤,直至n=5时,在445nm的反射率为95.60%,此时得到的11层膜的厚度为:53.05nm、89.52nm、52.81nm、89.56nm、52.52nm、88.57nm、52.01nm、85.62nm、51.53nm、84.09nm、50.29nm。
令n0=3,n=n+n0=5+3=8,将外侧11层膜的厚度固定为53.05nm、89.52nm、52.81nm、89.56nm、52.52nm、88.57nm、52.01nm、85.62nm、51.53nm、84.09nm、50.29nm,内侧6层膜为48.61nm、75.89nm、48.61nm、75.89nm、48.61nm、75.89nm。由此得到445nm的对缺陷不敏感的膜系,其有基板侧向空气侧每一层的厚度依次为:48.61nm、75.89nm、48.61nm、75.89nm、48.61nm、75.89nm、53.05nm、89.52nm、52.81nm、89.56nm、52.52nm、88.57nm、52.01nm、85.62nm、51.53nm、84.09nm、50.29nm,其中奇数层为Ta2O5膜层,偶数层为SiO2膜层。
图2是本发明的一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜的反射率曲线,在436nm~526nm范围内反射率均在99.00%以上,在445nm处的反射率达到99.62%。
假设在膜层中存在直径为100nm的缺陷种子,用FDTD模拟节瘤缺陷在本发明的一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜的不同膜层位置时的电场分布。表一为缺陷在本发明的蓝光高反膜及相同层数、相同材料的四分之一波长厚度的规整高反膜系和相同层数、相同材料的常规方法设计的宽角度反射膜系的不同膜层中的平均电场情况。
表1为缺陷在不同位置的平均电场表
表1中的平均电场是包含所以膜层及缺陷在内的范围内的平均场强,是反应一个整体平均的情况,只用来做对比因而平均电场的值都较小,表中平均场强均无量纲。从表一中可以看出本发明的一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜,相比相同层数、相同材料的四分之一波长厚度的规整反射膜系及相同层数、相同材料的常规方法设计的宽角度反射膜系,无论缺陷在什么位置都可以平均电场都比较小,缺陷引起的电场增强更小。
图3是LumericalFDTD仿真缺陷在膜层中的电场分布情况。对于本发明的一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜,图a.1为缺陷位于基板上时的电场分布图,此时膜层中峰值电场为0.7772,图a.2为缺陷位于膜层中时的电场分布图,此时膜层中峰值电场为2.0647;而对于与本发明的蓝光高反膜有相同层数,相同材料的四分之一厚度的规整高反膜系,图b.1为缺陷位于基板上时的电场分布图,此时膜层中峰值电场为0.9841,图b.2为缺陷位于膜层中时的电场分布图,此时膜层中峰值电场为2.8344;而与本发明的蓝光高反膜有相同层数、相同材料的常规方法设计的宽角度反射膜系,图c.1为缺陷位于基板上时的电场分布图,此时膜层中峰值电场为0.8546,图c.2为缺陷位于膜层中时的电场分布图,此时膜层中峰值电场为3.1167。对比来看,常规方法设计的宽角度反射膜系,当缺陷在基板上时,确实可以减少膜层中的峰值电场,减少缺陷的影响。但是无法保证缺陷在膜层中时情况,在膜层中反而会出现比四分之一波长厚度规整膜系电场更大的情况。而本发明的一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜,无论缺陷存在膜层中还是基板上,都能在一定程度上减少峰值电场,这在某种程度上会提高膜层的抗激光损伤能力。由此获得了一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜。

Claims (4)

1.一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)设定初始膜系结构:Sub|(HL)^nH|Air,Sub是指基底一侧,Air是指空气一侧;
所述H为四分之一波长厚度的高折射率膜层,L为四分之一波长厚度的低折射率膜层,一对HL层称为一个周期,n为高低折射率膜层HL的周期数;
2)在膜系设计软件TFCale中输入设定的参数:入射角度0°,参考波长以及步骤1)中的初始膜系结构;
3)令步骤1)中的周期数n=1,设置连续性优化目标,优化得到外侧三层膜的膜层厚度;
4)令步骤1)中的新周期数为n+1,增加高、低折射率膜层共两层,固定外侧三层膜的膜层的厚度,设定连续性优化目标,优化新增加内侧两层高、低折射率膜层的膜层厚度;
5)重复步骤4)中的内容,直至整个膜层的反射率大于95%,得到周期数n1
6)令周期数n= n1+n0,n0指一次性增加四分之一波长的交替的高、低折射率膜层的周期数,n0≥1,靠近基板的内侧膜层为四分之一波长厚度交替的高、低折射率膜层,其余靠近空气的外侧膜层为前面步骤优化得到的膜层,由此得到对缺陷不敏感的高反膜层。
2.根据权利要求1所述的对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜设计方法,其特征在于,步骤3)中,连续性优化目标包括以下四个:
第一个连续性优化目标起始波段为λ0-5nm~λ0+75nm,角度为0°,反射率目标值为100;
第二个连续性优化目标起始波段为λ0-2nm~λ0+2nm,角度为30°,反射率目标值为100;
第三个连续性优化目标起始波段为λ0-2nm~λ0+2nm,角度为60°,反射率目标值为100;
第四个连续性优化目标起始波段为λ0-2nm~λ0+2nm,角度为89°,反射率目标值为100;
所述λ0为所设计的对小尺寸节瘤缺陷不敏感蓝光高反膜的工作波长。
3.根据权利要求1所述的对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜设计方法,其特征在于,步骤4)中,连续性优化目标包括以下四个:
第一个连续性优化目标起始波段为λ0-5nm~λ0+75nm,角度为0°,反射率目标值为100;
第二个连续性优化目标起始波段为λ0-2nm~λ0+2nm,角度为30°,反射率目标值为100;
第三个连续性优化目标起始波段为λ0-2nm~λ0+2nm,角度为60°,反射率目标值为100;
第四个连续性优化目标起始波段为λ0-2nm~λ0+2nm,角度为89°,反射率目标值为100;
所述λ0为所设计的对小尺寸节瘤缺陷不敏感蓝光高反膜的工作波长。
4.一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的蓝光高反膜,其特征在于,采用权利要求1~3任一项所述的方法获得,初始膜系结构为Sub|(HL)^nH|Air,高折射率膜层材料H选择Ta2O5,低折射率膜层材料L选择SiO2,令λ0=445nm,经上述步骤1)~步骤6)得到一种对小尺寸节瘤缺陷不敏感的445nm蓝光高反膜,其由基板侧向空气侧每一层的厚度依次为:48.61nm、75.89nm、48.61nm、75.89nm、48.61nm、75.89nm、53.05nm、89.52nm、52.81nm、89.56nm、52.52nm、88.57nm、52.01nm、85.62nm、51.53nm、84.09nm、50.29nm,其中,奇数层为Ta2O5膜层,偶数层为SiO2膜层。
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