CN115951432A - 一种色散补偿双面增透膜层及其设计方法 - Google Patents

一种色散补偿双面增透膜层及其设计方法 Download PDF

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王胭脂
陆叶盛
张宇晖
王志皓
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朱晔新
柳畅
冯宇康
邵宇川
易葵
邵建达
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Abstract

本发明提出一种色散补偿双面增透膜及其设计方法，本发明色散补偿双面增透膜膜系结构表达式为A/C/S/C/A，其中，A代表空气，C代表色散补偿增透膜层，S代表基底。所述的色散补偿增透膜层，由高折射率材料和低折射率材料交替组成，所述的色散补偿增透膜层在保证激光透过传输的同时提供透射群延迟色散，用于补偿基底所引入色散。本发明色散补偿双面增透膜是超快激光系统内所必不可少的光学元件，其在保证激光高效率透过基底的同时，通过色散补偿增透膜层引入色散用于补偿基底色散，因此不需要额外的色散元件补偿基底所引入色散，从而实现激光脉冲宽度经过基底后仍保持不变。

Description

一种色散补偿双面增透膜层及其设计方法
技术领域
本发明属于超快激光薄膜领域，具体是一种超快激光系统中用于减小各种窗口、基底前后表面反射以及激光能量损耗的光学薄膜元件。
背景技术
1960年第一台激光器发明已来，科学家一直在追求脉冲更窄、峰值功率更高的激光器。这类超快激光系统在科研、工业及军事领域都有着广泛应用，而光学窗口、基底是超快激光系统中所必不可少的光学元件。当超快激光通过窗口或基底时，由于基底折射率与空气失配，导致基底前后表面会反射一定比例的光，这将会大大增加激光能量损耗，同时激光系统中基底表面反射光会干扰其他光路，甚至会将引起光学元件损坏。因此，必须对窗口、基底表面的反射光进行抑制，增加透过光比例，减小激光能量损失同时保护其它光学元件免受损坏。
传统的减小基底表面反射方法包括基底两侧分别镀制由若干层高低折射率材料组成的增透膜、折射率渐变的单层增透膜、表面微结构增透膜等，这些方法能够有效抑制基底表面反射，极大降低了激光能量损耗。但随着激光脉冲宽度不断变窄，达到飞秒甚至近单周期飞秒量级，基底材料所引入的色散成为不可忽略的，基底色散会引起脉冲宽度展宽，降低脉冲峰值功率。因此，针对超快激光系统中各种窗口或基底色散必须进行相应色散补偿，据我所知目前现有增透膜均无法实现透射色散补偿，进而导致必须采用额外的色散补偿元件对基底色散进行相应补偿。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提出一种色散补偿双面增透膜及其设计方法，色散补偿双面增透膜结构由基底两侧双面色散补偿增透膜层组成，利用色散补偿增透膜层在减小基底前后表面反射的同时提供相应的透射色散来补偿基底所引入色散，色散补偿增透膜层所引入色散可根据基底材料种类以及厚度进行相应优化设计，进而无需引入无需额外色散补偿元件用于补充基底色散，最终实现超短脉冲在通过基底后，脉冲能量和脉冲宽度保持不变。
本发明的技术解决方案如下：
一种色散补偿双面增透膜，其特征在于，膜系结构表达式为A/C/S/C/A，其中，A代表空气，C代表色散补偿增透膜层，S代表基底。
所述的色散补偿增透膜层，由高折射率材料和低折射率材料交替组成，所述的色散补偿增透膜层在保证激光透过传输的同时提供透射群延迟色散，用于补偿基底所引入色散。
所述的色散补偿增透膜层的透射群延迟色散GDD，满足如下条件：
GDD＝-GVD×d/2
式中，GVD为所述基底材料的群速度色散，d为所述基底的厚度。
所述的基底为石英、蓝宝石、CaF2、Ge、Si、BK7或者ZnSe，所述的基底厚度为1-12mm。
所述的高折射率材料和低折射率材料为介质膜层，折射率参数可由柯西公式、Sellmeier公式、Drude公式、Hartmann公式、单波长或非参数模型定义。
所述的高折射率材料为Nb2O5、Ta2O5、HfO2、TiO2、Al2O3、LaF3、ZnS、Ge或Si，所述的低折射率材料为SiO2、YbF3、YF3或MgF2。
所述的优化算法可为Gradual evolution、Needle algorithm、Robustsynthesis、Variable metric、Newton method或Modified DLS。
一种色散补偿双面增透膜的设计方法，其特征在于，
1)根据增透膜层所应用波段选择高折射率材料和低折射率材料；
2)根据增透膜层所使用基底材料和基底厚度，计算基底所引入透射色散值，将计算得到的透射色散取相反数并除以2，进而得到单个色散补偿增透膜层透射色散目标值；
3)根据增透膜层实际所需设计的透射率和波长要求以及计算得到的透射色散目标值，设定透射率、透射色散和波长的目标值，利用膜系优化算法优化增透膜层初始结构，获得满足目标值要求的色散补偿增透膜层膜系结构；
4)将所述的色散补偿增透膜层镀制于基底两侧，得到色散补偿双面增透膜层结构。
本发明色散补偿双面增透膜设计步骤如下：
1)根据色散补偿增透膜层层所应用波段选择合适的高折射率材料和低折射率材料，紫外波段高折射率一般选择HfO2、Al2O3或LaF3，低折射率材料一般选择SiO2、YbF3或MgF2；可见-近红外波段高折射率材料一般选择Nb2O5、Ta2O5、或TiO2，低折射率材料一般选择SiO2；红外波段高折射率材料一般选择Nb2O5、TiO2、Ge或Si，低折射率材料一般选择SiO2、ZnS或YbF3；
2)根据色散补偿增透膜层层所使用基底材料和基底厚度，将基底材料的群速度色散值乘以基底厚度，计算得到基底所引入透射色散值，将计算得到的透射色散取相反数并除以2，进而得到单个色散补偿增透膜层层透射色散目标值；
3)根据增透膜层实际所需设计的透射率和波长要求以及计算得到的透射色散目标值，设定透射率、透射色散和波长的目标值，利用膜系优化算法优化增透膜层初始结构，获得满足目标值要求的色散补偿增透膜层膜系结构；
4)将所述的色散补偿增透膜层镀制于基底两侧，得到色散补偿双面增透膜层结构。
与现有技术相比，本发明技术效果是：
1)本发明色散补偿双面增透膜在保证消除基底前后表面反射的同时，提供相应透射色散用于补偿基底所引入色散，实现零色散双面增透膜结构，无需额外色散补偿元件补偿基底引入色散，保持超短激光脉冲在通过基底后脉冲宽度不变。
2)本发明设计方法可根据基底材料种类、厚度以及色散补偿增透膜层应用波段，灵活选择膜层材料及所引入透射色散值。
附图说明
图1为本发明色散补偿双面增透膜结构示意图。
图2为实施例1应用于1微米附近石英基底色散补偿增透膜膜系结构。
图3为实施例1应用于1微米附近石英基底色散补偿增透膜整体透射率和透射群延迟色散曲线图。
图4为实施例2应用于2.3微米附近ZnSe基底色散补偿增透膜膜系结构。
图5为实施例2应用于2.3微米附近ZnSe基底色散补偿增透膜整体透射率和透射群延迟色散曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。
请参阅图1，图1为本发明色散补偿双面增透膜结构示意图，由下到上包括色散补偿增透膜层、基底和色散补偿增透膜层。所述色散补偿增透膜层结构相同，分别镀制于基底两侧，且由高折射率材料和低折射率材料交替组成。
实施例1所要求色散补偿双面增透膜指标：基底材料为石英，基底厚度为3mm，透射率＞99％，透射群延迟色散～-30fs2，带宽为1030nm±20nm。
设计步骤如下：
1、色散补偿增透膜应用波段为可见-近红外波段，选择高低折射率比更大的Nb2O5和SiO2分别作为高折射率材料和低折射率膜层材料，折射率参数由
Figure BDA0004001232750000041
确定，如表1所示。
A<sub>0</sub> A<sub>1</sub> A<sub>2</sub>
SiO<sub>2</sub> 1.44293 1.1622618E-2 -3.705533E-4
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 2.15786 3.61226445E-2 2.024012E-3
表1 高低折射率材料折射率参数
2、色散补偿增透膜基底材料为石英，厚度为3mm，根据基底材料和厚度，计算基底所引入色散值，通过查询材料折射率数据库，得到石英基底群速度色散约为20fs2/mm@1030nm，因此3mm石英基底引入透射色散为20×3＝600fs2@800nm，对基底引入透射色散值取相反数并除以2，得到色散补偿增透膜透射色散目标值为-30fs2@1030nm。
3、根据色散补偿增透膜指标要求，将色散补偿增透膜透射率和透射色散目标值分别设定为100％、和-30fs2，波长范围为1010-1050nm。设定目标值后，建立综合参数评价函数：
Figure BDA0004001232750000042
其中i＝1…N为线性分割的目标值数目，T(X,λi)、和GDDt(X,λi)分别为透射率和透射群延迟色散实际设计值，T(λi)和GDDt(λi)分别为透射率和透射群延迟色散目标值，ΔTi和ΔGDDti分别为反射率、反射群延迟色散和透射群延迟色散权重。选择Gradualevolution优化算法，并设定膜厚终止条件为11微米，开始膜系优化，通过不断增加膜层厚度和降低评价函数值，透射率和群延迟色散曲线逐渐逼近目标值，达到终止条件后，获得满足目标值要求的色散补偿增透膜层，最终得到色散补偿双面增透膜结构，膜系结构如图2所示，色散补偿双面增透膜整体透射率和透射群延迟色散如图3所示。
实施例2所要求色散补偿双面增透膜指标：基底材料为ZnSe，厚度为2mm，透射率＞99％，透射群延迟色散～200fs2，带宽为2400nm±80nm。
1)根据应用波段和指标要求，选择Ge和YbF3作为高低折射率材料，Ge折射率由无参数模型确定，折射率为4.3@2400nm，YbF3由柯西公式定义，折射率参数如表2所示：
A<sub>0</sub> A<sub>1</sub> A<sub>2</sub>
YbF<sub>3</sub> 1.484489 5.4996E-5 2.6266E-3
2)根据基底材料和厚度，计算基底所引入群延迟色散值为200fs2×2÷2＝200fs2@2400nm，因此啁啾部分反射膜层透射率目标值为200fs2@2400nm。
3)2.3微米附近ZnSe基底色散补偿增透膜膜系结构如图4所示，2.3微米附近ZnSe基底色散补偿增透膜整体透射率和透射群延迟反射率曲线如图5所示。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种色散补偿双面增透膜，其特征在于，膜系结构表达式为A/C/S/C/A，其中，A代表空气，C代表色散补偿增透膜层，S代表基底；所述的色散补偿增透膜层，由高折射率材料和低折射率材料交替组成，所述的色散补偿增透膜层在保证激光透过传输的同时提供透射群延迟色散，用于补偿基底所引入色散。
2.根据权利要求1所述的色散补偿双面增透膜，其特征在于，所述的色散补偿增透膜层的透射群延迟色散GDD，满足如下条件：
GDD＝-GVD×d/2
式中，GVD为所述基底材料的群速度色散，d为所述基底的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的色散补偿双面增透膜，其特征在于，所述的基底为石英、蓝宝石、CaF2、Ge、Si、BK7或者ZnSe，所述的基底厚度为1-12mm。
4.根据权利要求1所述的色散补偿双面增透膜，其特征在于，所述的高折射率材料和低折射率材料为介质膜层，折射率参数可由柯西公式、Sellmeier公式、Drude公式、Hartmann公式、单波长或非参数模型定义。
5.根据权利要求1或4所述的色散补偿双面增透膜，其特征在于，所述的高折射率材料为Nb2O5、Ta2O5、HfO2、TiO2、Al2O3、LaF3、ZnS、Ge或Si，所述的低折射率材料为SiO2、YbF3、YF3或MgF2。
6.一种色散补偿双面增透膜的设计方法，其特征在于，设计步骤如下：
1)根据增透膜层所应用波段选择高折射率材料和低折射率材料；
2)根据增透膜层所使用基底材料和基底厚度，计算基底所引入透射色散值，将计算得到的透射色散取相反数并除以2，进而得到单个色散补偿增透膜层透射色散目标值；
3)根据增透膜层实际所需设计的透射率和波长要求以及计算得到的透射色散目标值，设定透射率、透射色散和波长的目标值，利用膜系优化算法优化增透膜层初始结构，获得满足目标值要求的色散补偿增透膜层膜系结构；
4)将所述的色散补偿增透膜层镀制于基底两侧，得到色散补偿双面增透膜层结构。
7.根据权利要求6所述的色散补偿双面增透膜的设计方法，其特征在于，步骤3)优化算法可为Gradual evolution、Needle algorithm、Robust synthesis、Variable metric、Newton method或Modified DLS。
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