宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法技术

一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法。宽带高阈值组合介质低色散镜的结构为G/M/N/A，其中G代表基底层，M代表宽带介质膜层，N代表高阈值介质膜层，A代表空气层。所述的介质膜系结构由高折射率材料和低折射率材料交替沉积而成。不同的宽带介质膜层材料可实现不同的反射带宽和色散要求，不同的高阈值介质膜层材料可满足不同的阈值、色散要求。本发明专利技术结合宽带高折射率材料反射带宽宽、色散低和高阈值材料抗激光破坏能力强的特点，通过调节膜层厚度，调控膜内电场分布，从而设计满足超快激光系统中用于脉冲传输的宽带高阈值低色散镜。

【技术实现步骤摘要】
宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法
本专利技术涉及超快激光薄膜，特别是一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法。
技术介绍
激光作为二十世纪最伟大的专利技术之一，经过六十多年的发展，已经衍生出了一大批高新技术和学科方向。超强超短激光是激光科学最前沿方向之一，近些年随着小型化超强超短激光器的出现，使研究人员能够在实验室中运用全新的实验手段，模拟出恒星内部、核爆中心以及黑洞边缘出现的极端物理条件。所谓的超短脉冲一般是指飞秒范围内的脉冲，脉冲时域非常窄。由于啁啾效应，超短脉冲通过介质材料时，脉冲会在时域上发生形变。低色散镜是超短脉冲激光系统中最常用的光学元件之一，通过在反射带宽内提供零群延迟色散(Groupdelaydispersion)，保证超短脉冲在经过低色散镜反射后，仅发生传输方向的变化，不会产生额外的色散。但是因为低色散镜的反射带宽、色散和损伤阈值相互影响和制约，所以设计并制备出更宽反射带宽、更高损伤阈值的低色散镜是高功率超短脉冲激光器的一个研究重点。全介质高反膜由高低折射率材料交替沉积而成，高折射率材料(HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、ZrO2等)的折射率和带隙宽度直接影响着低色散镜的反射带宽、色散和阈值。折射率越高，低色散镜的反射带宽越宽，色散越低，但是更高的折射率也意味着材料的带隙越窄。例如HfO2/SiO2组成的规整介质膜的反射带宽大约90nm，HfO2的带隙为5.5ev，而TiO2/SiO2组成的规整介质膜系的反射带宽大约150nm，但是TiO2的带隙只有3.3ev，就这两种低色散镜来说，TiO2/SiO2虽然具有更宽的反射带宽，更低的色散引入，但是由于其带隙较窄，阈值性能不如HfO2/SiO2。所以对于全介质膜系结构，反射带宽及色散和阈值是互为矛盾的变量。此外，规整介质膜的电场峰值一般分布于高低折射率膜层与膜层的交界面处，短脉冲作用下，界面处极易发生损伤。
技术实现思路
本专利技术提出一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构及其设计方法，利用高折射率材料反射带宽宽、色散低和高阈值材料抗激光破坏能力强的特点，通过调整介质膜的厚度调控膜内电场分布，设计宽带范围内的高阈值组合介质低色散镜。不同的宽带介质薄膜材料可以实现不同的反射带宽，不同的高阈值薄膜材料可以实现不同的阈值要求。本专利技术的技术解决方案如下：一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构为G/M/N/A，其中G代表基底层，M代表宽带介质膜层，N代表高阈值介质膜层，A代表空气层。具体由下而上依次是基底材料、宽带介质膜层、高阈值介质膜层和空气层，所述的宽带介质膜层由低折射率介质材料和宽带高折射率介质材料交替沉积而成，所述的的高阈值介质膜层由低折射率介质材料和高阈值高折射率介质材料交替沉积而成，所述的宽带高折射率介质材料带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料的带隙。所述的低折射率介质材料的折射率小于宽带高折射率介质材料的折射率，且小于高阈值高折射率介质材料的折射率。所述的低折射率介质材料为SiO2、Al2O3或MgF2。所述的基底层材料为石英玻璃、K9(BK7)或CaF2。所述的宽带高折射率介质材料为TiO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Nb2O5、硫化物或Si，高阈值高折射率介质材料为TiO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Nb2O5、硫化物或Si，且所述的宽带高折射率介质材料(H)带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料(M)的带隙。一种宽带高阈值组合介质低色散镜的设计方法，其特点在于该设计方法包括以下步骤：1)根据所需设计低色散镜的反射带宽和反射率选择合适的宽带介质膜层材料和周期数。宽带介质膜高低折射率材料的折射率比值范围1～3，折射率的比值越大，设计的低色散镜反射带宽越宽。宽带介质膜层周期数需大于10，周期数越大，反射带宽范围内的反射率越高。2)根据所需设计低色散镜的阈值要求、色散和反射带宽选择合适的宽带隙高阈值介质膜层材料和周期数。高阈值介质膜高低折射率材料的折射率比值范围1～2，折射率的比值越小，设计的低色散镜的阈值越高，但是色散越大。高阈值介质膜层周期数不大于10，周期数越大，阈值越高，色散越大。3)从低色散镜的最外层(靠近空气层)开始，线性减小高阈值高折射率介质膜层的厚度，线性增加高阈值低折射率介质膜层的厚度，获得电场变化及色散和反射光谱随着高阈值介质膜层厚度的变化规律，在此基础上，使色散和反射率达到设计目标的同时，将表层电场峰值转移至低折射率材料中。4)得到最终满足设计需求的宽带高阈值组合介质低色散镜膜系结构。本专利技术的有益技术效果为：不同的宽带介质膜层材料可实现不同的反射带宽和色散要求，不同的高阈值介质膜层材料可满足不同的阈值、色散要求。本专利技术结合宽带高折射率材料反射带宽宽、色散低和高阈值材料抗激光破坏能力强的特点，通过调节膜层厚度，调控膜内电场分布，从而设计满足超快激光系统中用于脉冲传输的宽带高阈值低色散镜。解决了现有技术中全介质低色散镜带宽不宽，阈值过低的问题。附图说明图1为本专利技术一种宽带高阈值组合介质低色散镜结构示意图。图中：1-基底层、2-宽带介质膜层、3-高阈值介质膜层、4-空气层图2为实施例三种膜系结构反射带宽对比图。图3为实施例替换膜层材料后的电场分布和膜系结构。图4为实施例调整膜层厚度后的群延迟色散曲线和反射光谱。图5为实施例调整膜层厚度后的电场分布和膜层结构。具体实施方式下面结合附图对本专利技术具体实例进行详细说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。图1为本专利技术宽带高阈值组合介质低色散镜结构示意图，如图所示，一种宽带高阈值组合介质低色散镜，由下而上依次是基底材料1、宽带介质膜层2、高阈值介质膜层3、空气层4。所述的宽带介质膜层2由低折射率介质材料L和宽带高折射率介质材料H交替沉积而成，所述的的高阈值介质膜层3由低折射率介质材料L和高阈值高折射率介质材料M交替沉积而成，所述的宽带高折射率介质材料H带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料M的带隙。在材料选择方面，基底层材料可以为石英玻璃、K9(BK7)或CaF2。宽带高折射率材料可以为TiO2，Ta2O5，ZrO2，HfO2，Nb2O5，氟化物，硫化物，Si中的任意一种。宽带低折射率材料可以为SiO2，Al2O3，MgF2中的任意一种。高阈值高折射率材料可以为TiO2，Ta2O5，ZrO2，HfO2，Nb2O5，Al2O3，氟化物，硫化物，Si中的任意一种，所选高阈值高折射率材料的带隙须大于宽带高折射率材料的带隙。高阈值低折射率材料可以为SiO2，Al2O3，MgF2中的任意一种。实施例一所要求低色散镜设计指标为：850-950nm范围内，入射角5°，p光，群延迟色散小于±30fs2，反射率＞99.95％。设计步骤如下：1、基底材料选择石英玻璃JGS1。根据反射带宽的要求，反射带宽较宽，所以选择TiO2和SiO2作为宽带介质膜的高低折射率材料，初始结构为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于：由下而上依次是基底材料(1)、宽带介质膜层(2)、高阈值介质膜层(3)和空气层(4)，所述的宽带介质膜层(2)由低折射率介质材料(L)和宽带高折射率介质材料(H)交替沉积而成，所述的的高阈值介质膜层(3)由低折射率介质材料(L)和高阈值高折射率介质材料(M)交替沉积而成，所述的宽带高折射率介质材料(H)带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料(M)的带隙。/n

【技术特征摘要】
1.一种宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于：由下而上依次是基底材料(1)、宽带介质膜层(2)、高阈值介质膜层(3)和空气层(4)，所述的宽带介质膜层(2)由低折射率介质材料(L)和宽带高折射率介质材料(H)交替沉积而成，所述的的高阈值介质膜层(3)由低折射率介质材料(L)和高阈值高折射率介质材料(M)交替沉积而成，所述的宽带高折射率介质材料(H)带隙小于所述的高阈值高折射率介质材料(M)的带隙。


2.根据权利要求1所述的宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于：所述的低折射率介质材料(L)的折射率小于宽带高折射率介质材料(H)的折射率，且小于高阈值高折射率介质材料(M)的折射率。


3.根据权利要求1或2所述的宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于：所述的低折射率介质材料(L)为SiO2、Al2O3或MgF2。


4.根据权利要求1或2所述的宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于：所述的基底层材料为石英玻璃、K9(BK7)或CaF2。


5.根据权利要求1或2所述的宽带高阈值组合介质低色散镜，其特征在于，所述的宽带高折射率介质材料(H)为TiO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Nb2O5、氟化物、硫化物或Si，高阈值高折射率...

【专利技术属性】
技术研发人员：王胭脂，张宇晖，陈瑞溢，郭可升，王志皓，朱美萍，张伟丽，王建国，孙建，赵娇玲，朱晔新，晋云霞，易葵，邵建达，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31