紫外宽带高反射色散镜设计方法技术

紫外宽带高反射色散镜结构，由下到上依次为基底层、紫外高反射金属层、类Gires

【技术实现步骤摘要】
紫外宽带高反射色散镜设计方法


[0001]本专利技术属于超快激光薄膜领域，尤其涉及到紫外超快激光器中的紫外宽带高反射色散镜，是一种用于紫外超快激光系统色散调控的光学元件。

技术介绍

[0002]近几十年来，飞秒激光作为研究原子分子尺度微观现象的重要手段，在时间分辨光谱技术、超宽带光通信和微纳米制造等方面展现出巨大的应用潜力。飞秒量级超短脉冲产生的一个基本限制是由材料色散和系统中其他非线性效应引起的脉冲展宽现象，进而导致脉冲峰值能量降低，光束质量下降，需要通过激光器外部对整个系统的色散进行调控和补偿，这对于稳定输出高质量超快脉冲激光意义重大。常用的色散补偿元件有棱镜，光栅和色散镜。其中，棱镜和光栅容易引入高阶色散，且这类元件在矫正色散时对角度精度的要求较高，不方便调谐。与其相比，色散镜能够在超宽或超窄的带宽内以极低的损耗提供能在大范围内调控的色散。色散镜作为色散调控元件的系统能被压缩的更紧凑，方便集成。近年来，色散镜的膜系设计软件不断优化，制备工艺发展逐渐成熟。目前，色散镜最高可以提供15000fs2的色散，在带宽上可以达到一个倍频，对系统进行色散补偿。
[0003]随着激光脉宽的进一步压缩，激光器中心波长向紫外波段移动。目前已有报道的紫外激光器的种类主要有固态紫外激光器，气体紫外激光器，气体紫外激光器中以准分子激光器为主。紫外激光器在激光加工方面有明显优势:短波长能加工尺寸更小的部件；加工时直接破坏材料的化学键,对材料“冷”处理具有很小的热影响区；并且大多数材料能有效吸收紫外光,可以加工红外，可见光激光器加工不了的材料。紫外激光器还具有结构紧凑、平均功率高、易维护、操作简便、成本低、生产率高的优点，在生物工程、材料制备、全光光学器件制作、集成电路板及半导体工业等激光加工领域有广泛应用。
[0004]紫外激光器稳定工作同样需要进行对其进行色散补偿。本专利技术的目的就是设计与当前紫外激光器匹配的低色散高反射宽带色散镜，这对提高紫外激光器输出的光束质量有重要意义。
[0005]本专利技术与同样使用金属和介质作为膜系材料的红外宽带色散镜相比，在初始设计上使用以(a
p
<1)(b
q
>1)为通式的类Gires
‑
Tournois腔和以(a
j
<a
k
)为通式的啁啾色散层，替代了原来的以普通的HL层作为基本膜系结构的常规设计，在初始设计时人为大幅提高低折射率层厚度在整个膜系结构中的占比，宏观上降低膜层的吸收。在优化过程中选取高LH层厚度比的低吸收膜层结构来替代能提供同等色散补偿和同等反射率的常规随机优化设计，使电场峰值存在于低折射率低吸收膜层，进一步降低膜系吸收，同时提升薄膜阈值。在初始设计和优化设计中都始终保持低吸收低折射率材料膜层在膜层厚度占比中起到主导地位(a
p
<1)(b
q
>1)(a
j
<a
k
)，整体降低了膜系结构的总吸收系数。这种以低折射率低吸收材料为主的多层介质膜层的设计与紫外高反射特征金属膜层结合时能更加凸显出紫外高反射特征金属的优良反射性能，克服普通膜系在
紫外吸收严重，反射率低的缺点。

技术实现思路

[0006]本专利技术通过在初始结构设计时增加低折射率低吸收层厚度减少高折射率高吸收层厚度，使用以为通式的类Gires
‑
Tournois腔和以(a
j
<a
k
)为通式的啁啾色散层，替代了原来的以普通的HL层作为基本膜系结构的常规设计。构造类Gires
‑
Tournois腔结构和啁啾色散膜层。在优化过程中始终保持保持低吸收低折射率材料膜层在膜层厚度占比中起到主导地位(a
j
<a
k
)。通过调节周期数以及腔厚度，增加L层与H层厚度的比值，将电场峰值设计在L层及低吸收材料层内，降低膜系结构对紫外光的吸收。对初始结构的参数进行合理调整，设计不同色散量、反射率以及带宽的紫外宽带高反射色散镜。相比于传统的腔外色散补偿方式，采用本专利技术的紫外超快激光系统能拥有更紧凑的结构。
[0007]本专利技术解决的技术方案如下：
[0008]一方面，本专利技术提供一种紫外宽带高反射色散镜结构，其特点在于，由下到上依次为基底层、紫外高反射金属层、类Gires
‑
Tournois腔、啁啾色散层、表面增透层；该色散镜结构的基本表达式为：
[0009][0010]S代表基底，C代表紫外高反射金属材料膜层，G代表类Gires
‑
Tournois腔，其结构通式为：其中和为腔壁，n
x
取值在1
‑
20之间，和n
y
取值在1
‑
10之间，a
p
和b
q
为腔体系数，a
p
的取值范围为0
‑
1之间，b
q
的取值范围为1
‑
3之间，m
z
是腔体厚度系数，取值在1
‑
5之间；是啁啾色散层的结构通式，特别地，强调要求a
j
<a
k
,两者取值范围为0
‑
3之间的数，m
g
取值范围在1
‑
8之间；是表面增透层，n4的取值范围是1
‑
5之间。代表表面增透层，A代表空气，H和L分别代表光学厚度为的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层。
[0011]通过调整n
x
和n
y
的值，可以调整腔两端作为腔壁的反射层的厚度,n
x
取值在1
‑
20之间，和n
y
取值在1
‑
10之间。a
p
和b
q
为腔体系数，a
p
的取值范围为0
‑
1之间，b
q
的取值范围为1
‑
3之间。m
z
取值在1
‑
5之间，控制腔体长度；这些参数共同决定类Gires
‑
Tournois腔结构的性能，从多个角度控制腔结构反射和对色散的补偿能力，也使得类Gires
‑
Tournois腔结构在优化和调整时具有更好的指向性和良好的可塑性。
[0012]是啁啾色散补偿层的通式，(a
j
<a
k
),a
j
和a
k
两者取值范围为0
‑
3之间。规定L层的厚度系数大于H层的厚度系数，通过提高低吸收材料的厚度，降低高吸收材料厚度。合理选择H层和L层的厚度比，通过设计将电场的峰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.紫外宽带高反射色散镜结构，其特征在于，由下到上依次为基底、紫外高反射金属层、类Gires
‑
Tournois腔、啁啾色散层、表面增透层；该色散镜结构的表达式为：式中，S代表基底，C代表紫外高反射金属层，G代表类Gires
‑
Toumois腔结构，代表啁啾色散层，其中，a
j
＜a
k
，a
j
和a
k
为色散调控系数，m
g
，v为啁啾系数控制啁啾色散层的周期数，代表表面增透层，n4控制增透层的厚度，A代表空气，H和L分别代表光学厚度为的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层，且低折射率材料膜层L的厚度系数大于高折射率材料膜层H层的厚度系数。2.如权利要求1所述的紫外宽带高反射色散镜结构，其特征在于，所述的类Gires
‑
Tournois腔的结构通式为：其中，和为腔壁，n
x
为腔壁厚度系数，取值在1
‑
20之间，n
y
为腔壁厚度系数，取值在1
‑
10之间，通过调整n
x
和n
y
的大小，从而改变腔壁的厚度；(a
p
HL)和(Hb
q L)为腔体，a
p
和b
q
为腔体系数，a
p
的取值范围为0
‑
1之间，b
q
的取值范围为1
‑
3之间，mz是腔体厚度系数，取值在1
‑
5之间。3.如权利要求1所述的紫外宽带高反射色散镜结构，其特征在于，所述的啁啾色散层的结构通式为：a
j
＜a
k
且取值范围为0
‑
3之间，m
g
取值范围在1
‑
8之间，通过降低H层和L层的厚度比，将电场的峰值引入低折射率层，使几乎所有的电场峰值存在于低吸收低折射率材料膜层内，从而降低膜层的总吸收，提升阈值。4.如权利要求3所述的紫外宽带高反射色散镜结构，其特征在于，所述低折射率材料为SiO2，MgF2，YF3，AlF3或LaF3。5.如权利要求3所述的紫外宽带高反射色散镜结构，其特征在于，所述高折射率材料为ZrO2、Al2O3或HfO2。6.如权利要求1所述的紫外宽带高反射色散镜结构，其特征在于，n4的取值范围是1
‑
5之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：王胭脂，柳畅，张宇晖，王志皓，陈昌，冯宇康，陈宇，陆叶盛，易葵，贺洪波，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：