[發(fā)明專(zhuān)利]寬帶高閾值組合介質(zhì)低色散鏡結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010031855.6
• 申請(qǐng)日: 2020-01-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111208591B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王胭脂;張宇暉;陳瑞溢;郭可升;王志皓;朱美萍;張偉麗;王建國(guó);孫建;趙嬌玲;朱曄新;晉云霞;易葵;邵建達(dá)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G02B5/08
• 分類(lèi)號(hào): G02B5/08
• 代理公司: 上海恒慧知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種寬帶高閾值組合介質(zhì)低色散鏡結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。寬帶高閾值組合介質(zhì)低色散鏡的結(jié)構(gòu)為G/M/N/A，其中G代表基底層，M代表寬帶介質(zhì)膜層，N代表高閾值介質(zhì)膜層，A代表空氣層。所述的介質(zhì)膜系結(jié)構(gòu)由高折射率材料和低折射率材料交替沉積而成。不同的寬帶介質(zhì)膜層材料可實(shí)現(xiàn)不同的反射帶寬和色散要求，不同的高閾值介質(zhì)膜層材料可滿足不同的閾值、色散要求。本發(fā)明結(jié)合寬帶高折射率材料反射帶寬寬、色散低和高閾值材料抗激光破壞能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)膜層厚度，調(diào)控膜內(nèi)電場(chǎng)分布，從而設(shè)計(jì)滿足超快激光系統(tǒng)中用于脈沖傳輸?shù)膶拵Ц唛撝档蜕㈢R。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超快激光薄膜，特別是一種寬帶高閾值組合介質(zhì)低色散鏡結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

激光作為二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，經(jīng)過(guò)六十多年的發(fā)展，已經(jīng)衍生出了一大批高新技術(shù)和學(xué)科方向。超強(qiáng)超短激光是激光科學(xué)最前沿方向之一，近些年隨著小型化超強(qiáng)超短激光器的出現(xiàn)，使研究人員能夠在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用全新的實(shí)驗(yàn)手段，模擬出恒星內(nèi)部、核爆中心以及黑洞邊緣出現(xiàn)的極端物理?xiàng)l件。所謂的超短脈沖一般是指飛秒范圍內(nèi)的脈沖，脈沖時(shí)域非常窄。由于啁啾效應(yīng)，超短脈沖通過(guò)介質(zhì)材料時(shí)，脈沖會(huì)在時(shí)域上發(fā)生形變。低色散鏡是超短脈沖激光系統(tǒng)中最常用的光學(xué)元件之一，通過(guò)在反射帶寬內(nèi)提供零群延遲色散(Group delay dispersion)，保證超短脈沖在經(jīng)過(guò)低色散鏡反射后，僅發(fā)生傳輸方向的變化，不會(huì)產(chǎn)生額外的色散。但是因?yàn)榈蜕㈢R的反射帶寬、色散和損傷閾值相互影響和制約，所以設(shè)計(jì)并制備出更寬反射帶寬、更高損傷閾值的低色散鏡是高功率超短脈沖激光器的一個(gè)研究重點(diǎn)。

全介質(zhì)高反膜由高低折射率材料交替沉積而成，高折射率材料(HfO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂、ZrO₂等)的折射率和帶隙寬度直接影響著低色散鏡的反射帶寬、色散和閾值。折射率越高，低色散鏡的反射帶寬越寬，色散越低，但是更高的折射率也意味著材料的帶隙越窄。例如HfO₂/SiO₂組成的規(guī)整介質(zhì)膜的反射帶寬大約90nm，HfO₂的帶隙為5.5ev，而TiO₂/SiO₂組成的規(guī)整介質(zhì)膜系的反射帶寬大約150nm，但是TiO₂的帶隙只有3.3ev，就這兩種低色散鏡來(lái)說(shuō)，TiO₂/SiO₂雖然具有更寬的反射帶寬，更低的色散引入，但是由于其帶隙較窄，閾值性能不如HfO₂/SiO₂。所以對(duì)于全介質(zhì)膜系結(jié)構(gòu)，反射帶寬及色散和閾值是互為矛盾的變量。此外，規(guī)整介質(zhì)膜的電場(chǎng)峰值一般分布于高低折射率膜層與膜層的交界面處，短脈沖作用下，界面處極易發(fā)生損傷。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種寬帶高閾值組合介質(zhì)低色散鏡結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，利用高折射率材料反射帶寬寬、色散低和高閾值材料抗激光破壞能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整介質(zhì)膜的厚度調(diào)控膜內(nèi)電場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)寬帶范圍內(nèi)的高閾值組合介質(zhì)低色散鏡。不同的寬帶介質(zhì)薄膜材料可以實(shí)現(xiàn)不同的反射帶寬，不同的高閾值薄膜材料可以實(shí)現(xiàn)不同的閾值要求。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種寬帶高閾值組合介質(zhì)低色散鏡結(jié)構(gòu)為G/M/N/A，其中G代表基底層，M代表寬帶介質(zhì)膜層，N代表高閾值介質(zhì)膜層，A代表空氣層。具體由下而上依次是基底材料、寬帶介質(zhì)膜層、高閾值介質(zhì)膜層和空氣層，所述的寬帶介質(zhì)膜層由低折射率介質(zhì)材料和寬帶高折射率介質(zhì)材料交替沉積而成，所述的的高閾值介質(zhì)膜層由低折射率介質(zhì)材料和高閾值高折射率介質(zhì)材料交替沉積而成，所述的寬帶高折射率介質(zhì)材料帶隙小于所述的高閾值高折射率介質(zhì)材料的帶隙。

所述的低折射率介質(zhì)材料的折射率小于寬帶高折射率介質(zhì)材料的折射率，且小于高閾值高折射率介質(zhì)材料的折射率。

所述的低折射率介質(zhì)材料為SiO₂、Al₂O₃或MgF₂。