一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜，在透明基底上交替镀制具有高、低折射率的两种介质材料，其初始膜系结构由基频波长1/4光学厚度小于和大于10％的两组规整膜系叠加组成；透明基底的背表面镀制减反射薄膜。本发明专利技术提供的制备方法为，首先通过具有高、低折射率的两种介电材料单层膜分别拟合出膜料的折射率、折射率的非均质性以及消光系数；其次选择光学厚度小于和大于基频波长1/4光学厚度的两组规整膜系的叠加作为倍频分束镜的初始结构；获得符合目标光谱的最优结构；在透明基底上交替镀制以上两种膜料，在基底的背表面镀制减反射薄膜。本发明专利技术在倍频高透射光谱区域对厚度失配和非均质性均不敏感，能够满足高功率倍频激光系统的需求。率倍频激光系统的需求。率倍频激光系统的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜及其制备方法


[0001]本专利技术属于光学
，具体涉及一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜及其制备方法。

技术介绍

[0002]激光倍频技术是获得高功率、短波长激光的重要途径。基频激光经过倍频晶体后，需要将输出的基频与倍频谐波分离，因而基频光高反射、倍频光高透射的高激光损伤阈值倍频分束镜成为倍频激光系统中的关键元件之一。倍频分束镜的多层膜厚度通常基于规整结构设计，例如(L/2H L/2)S、(H/2L H/2)S、(H L)SH、(H L)S(S为周期数)等，其中H，L分别表示光学厚度为1/4倍参考波长的高、低折射率膜层，参考波长为1064nm(基频激光对应的波长)。然而基于上述规整的多层膜结构所制备的倍频分束镜，其透射率光谱在中心波长(基频)一半处(倍频)的通带区域内往往会出现一个明显的跌落，即半波孔。半波孔问题严重的影响了倍频分束镜的光谱性能。
[0003]倍频分束镜的半波孔问题本质可以归结为类1/4规整膜系的光学厚度失谐在半波处的积累，从而导致半波处体系的等效导纳不匹配。目前普遍认为引起这种失谐的因素包括膜料色散不匹配、敏感层厚度的随机误差、膜层厚度的整体失配、膜料相互扩散以及膜层折射率沿厚度方向的非均质性等，其中厚度失配和非均质性是引起倍频分束镜半波孔问题的主要诱因。膜层厚度的整体失配可以通过不断调整镀膜设备的工具因子(Tooling)而逐步校正；膜层折射率的非均质性是由电子束蒸发镀膜的工艺决定的，虽然通过调整工艺参数可以降低膜层的非均质性，但有时具有非均质性的薄膜可能具有某些性能的优势，如低损耗、低应力、高激光损伤阈值等。由于传统的膜系确定方法主要基于折射率沿厚度方向均匀分布的薄膜，因此，折射率的非均质性往往成为制约倍频分束镜光学性能的瓶颈。
[0004]此外，电子束蒸发方法制备的HfO2/SiO2多层膜具有很高的抗激光损伤阈值，在全固态强激光系统的薄膜元件中得到广泛的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题在于，提供一种在倍频高透射光谱区域对厚度失配和非均质性均不敏感的倍频分束镜的制备方法及由该方法制备的产品，能够满足高功率倍频激光系统的需求。
[0006]本专利技术提供的一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜技术方案：在透明基底上交替镀制具有高、低折射率的两种介质材料，其初始膜系结构由光学厚度小于和大于基频波长1/4光学厚度的两组规整膜系叠加组成；透明基底的背表面镀制减反射薄膜。
[0007]进一步地，所述两组规整膜系的光学厚度为在基频波长1/4光学厚度的基础上偏置
±
10％。
[0008]进一步地，透明基底为K9或融石英玻璃基底；高折射率介电材料为HfO2，低折射率介电材料为SiO2。
[0009]本专利技术还提供了一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜的制备方法，包括如下步骤：
[0010]步骤一，在一片透明基底上镀制高折射率介电材料的单层膜，在另一片透明基底上镀制低折射率介电材料的单层膜，制备的两种单层膜的光学厚度为基频激光波长的1/4倍；
[0011]步骤二，分别通过步骤一中透明基底上高、低折射率单层膜的透射率光谱，采用全光谱拟合法分别获得这两种膜料的折射率、折射率的非均质性和消光系数；
[0012]步骤三，整体膜系由光学厚度相对于基频激光波长的1/4光学厚度偏小和偏大的两组膜系堆叠而成，以获得在倍频高透射光谱区域对半波孔问题不敏感的倍频分束镜的初始结构；
[0013]步骤四，将步骤二中拟合得到的两种膜料的折射率、折射率的非均质性和消光系数均作为已知参数，以膜层厚度作为优化变量，基于步骤三所设计的初始膜系的光谱向目标光谱优化，以获得符合实际膜料非均质性并且对半波孔问题不敏感的最终结构；
[0014]目标光谱为具有高反射率的基频激光
±
10nm波长范围，以及具有高透射率倍频激光
±
10nm波长范围；
[0015]步骤五，随后使用与制备步骤一中单层膜相同的工艺，根据步骤四中的最终结构在透明基底的前表面交替镀制两种膜料以形成多层膜，制得高激光损伤阈值倍频分束镜主膜系；
[0016]步骤六，最后在透明基底的背表面镀制倍频波段的减反射薄膜。
[0017]进一步地，步骤一中的透明基底是K9或融石英玻璃基底；高折射率介电材料为HfO2，低折射率介电材料为SiO2；采用电子束蒸发方式在透明基底镀制。
[0018]进一步地，在镀膜前分别使用酒精和乙醚对透明基底进行超声清洗，然后放在去离子水中超声清洗，清洗后将透明基底高速旋转甩干。
[0019]进一步地，步骤三中，1/4规整膜系的结构是(H L)N或(L/2H L/2)N，其中H和L分别表示λ0/4光学厚度的高、低折射率膜层，λ0为参考波长，N为正整数，其取值根据基频的反射率要求而定；对初始膜系的优化方法采用单纯形法或共轭梯度法；在初始膜系的基础上，对于靠近基底和靠近空气的3
‑
6层薄膜厚度，设置相对于其它薄膜两倍的优化权重。
[0020]进一步地，步骤三中，在优化过程中，当评价函数F满足条件：
[0021][0022]时，优化终止，此时膜系物理厚度矢量为最优解；
[0023]式中R为膜系反射率，为目标光谱；λ表示波长，[λ
a
,λ
b
]为参与优化的波长区间，ω
λ
＞0是对波长所取的权重；ε为预先给定的精度；P≥1是评价函数的阶数。
[0024]进一步地，P＝2；ε＝0.001。
[0025]进一步地，所述的步骤一、步骤五和步骤六镀膜过程中，真空度为3
×ꢀ
10
‑4Pa～5
×
10
‑4Pa，薄膜沉积温度为100℃～230℃；镀HfO2薄膜的工作气压为1.0
ꢀ×
10
‑2Pa～3.0
×
10
‑2Pa，沉积速率为镀SiO2薄膜的工作气压为3.0
×
10
‑3Pa～5.0
×
10
‑3Pa，沉积速率为采用离子束辅助沉积；膜层厚度的监控通过光学干涉法或石英晶振法实现。
[0026]本专利技术的有益效果：
[0027]1、克服了倍频分束镜的半波孔问题。实际制备的“偏移光学厚度”的倍频分束镜，单面镀膜后，532nm处正入射透射率为95.66％，1064nm处正入射透射率为0.22％，1064nm处7
°
反射率为99.63％，倍频透射带的光谱无明显跌落。
[0028]2、采用了非对称的初始膜系结构。偏移光学厚度的初始结构使元件倍频处光谱回避了规整膜系的半波敏感区域，因而容易实现目标光谱的要求，有效的促进了制备结果的稳定。
[0029]3、膜系结构优化方法更加有效。在膜堆的优化过程中始终将膜层折射率的非均质性作为已知参量，因而更符合电子束蒸发镀膜的工艺特点，尤其适用于折射率具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜，其特征在于，在透明基底上交替镀制具有高、低折射率的两种介质材料，其初始膜系结构由光学厚度小于和大于基频波长1/4光学厚度的两组规整膜系叠加组成；透明基底的背表面镀制减反射薄膜。2.根据权利要求1所述的一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜，其特征在于，所述两组规整膜系的光学厚度为在基频波长1/4光学厚度的基础上偏置
±
10％。3.根据权利要求1所述的一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜，其特征在于，透明基底为K9或融石英玻璃基底；高折射率介电材料为HfO2，低折射率介电材料为SiO2。4.一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，在一片透明基底上镀制高折射率介电材料的单层膜，在另一片透明基底上镀制低折射率介电材料的单层膜，制备的两种单层膜的光学厚度为基频激光波长的1/4倍；步骤二，分别通过步骤一中透明基底上高、低折射率单层膜的透射率光谱，采用全光谱拟合法分别获得这两种膜料的折射率、折射率的非均质性和消光系数；步骤三，整体膜系由光学厚度相对于基频激光波长的1/4光学厚度偏小和偏大的两组膜系堆叠而成，以获得在倍频高透射光谱区域对半波孔问题不敏感的倍频分束镜的初始结构；步骤四，将步骤二中拟合得到的两种膜料的折射率、折射率的非均质性和消光系数均作为已知参数，以膜层厚度作为优化变量，基于步骤三所设计的初始膜系的光谱向目标光谱优化，以获得符合实际膜料非均质性并且对半波孔问题不敏感的最终结构；目标光谱为具有高反射率的基频激光
±
10nm波长范围，以及具有高透射率倍频激光
±
10nm波长范围；步骤五，随后使用与制备步骤一中单层膜相同的工艺，根据步骤四中的最终结构在透明基底的前表面交替镀制两种膜料以形成多层膜，制得高激光损伤阈值倍频分束镜主膜系；步骤六，最后在透明基底的背表面镀制倍频波段的减反射薄膜。5.根据权利要求1所述的一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜的制备方法，其特征在于，步骤一中的透明基底是K9或融石英玻璃基底；高折射率介电材料为HfO2，低折射率介电材料为SiO2；采用电子束蒸发方式在透明基底镀制。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩金，
申请(专利权)人：中国航天科工飞航技术研究院中国航天海鹰机电技术研究院，
类型：发明
国别省市：