多层介质薄膜的陡边设计与研究
2018-09-26郑吉林齐红基阮双琛王胭脂赵娇玲
章 瑛，郑吉林，齐红基，阮双琛，王胭脂，赵娇玲
1)深圳大学光电工程学院，广东深圳 518060；2)中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
在高功率激光系统中，空间滤波器是非常重要的器件，具有滤除傅里叶频谱中的高频分量，有效改善光束质量等作用[1-3]. 针孔滤波器焦平面处光强≫1012W/cm2，容易诱发等离子体，产生等离子体堵孔等现象[4-5]. 聚焦光束照射针孔时，材料容易出现热致损坏；针孔板作为硬边光阑，容易形成低频衍射环，降低光强分布的均匀度.透镜焦距长，所占空间较大，不利于系统紧凑化.典型高功率激光装置中的针孔滤波器是庞然大物，焦距尺寸为 9 000～16 000 mm，通光孔径为 300～400 mm[6-8]. 为解决针孔滤波器由于聚焦引起的等离子体堵孔效应，实现对高功率激光的空间低通滤波，并同时保持针孔滤波器的低通滤波效果，2011年ERLANDSON[9]首次提出采用柱面透镜实现腔内激光器的空间低通滤波.该方法采用柱面透镜空间低通滤波技术改善单个激光器的激光性能，但并没有对柱面透镜的空间低通滤波原理及滤波性能进行分析.近年，针对具有相同功能非聚焦型滤波器已有一些研究[10-14]. 滤光片组合器件是非聚焦型滤波器件的类型之一[15-16]， 为达到空间滤波的目的，滤光片组合器件的元件必须具有对角度高反和高透的特性，因为滤波是通过反射元件边缘在高反和高透之间快速切换来实现的.多层介质膜的反射带边缘具有高反、高透特性，以及角度敏感性，所以多层介质膜反射元件已成为组合滤波器件中最有潜力的元件之一.
本研究对多层介质膜反射薄膜元件的陡边进行设计，分别比较了高级次新型反射膜、带通滤光片薄膜和长波通新型反射膜的多种设计思想和结果. 结果表明，高级次新型反射膜和长波通新型反射膜具有比较优势.
1 三种薄膜的陡边设计及分析
高功率激光系统中一般采用1 053 nm和 1 064 nm两种中心波长，这里针对1 053 nm进行设计，若在1°范围内可实现95%的高反及95%高透射转化，其介质膜目标函数为
1)光谱分辨率：反射率R≥95%@1 053 nm，且透射率T≥95%@1 056 nm或T≥95%@1 050 nm；
2)角分辨率：当以θ入射时，对于θ+1°≥θ≥θ-1°，R≥95%， 且θ≥θ+1°或θ≤θ-1°时，T≥95%@1 053 nm；
3)因为同样层数和厚度的薄膜，S光比P光的反射率更高，带宽也更宽，设计针对S光.
1.1 高级次新型反射薄膜
图1 高级次新型反射膜光谱比较Fig.1 (Color online) The spectra of high level new reflective thin films
图2 高级次新型反射膜1 053 nm高反电场比较Fig.2 (Color online) The reflectance electric field distribution of high level new reflectance thin films at 1 053 nm
图3 高级次新型反射膜1 053 nm高透电场比较Fig.3 (Color online) The transmittance electric field distribution of high level new reflectance thin films at 1 053 nm
综合看这3种材料，高折射率材料的折射率越大，其构成薄膜的厚度就越薄，越易于制备，从95%高反到95%高透角度变化范围1°，A1、 A2及A3的厚度分别为21.5 μm、22.5 μm及37.7 μm，薄膜的电场强度都在6左右，如表1.
膜系分别为
3.187 1H3.554 3L3.258 9H2.331 3L(3H3L)^20 2.506 9H 2.207L；
3.160 8H3.596 0L3.299 3H2.227 5L(3H3L)^20 2.443 5H2.242 6L；
3.025 2H3.112 9L3.026 8H2.538 4L(3H3L)^20 2.489 3H2.074 6L.
表1 A1、A2和A3的厚度、透反射电场比较
1.2 F-P带通滤光片薄膜
由高折射率材料Nb2O5(n=2.20@1 053 nm)、Ta2O5(n=2.04@1 053 nm)、Al2O3(n=1.61@1 053 nm)和低折射率材料SiO2(n=1.45@1 053 nm)所构成的F-P滤光片薄膜分别简称为B1、 B2和B3，从95%高反到95%高透角度变化范围1°，B1、 B2和B3的厚度分别为5.5 μm、7.0 μm和17.0 μm，综合看这3种材料，所构成薄膜的厚度均较薄， B1和B2的厚度都小于10 μm，易于制备.
膜系分别为
(HL)^3 H2L (HL)^3 HL (HL)^3 H2L (HL)^3 H；
(HL)^4 H2L(HL)^4 HL(HL)^4 H2L(HL)^4 H；
(HL)^10 H2L(HL)^10 HL(HL)^10 H2L(HL)^10 H.
图4 F-P滤光片光谱比较Fig.4 The spectra of F-P band pass filters
F-P滤光片的光谱比较如图4. 可见，在95%高反到95%高透角度变化范围为1°时，折射率越大的材料带宽更宽. 表2比较了B1、 B2和B3的厚度、透射和反射电场.在中心波长1 053 nm处的高反射电场强度的极大值，最高为B1(约为14)， 其次是B2(约为10)， 最小为B3(约为4)，如图5.而在1 053 nm处的高透射电场强度的极大值也呈现相同趋势，但透射电场强度是反射电场的2～3倍，如图6，故在强激光系统应用中更容易损坏.
表2 B1、B2和B3的厚度、透射和反射电场比较Table 2 The comparison of thickness, the transmittance and reflectance electric fields for B1, B2 and B3
图5 F-P滤光片1 053 nm高反射电场比较Fig.5 (Color online) The reflectance electric field distribution of F-P band pass filters at 1 053 nm
图6 F-P滤光片1 053 nm高透射电场比较Fig.6 (Color online) The transmittance electric field distribution of F-P band pass filters at 1 053 nm
与高级次新型反射膜不同的是，反射电场和透射电场的极大值都分布在膜层表面，但在1 053 nm高反射时的电场强度是高级次新型反射膜的2倍；在1 053 nm透射时，电场强度是高级次新型反射膜的5～6倍.因此F-P带通滤光片薄膜的抗激光损伤能力比高级次新型反射膜低.
1.3 长波通新型反射薄膜
由高折射率材料Nb2O5(n=2.20@1 053 nm)、Ta2O5(n=2.04@1 053 nm)、Al2O3(n=1.61@1 053 nm)和低折射率材料SiO2(n=1.45)所构成的长波通新型反射薄膜分别简称为C1、 C2和C3，其光谱图如图7，从95%高反到95%高透角度变化范围1°，C1、 C2及C3的厚度分别为10.6 μm、13.2 μm及12.0 μm.
其膜系分别为
1.139 3H1.234 4L1.139 4H0.504 8L(HL)^33 0.505 2H1.234 2L1.139 2H；
1.087 6H1.154 6L1.050 3H1.024 4L0.654 9H0.985 2L(HL)^38 1.134 1H1.004 8L；
0.750 6H0.812 6L0.957 8H1.108L1.065 5H1.151 7H1.247 3L1.151 8H0.476 3L(HL)^38 1.492 2H1.622 8L1.434 4H1.226 4L.
图7 长波通新型反射膜光谱比较Fig.7 (Color online) The spectra of long wave reflection thin films
图8和图9为长波通新型反射膜1 053 nm处高反射与高透射电场比对图.可见，在中心波长1 053 nm处，高反射电场强度的极大值随材料折射率的增大而减小，高透射电场强度的极大值也是随材料折射率的增大而减小.从这3种材料综合来看， C1的厚度最小， C2次之， C3最厚； C1的电场最小(表3)；从制备角度看， C1易于制备.
图8 长波通新型反射膜1 053 nm高反电场比较Fig.8 (Color online) The reflectance electric field distribution of long wave reflection thin films at 1 053 nm
图9 长波通新型反射膜1 053 nm高透射电场比较Fig.9 (Color online) The transmittance electric field distribution of long wave reflection thin films at 1 053 nm
反射薄膜厚度/μm最大反射电场最大透射电场C110.686.5C213.2107.5C312.0148.0
2 三种不同设计思想的对比分析
表4为高级次新型反射膜、带通滤光片薄膜和长波通新型反射膜3种不同的设计思想和结果对比.可见，F-P带通滤光片的层数和总厚度都是最小的，但反射电场和透射电场却都是最大的，尤其是透射电场会严重限制其实际使用.高级次新型反射膜在电场上具有很大优势，但总厚度较厚，长波通新型反射膜虽然厚度比高级次新型反射膜略薄，但层数较多，从制备的角度来看，也易于引入随机误差和系统误差. 因此，从实际使用可行性来看，长波通新型反射膜或者高级次新型反射膜在损伤性能上更能满足要求.
表4 三种不同设计思想的对比
结 语
本研究对多层介质膜高级次新型反射薄膜、F-P带通滤光片及长波通新型反射薄膜的陡边进行设计与分析. 提出利用多层介质膜反射元件实现滤波的设想，给出角度分辨率和波长分辨率的目标，使薄膜的设计更加具体和实际. 研究表明，采用折射率更高的材料，可有效减少膜层数量和膜层厚度. 基于电场强度的计算，带通滤光片中因为有强场的存在，虽然膜层厚度相对较薄，但针对高功率的应用需求，考虑到元件的抗损伤能力，高级次新型反射膜和长波通新型反射膜的设计思想和设计结果是首选. 本研究结果将为下一步介质膜组合滤波器的设计和制备奠定良好基础.
