光纤激光器光学膜设计与制备

针对激光在传输过程中的光能损失,本文根据光学薄膜理论,设计制备了减反射膜和抗激光的高反射膜,并对激光膜的镀膜材料、膜系设计、沉积工艺及离子辅助沉积等参数进行了深入研究。研究结果表明,制备的减反膜的反射率<0.2%,激光以25°～65°入射时高反射膜的反射率>99.7%。对50μm光纤和K9玻璃镀膜前后的输出功率测试显示多模光纤的功率平均提高了50%,而K9玻璃的反射功率提高到99.85%;另外,制备的光纤激光器光学膜有效地提高了激光损伤阈值,解决了低温冷镀的膜层牢固性问题。     

多功能抗激光损伤高反射膜

为了能同时满足半导体激光器和YAG激光器对薄膜的特殊要求,在分析高反射膜理论的基础上,选取TiO2和SiO2为高、低折射率材料镀制了周期性多层介质高反射膜。研究了材料的光学及机械特性,重点解决了薄膜的消偏振和抗激光损伤问题。实验采用电子束真空镀膜并加以考夫曼离子源辅助沉积,利用TFC软件进行膜系设计,通过调整镀膜工艺参数和监控方法,在10mm×1．8mm的K9基底上镀制了符合要求的高反射膜,结果表明,当激光以45°入射时,薄膜在900～1100nm的P光与s光的反射率均大于99．95％。所制备的高反射膜性能稳定,抗激光损伤阈值高,能同时满足两种激光器的使用要求。     

短波长化学激光系统反射镜研制

 报道了短波长化学激光系统高反射镜的膜系设计、镀膜材料的选取、反射膜制备技术、基板加工、反射镜性能测试和各种膜系反射镜在强激光辐照下的热畸变和损伤。     

COIL用薄膜90°位相延迟高反射镜的研制

随着氧碘化学激光器（COIL）输出功率的不断提高，传统的膜系设计已不能满足要求。在倍频膜系的设计基础上，优化设计出了激光45°入射时对1 315 nm和632.8 nm双波长高反（HR）并在1 315 nm处具有90°位相延迟的高反射镜，其基底材料为融石英，高折射率材料为ZrO2, 低折射率材料为SiO2。然后，采用电子束蒸发手段制备了口径为200 mm的高反射位相延迟镜。最后对该延迟镜的性能进行了测试，结果表明:对632.8 nm波长的反射率大于等于95.0%，对1 315 nm波长的反射率大于等于99.8%,位相延迟在90.235°～95.586°范围内。     

4.48 nm正入射软X射线激光用Cr/C多层膜高反射镜的研制

针对4.48nm类镍钽软X射线激光及其应用实验,设计制备了工作于这一波长的近正入射多层膜高反射镜。选择Cr/C为制备4.48nm高反射多层膜的材料对,通过优化设计,确定了多层膜的周期、周期数以及两种材料的厚度比。模拟了多层膜非理想界面对高反射多层膜性能的影响。采用直流磁控溅射方法在超光滑硅基片上实现了200周期Cr/C多层膜高反射镜的制备。利用X射线衍射仪测量了多层膜结构,在德国BessyⅡ同步辐射上测量了在工作波长处多层膜反射率,测量的峰值反射率达7.5%。对衍射仪测量的掠入射反射曲线和同步辐射测量的反射率曲线分别进行拟合,得到的粗糙度和厚度比的结果相近。测试结果表明,所制备的Cr/C多层膜样品结构良好,在指定工作波长处有较高的反射峰,达到了设计要求。     

一种用于Yb:YAG激光器的波长分离膜的研制

以1 030 nm高反,940,980 nm高透的波长分离膜作为实例,为提高该薄膜元件的波长分离效果,从膜系的优化方面做了一系列的研究,诸如采用带通滤光片的设计思想,在膜堆两侧加入了匹配层,调整膜堆的周期厚度,并用膜系设计软件对通带作进一步的优化.通过这一系列的优化设计后,利用RF双离子束溅射工艺在BK7玻璃基底上沉积样品薄膜,并在基底背面加镀通带增透膜.结果显示,透射带在940和980 nm处的透过率分别为97.73%和93.63%,反射带在1 030 nm的反射率为99.99%.对所制备的样品薄膜进行了激光损伤阈值测量,得到了35 J/cm2(1 064 nm,12 ns)的结果.     

卫星激光通信滤光膜的研制

为满足卫星激光通信中超高速数据传输的特殊要求,采用电子束和离子辅助沉积技术,制备了532nm、632nm和1 064nm波长处高反射,808nm和1 550nm处高透射的多波段滤光膜.选取了H4和SiO2作为高低折射率材料,通过对膜系设计曲线的不断优化,减少了灵敏层的个数,得到了相对易于制备的膜系结构;采用电子束加热蒸发方法并加以离子辅助沉积系统制备薄膜,采用光控与晶控同时监控的方法控制膜厚;通过不断调整工艺,提高了薄膜的抗激光损伤能力,减小了膜厚控制误差,提高了透射波段的透过率及反射波段的反射率,最终得到了光谱性能较好的滤光膜.该薄膜能够承受雨淋、盐雾、高低温等环境测试,满足使用要求.     

121.6 nm远紫外高反射薄膜研究

远紫外波段高反射薄膜的研究具有重要应用价值。为了实现高反射率,采用高温三步蒸发法沉积MgF_2膜以保护Al膜,制备了远紫外宽带高反射薄膜,并对样品进行退火处理。结果显示,改进制备工艺和退火工艺后,紫外宽带高反射薄膜在121.6 nm处的反射率高达90%,接近理论设计值。同时分析了散射损耗的影响。采用优化的LaF_3/MgF_2膜系结构,制备了窄带反射滤光薄膜,其在中心波长122.5 nm处的峰值反射率为75%且半峰全宽为8 nm,达到了理论设计的预期效果,但退火处理损伤了薄膜表面,散射损耗增加,薄膜反射率下降。     

卫星激光通信滤光膜的研制

为满足卫星激光通信中超高速数据传输的特殊要求,采用电子束和离子辅助沉积技术,制备了532 nm、632 nm和1 064 nm波长处高反射,808 nm和1 550 nm处高透射的多波段滤光膜.选取了H₄和SiO₂作为高低折射率材料,通过对膜系设计曲线的不断优化,减少了灵敏层的个数,得到了相对易于制备的膜系结构;采用电子束加热蒸发方法并加以离子辅助沉积系统制备薄膜, 采用光控与晶控同时监控的方法控制膜厚;通过不断调整工艺,提高了薄膜的抗激光损伤能力,减小了膜厚控制误差,提高了透射波段的透过率及反射波段的反射率,最终得到了光谱性能较好的滤光膜.该薄膜能够承受雨淋、盐雾、高低温等环境测试,满足使用要求.     

基于浸没式光刻光束稳定系统的反射镜

根据浸没式光刻系统的技术要求,设计了光束稳定系统,通过两个反射镜消除光束的位置漂移和指向漂移.基于深紫外材料特性,选择JGS1作为反射镜的基底,Al2O3和MgF2为高、低折射率薄膜材料.通过膜系设计软件完成了高反射膜的设计和模拟分析,并采用真空沉积技术研制了该薄膜.通过选择行星夹具镀膜设备和设计特定的补偿挡板来保证薄膜的非均匀性小于0.2%.测试了反射镜样片的光谱曲线和表面微观结构,结果表明研制的薄膜在45°入射时的反射率为98.5%,散射损耗为0.30%,满足系统使用要求.     

Direct Monitoring of Thickness and Refractive Index of Optical Thin Film Deposited on Fiber End-face

We propose a system for depositing thin films on waveguides which enables low-temperature deposition and precise control of the refractive index and film thickness. It is composed of a conventional ion-beam sputtering (IBS) system and a new system for directly monitoring film characteristics during deposition. We controlled refractive indices over a wide range from 1.52 to 1.97 by moving the sputtering targets (SiO₂ and Si₃N₄) in the IBS system. The refractive index or film thickness was in-situ monitored by observing the optical power reflected from the end-face of a monitoring fiber set in the deposition chamber. Antireflection coating films were successfully deposited on a fiber end-face and a laser diode chip facet with low reflectivity from 0.05 to 0.07%. This deposition system is attractive for constructing highly functional optical devices for future photonic networks.     

三维腹腔镜端面宽带增透膜的研制

根据由多组镜片组成的三维腹腔镜对高透过率和不失真成像的要求,研究并选择了合适的薄膜材料;采用电子束真空镀膜加以离子辅助沉积系统,利用膜系设计软件完成了宽带增透膜的非周期膜系设计。通过调整镀膜工艺参数并采用光控与晶控同时监控的方法,减少了膜厚控制误差,成功地在多组镜片上镀制了宽带增透膜。测试试验显示,制备的膜层在400～700 nm波段的平均反射率〈0.5%,而且颜色不失真,膜层牢固,抗腐蚀效果较好,满足医用光学仪器的使用要求。     

Experimental research of laser-induced damage of the monolayer ZrO2 PVD and sol–gel films

Monolayer zirconia physical vapor deposition (PVD) and sol–gel films on K9 glass substrates were prepared by electron beam evaporation and spin coating methods, respectively. The laser-induced damage threshold (LIDT) of each film was measured. Properties of the films were analyzed using Stanford photo-thermal solutions (SPTS), ellipsometry, atomic force microscopy (AFM) and optical microscopy to study the damage mechanism of films under laser irradiation. The experimental results showed that, compared with the monolayer zirconia sol–gel film, the monolayer zirconia PVD film had larger absorption and smaller porous ratio, and that it had smaller LIDT. The different damage morphologies of films were influenced by their different absorption and microstructure characteristics. The zirconia sol–gel film is more suitable for applications involving high-power lasers.     

减反膜的梯度化与激光损伤阈值之间的关系研究

光学减反膜是激光系统的重要组成部分，也是在激光照射下最容易发生损伤的部分，如何提高减反膜的激光损伤阈值是研究的热点之一。在保持目标透射光谱要求和膜系总光学厚度不变的前提下，研究了不同梯度化减反膜与激光损伤阈值之间的关系。首先采用混合渐变膜系设计方法设计了一种渐变减反膜系，G/H₁→H/L/A；其次通过渐变折射率分层等效方法将渐变减反膜系进行不同的梯度化，并利用PECVD技术，在K9玻璃上沉积了满足光学性能指标要求的不同渐变减反膜系(多层梯度渐变膜系和相应的坡度渐变膜系)；最后进行了激光损伤阈值(LIDT)测量。研究结果表明:在保持目标透射光谱要求和膜系总光学厚度不变的前提下，渐变减反膜系相比于传统减反膜系，抗激光损伤阈值有明显的提高；随着梯度化层数的增加，渐变减反膜系的激光损伤阈值呈减小的趋势；对于相同膜层的渐变折射率薄膜，采用坡度法制备的样片抗激光损伤阈值均优于采用梯度化制备的样片。     

基于遗传算法的减反射膜的优化设计

为了研究膜系设计领域内的全局性优化方法,提出了基于遗传算法的膜系设计方法。编制了用遗传算法进行膜系设计的通用程序,并在各种类型的减反射膜设计中取得了成功。结果表明：基于遗传算法得到的减反射膜具有与近期发表的膜系结果相一致或更好的光谱性能和全局性。同时在应用遗传算法进行膜系设计时,不需要给定初始膜系,可以设定膜层厚度边界和膜层数,这对于设计和镀制有现实意义的光学薄膜极为有利,并且只要改变目标反射率就能推广到其他膜系的设计中,具有良好的可移植性。     

半导体激光器腔面增透膜AIN薄膜的制备

提出了一种新的半导体激光器增透膜——A1N膜,并用matlab软件模拟分析了不同腔面反射率对激光器输出功率的影响,得到激光器最大输出功率时前后腔面的反射率的最佳值.采用反应磁控溅射技术,利用高纯铝靶(99.999％)和N2+ Ar的混合气体在K9玻璃基片上沉积了AlN薄膜.利用Filmetrics系统对薄膜进行光学性能...     

内窥镜的红外激光传输用柔性空芯光纤的研制

通过理论计算确立了多功能介质-金属结构空芯光纤的结构参量,优化了液相镀膜法的有关条件,明确了具体制作参量。制作了以聚碳酸酯毛细管为基管的,高柔韧性的,可同时低损耗传输红外目标波长激光和可见导航光红外的空芯光纤。对光纤传输性能进行了测试。在2.94μm波长的Er∶YAG和0.63μm波长的红色半导体激光器的直线损耗分别为0.4 dB/m和3 dB/m。组装在医疗内窥镜中的柔性空芯光纤,在先端以0.9 cm半径135°角弯曲时,对Er∶YAG激光仍有近70%的传输效率;绿色导航光在内窥镜中的的损耗值为11 dB,绿色指示点在内窥镜的视窗中清晰可见。结果表明此种光纤在内窥镜的激光传输方面有重要的应用价值。     

Preparation and characterization of nano and microcrystalline ZnO thin films by PLD

Nano and microcrystalline ZnO thin films were prepared on glass substrates using pulsed laser deposition technique under a vacuum of 3 × 10⁻⁷ Torr at different laser power density. Composition analyses show that the films deposited at low laser power density have more structural defects than the film deposited at high laser power density. It confirms that the content of Zn in free-state decreased greatly at high laser power density. Atomic force microscopy analysis shows that the surface roughness of the deposited films increases with an increase in laser power density. X-ray diffraction analyses show that all the films are oriented along (0 0 2) direction independently on the laser power density applied. The structural quality increases with an increase in laser power density. It is due to the fact that the increase of laser power density leads to the enhancement of peak intensity. The increase of laser power density reduces the film transmission in the visible range of the spectra. The optical band gap value is found to be in the range from 3.42 to 3.39 eV. It shows that the optical band gap value decreases with an increase in laser power density. FTIR analysis shows that the hydrated oxide content in the deposited films decreases with an increase in laser power density.     

玻璃表面层对薄膜光学参数测量的影响

利用p偏振光在镀膜平板玻璃前后表面反射光强比γ与膜层光学参数之间的密切关系,给出了玻璃表面层的光学参数分布。对典型的薄膜系统-单面镀膜与双面镀膜两种情况,理论分析了玻璃表面层对薄膜光学参数测量的影响。实验上对PMTES和SnO₂薄膜参数进行了测量,仅当计及玻璃表面层作用时,反射光强比γ的角度调制曲线才与理论拟合结果相吻合.