基于传输矩阵法的多层介质膜反射特性研究

薄膜干涉是大学物理波动光学教学的重要内容,也是薄膜光学的理论基础.薄膜干涉的一个重要应用是用于设计减反膜和高反膜.本文基于传输矩阵法,定量计算了多层介质膜的反射率.以BK7玻璃为例,无镀膜时在可见光范围内,其反射率约为4%.利用薄膜的相消干涉可以减少表面的反射率.镀一层减反膜时,对设计波长550 nm其反射率下降为1.3%,一旦偏离设计波长减反效果变差;镀两层减反膜时,在470 nm～670 nm范围内,减反效果明显改善,反射率均低于1.3%.利用薄膜的相长干涉可以增加表面的反射率.以熔石英为例,镀一层薄膜时,对设计波长1500 nm其反射率可由未镀膜时的3.3%提高到30%;镀七组薄膜时在1360 nm～1660 nm范围内其反射率均可达99%以上.通过这些定量计算,让学生更加深刻地理解所学理论知识在实际中的应用,培养工程意识,提高学习兴趣.     

离子束溅射制备低应力深紫外光学薄膜

采用离子束溅射制备了Al F3、Gd F3单层膜及193 nm减反和高反膜系,分别使用分光光度计、原子力显微镜和应力仪研究了薄膜的光学特性、微观结构以及残余应力。在优选的沉积参数下制备出消光系数分别为1.1×10~(-4)和3.0×10~(-4)的低损耗AlF_3和GdF_3薄膜,对应的折射率分别为1.43和1.67,193 nm减反膜系的透过率为99.6%,剩余反射几乎为零,而高反膜系的反射率为99.2%,透过率为0.1%。应力测量结果表明,AlF_3薄膜表现为张应力而GdF_3薄膜具有压应力,与沉积条件相关的低生长应力是AlF_3和GdF_3薄膜残余应力较小的主要原因,采用这两种材料制备的减反及高反膜系应力均低于50 MPa。针对平面和曲率半径为240 mm的凸面元件,通过设计修正挡板,250 mm口径膜厚均匀性均优于97%。为亚纳米精度的平面元件镀制193 nm减反膜系,镀膜后RMS由0.177 nm变为0.219 nm。     

高功率半导体激光对光学元件损伤特性

 为研究880 nm高功率半导体连续激光器对光学元件的损伤特性,选择了K9玻璃、ZnSe晶体和无氧铜进行镀膜加工,形成高反射率和高透过率的光学元件。通过调节到达光学元件表面的平均功率和改变光斑大小来改变光学元件表面的功率密度,并连续照射30 s,最终通过显微镜来观察元件的激光损伤形貌。研究结果表明：镀高反膜的K9玻璃在功率密度达到600 W/cm²时,膜系表面出现烧熔现象,当达到1 000 W/cm²时出现炸裂现象,而无氧铜基底镀金反射镜在上述功率密度下未发现损伤;而镀增透膜的ZnSe晶体在激光功率密度高达1 000 W/cm²时,通过显微镜观察没有发现明显的损伤,热像仪显示基底温升为5 ℃。     

取样光栅镀膜减反技术研究

 根据惯性约束聚变系统技术要求,提出了镀膜减反方案,以解决现有光栅由于元件表面反射影响零级透过率的问题。使用严格耦合波理论分析了镀sol-gel减反膜的取样光栅特性,详细地分析了仿形膜和平面膜的减反情况和取样效率的变化。结果发现,镀平面膜是一种可行的技术方案,光栅表面反射几乎完全消除,表明可以通过取样光栅镀膜减反来达到提高透射率的目的;裸光栅的深度为12 nm时,平面减反膜厚为60 nm,即光学厚度为等效1/4波长：72 nm。此时的透射率为99.8%,取样效率为0.241‰。     

双波段宽带减反膜的研究

根据电视/红外双色制导的要求,研制了锗酸盐基底上的双波段宽带减反膜。其膜系设计采用二氧化钛和二氧化硅分别作为高、低折射率膜料的13层膜堆,镀制的膜层满足环境稳定性标准。在0.56~0.75μm波长范围内,双面镀膜后的平均透过率大于98%,单面平均剩余反射率不超过0.5%;在3.6~4.8μm波长范围内,双面镀膜后的平均透过率至少可达到85%,单面平均剩余反射率不超过1.5%。     

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。     

2.7～3.0μm波段高反镜反射率测量研究

中红外激光领域广泛使用高性能高反射光学元件,高反射率高精度测试技术是制备高性能反射光学元件的基础。针对2.7～3.0μm波段光学元件高反射率测量的实际需求,基于量子级联激光器建立了连续光腔衰荡反射率测试实验装置,通过优选2.7～3.0μm波段反射带内水汽吸收较弱的测试波长,分析空气中水汽吸收对衰荡时间和反射率测量的影响,并比较空气和氮气环境下反射率测量结果,实现了2.7～3.0μm波段高反镜反射率的准确测量,在反射率约99.95%时绝对测量精度优于2×10-5。实验结果显示,采用测试波长2.9μm并在测量时保证初始腔和测试腔腔长相同,无需使用氮气环境,直接在实验室空气环境可实现高反射率的精确测量。     

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.     

高性能DF化学激光三色分束器

本文表述ＤＦ高能激光应用光学系统中作为共孔径分光元件而研制的三色分束器的光学性能，讨论了满足分光性能光学元件基片，镀膜材料选取，多层膜设计与制备技术，元件性能测试结果。得到在ＺｎＳｅ基片背面未镀膜情况下三色分光膜性能：３．８μｍ波长带反射率大于９９．６％，８～１４μｍ红外波段透过率大于７５％，可见光区０．６４～０．９２μｍ透过率大于５０％，膜层通过了稳定性检验。     

高性能DF化学激光三色分束器

本文表述ＤＦ高能激光应用光学系统中作为共孔径分光元件而研制的三色分束器的光学性能，讨论了满足分光性能光学元件基片，镀膜材料选取，多层膜设计与制备技术，元件性能测试结果。得到在ＺｎＳｅ基片背面未镀膜情况下三色分光膜性能：３．８μｍ波长带反射率大于９９．６％，８～１４μｍ红外波段透过率大于７５％，可见光区０．６４～０．９２μｍ透过率大于５０％，膜层通过了稳定性检验。     

氧化物薄膜抗1064nm脉冲激光损伤的特性研究

对向种氧化物介质膜料的单层膜、增透膜及高反膜的激光损伤特性进行了实验研究,分别测试了单脉冲和多脉冲１０６４ｎｍ激光的损伤阈值,分析和讨论了实验的物理现象及其结果。研究表明ＳｉＯ２、Ｇｄ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３具有激光损伤阈值高、损伤程度轻的特点,特别对１０Ｈｚ激光而言,更是明显;增透膜及高反膜加λ／２层ＳｉＯ２对其激光损伤程度和损伤几率。     

HfO_2/SiO_2高反膜、增透膜及偏振膜的1064nm激光损伤特性

高反膜、增透膜和偏振膜是Nd∶YAG激光器中的关键薄膜元件 ,其抗激光损伤能力直接影响到激光器的输出能量和功率。由于优异的物理化学性能 ,高功率Nd∶YAG激光器的光学薄膜一般采用HfO2 /SiO2 膜料组合镀制 ,因而用此膜料镀制的光学薄膜的激光损伤特性是薄膜工作者重点关注的问题。对光学中心APS15 0 4镀膜机镀制的HfO2 /SiO2 高反膜、增透膜和偏振膜等开展了 10 64nm的激光损伤实验研究 ,用 2 0 0倍的Normaski显微镜详细分析了高反 ,增透和偏振膜的激光损伤图貌 ,发现对于脉宽为 10ns波长的 10 64nm的激光而言 ,高反膜基本表现为孔洞和等离子体烧蚀疤痕 ,孔洞是由薄膜中的节瘤 (nodular)缺陷的激光损伤引起的 ,损伤的能流密度较低 ,为薄膜的零损伤阈值密度。疤痕为薄膜的激光等离子体烧伤引起的 ,尺寸大小与激光能量密度成近似正比。增透膜一般为双面镀 ,分前后膜堆两种情况 ,前膜堆表现为孔洞和疤痕 ,与高反膜相似 ;后膜堆为孔洞型的小圆麻点聚积 ,麻点处的薄膜完全剥落 ,没有疤痕等烧伤痕迹 ,是激光在基片之间形成的驻波电场损毁 ,损伤阈值比前膜堆低 1 5倍 ,决定着增透膜的损伤阈值。偏振膜的低能量密度损伤与增透膜后膜堆相似 ,表现为孔洞型小麻点聚积 ,损伤处未见疤痕等烧蚀痕迹。对薄膜小尺度损?     

Numerical Simulation and Analysis on Deflection of Silicon Mirrors Irradiated by High Power Laser

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＤｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎＭｉｒｒｏｒｓＩｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬａｓｅｒＸＩＡＪｉｎａｎ；ＣＨＥＮＧＺｕｈａｉ；ＱＩＵＪｕｎｌｉｎ（ＮａｔｉｏｎａｌＬａｂ...     

Analysis of the spectral linewidth of three-cavity semiconductor laser diodes

The spectral linewidth for a semiconductor laser diode coupled to two external cavities (known as a three-cavity laser diode) is studied in the article. A closed-form expression for the linewidth of this laser is derived by analyzing the number of photons in the laser cavity. It is found that, because of the optical feedback provided by the external cavities, the photon lifetime becomes longer than that of a solitary Fabry-Perot (FP) laser, hence reducing the value of the spectral linewidth. Our theoretical investigations reveal that the linewidth of a three-cavity laser can be reduced further by using external mirrors with high reflectivities and using anti-refection (AR) coatings on the laser diode facets. We have also studied the effects of uncertainties in the linewidth enhancement factor a due to optical feedback and found that such uncertainties have negligible effects on the validity of our results.     

运用功能梯度结构降低大功率激光系统中镜面热变形的数值分析

 提出一种运用功能梯度结构以有效降低大功率激光系统中镜子温度和镜面热变形以及减缓热应力的新方法。讨论了环形分布和高斯分布2种类型的激光源。有限元分析结果表明,通过这种方法可使硅镜和铜镜的表面热变形成倍降低,并且还能同时显著降低镜体温度。讨论了代表热学和力学性质的函数表达式的斜率对镜面热变形的影响,研究表明：功能梯度结构的热物理对镜面形变产生重大影响,而力学性质对镜面形变的影响非常小。该结论可为具有该功能梯度结构的镜子优化设计和制造提供参考。     

Design and fabrication of double-chirped mirrors

We present an analytic design method for the reproducible fabrication of double-chirped mirrors to achieve simultaneously a high reflectivity and dispersion compensation over an extended bandwidth compared with those of standard quarter-wave Bragg mirrors. The mirrors are fabricated by ion beam sputtering. Use of these mirrors in a Ti:sapphire laser leads to 6.5-fs pulses directly out of the laser. The method can also be applied to the design of chirped-fiber gratings and general optical filters.     

COIL用变形反射镜介质反射膜

 报道COIL激光用变形反射镜的介质反射多层膜实验。在真空镀膜机内制备了膜系Sub/Ag(SiO₂/HfO₂)⁴/air和Sub/Ag(YbF₃/ZnS)³/air, 反射率分别为99.90%和99.87%。在经历109次循环后变形镜物理特性无变化。研究了COIL激光辐射下热畸变和损伤特性。分别在功率密度为1.52kW/cm²和1.18kW/cm²的COIL激光辐照下,这两种膜系的变形镜波前变化为0.37l 和0.54l 。因此对于变形镜1kW/cm²激光功率密度是安全可靠的。     

808 nm大功率半导体激光器腔面膜的制备

采用等离子体辅助电子束蒸发方法在808 nm大功率量子阱半导体激光器腔面设计镀制了HfO₂/SiO₂系前后腔面膜. 用直接测量法测量并比较了各种常用膜系的相对损伤阈值. 增透膜的反射率为12.2％,高反膜的反射率为97.9％. 对于100 μm条宽、1000 μm腔长的条形结构通过器件测量结果是出光功率提高79％、外微分量子效率提高80％、功率效率由没镀膜之前的22.2％提高到镀膜之后的39.8％.     

A functionally graded structural design of mirrors for reducing their thermal deformations in high-power laser systems by finite element method

In this paper, a new method is proposed to effectively lower the high temperature, smooth the thermal stress and reduce the thermal deformation of mirrors in high-power laser systems utilizing functionally graded materials (FGMs). Two kinds of laser source are discussed at the same time. One is the doughnut-shaped laser, and the other is the Gaussian-distributed laser. Numerical results from finite element analysis show that the thermal deformation of silicon and copper mirrors can be reduced by one order of magnitude, and the temperature rise is also lowered obviously by this means. The effects of slope regulation of the functions for representation of thermophysical and mechanical properties on thermal deformation of mirrors are discussed to meet the requirement of optimum design and manufacture of FGM mirrors for the future.     

高光束质量、高功率稳定性激光器的设计及实验研究

高光束质量、高功率稳定性激光器在激光加工、激光测量等领域具有广泛的用途.为了实现激光器腔内光斑聚焦同时减少色散和体积,人们常常将曲面反射镜用在激光谐振腔中,但光束倾斜入射到曲面反射镜往往会引起像散,从而导致光斑质量恶化,并降低激光器的性能.另一方面,在高功率激光器或超短脉冲激光器中,激光增益介质热透镜焦距的起伏,是导致激光输出功率波动的主要原因之一.针对激光器的像散和功率波动这两个问题,本文提出了一套简单高效的解决方案,在考虑像散补偿和热透镜效应的基础上,基于传播变换圆理论,首次提出一种可实现高光束质量、高功率稳定性激光器谐振腔的设计方法,并对采用该方法所设计出的超短脉冲激光器进行理论与实验研究.研究结果表明,利用该方法设计的激光谐振腔,两端臂像散能够完全被补偿,实验上实现了基模高斯光束输出;当激光晶体热透镜焦距改变时,该方法所设计出的激光谐振腔内各关键位置光斑半径的变化,显著地小于普通谐振腔,在相同外界条件下,其输出激光功率稳定性明显优于普通激光器.