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
高折射率材料H分别采用Nb2O5(n=2.20@1 053 nm)、Ta2O5(n=2.04@1 053 nm)、Al2O3(n=1.61@1 053 nm); 低折射率材料L采用SiO2(n=1.45@1 053 nm),所构成的高级次新型反射薄膜分别简称为A1、 A2和A3,其光谱如图1. 可见,在从95%高反到95%高透角度变化范围下,折射率越大的材料带宽更宽.但是在中心波长1 053 nm处的高反射,电场强度(此处为归一化电场强度|EF|2,下同)的极大值随材料折射率的增大而增强,如图2.而在1 053 nm处的高透射,电场强度的极大值也是随材料折射率的增大而增强,如图3.所不同的是反射电场的极大值都分布在膜层的表面,透射强场分布在膜层的内部且贯穿整个膜层,从而具有较低的激光损伤阈值,所以,反射性器件因具有更高的抗激光损伤阈值,更适合应用到高功率激光系统中.
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
Table 1 The comparison of thickness, the transmittance and reflectance electric fields for A1, A2 and A3
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B
1、 B
2和B
3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B
1(约为14), 其次是B
2(约为10), 最小为B
3(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, C
1的厚度最小, C
2次之, C
3最厚; C
1的电场最小(
表3); 从制备角度看, C
1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
表3 C1、 C2及C3的厚度、透射和反射电场比较
Table 3 The comparison of thickness, the transmittance and reflectance electric field for C1, C2 and C3