CN104698519B - 一种低热噪声高反射光学复合膜结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低热噪声高反射光学复合膜结构及其制备方法，该低热噪声高反射光学复合膜结构以超低膨胀光学材料为基底；在基底上镀膜，所述膜由蓝宝石膜层和金刚石膜层交替组成多层膜系，蓝宝石膜层和金刚石膜层之间通过键合或光胶方式结合而成。本发明以蓝宝石和金刚石材料为镀膜层，利用这两种材料具有极低的机械损耗因子，可以大大降低镀膜材料的布朗热噪声，同时蓝宝石和金刚石这两种材料的折射率差距较大，可以形成高低膜层，实现较高的反射率。本发明设计的复合膜可以应用于光学参考腔、光学干涉仪、超窄线宽激光器、光学原子钟、引力波探测等高科技领域。

Description

一种低热噪声高反射光学复合膜结构及其制备方法

技术领域

本发明属于复合膜领域，涉及一种光学复合膜结构，尤其是一种低热噪声高反射光学复合膜结构及其制备方法。

背景技术

降低超窄线宽激光器的频率噪声对光学原子钟、引力波探测和高精密光谱等高科技领域应用具有至关重要的作用。为了获得频率噪声极低的激光，通常釆用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将激光频率精密锁定在超稳光学参考腔的谐振频率上。超窄线宽激光的频率稳定性与光学参考腔有效腔长的稳定性密切相关。影响光学参考腔腔长变化的热噪声却难以抑制和消除，已成为窄线宽激光性能进一步提高的主要限制因素之一。

目前，降低光学参考腔热噪声的方法包括：降低光学参考腔温度、釆用机械损耗小的镀膜及腔体材料、增加参考腔腔长、以及增大镜面上的光斑半径等，但都存在一定的局限性。例如，采用单晶硅材料制作的光学腔可以实现10^-16量级的超稳激光，但硅光学窗口仅适用于红外波段、且损耗较大、需要复杂的低温***。而目前常用的镀膜材料SiO₂/Ta₂O₅虽然光学窗口宽，但其机械损耗因子大，直接导致了较大的频率稳定度。2014年，美国叶军小组通过将GaAs/AlGaAs DBR附着在熔融硅表面，获得了损耗角为2.5×10^-5的镀膜材料，是常用镀膜材料SiO₂/Ta₂O₅的1/10，但其通光波段在1000nm和1100nm之间，应用范围受到极大限制。因此，设计和研制具有光学窗口宽，同时具有极低布朗热噪声镀膜材料显得十分迫切。

蓝宝石具有硬度高、熔点高、透光性好，化学性能稳定，广泛应用于机械、光学、信息等高技术领域。人工生长的蓝宝石具有很好的耐磨性，硬度仅次于金刚石达到莫氏9级。折射率为1.762-1.77，机械损耗因子为5.5×10^-9。蓝宝石单晶的透光范围为140-6000nm，覆盖真空紫外、可见、近红外到中红外波段，且在3000-5000nm波段具有很高的光学透过率。

金刚石及类金刚石的化学稳定性好，热导率和耐磨性也非常出色。金刚石的机械性能可以通过设计来满足具体应用的要求。此外，金刚石的折射率为2.417，机械损耗因子为2.96×10^-6。金刚石透光范围为30-3000nm。

综上所述，蓝宝石和金刚石所具有的物理及光学性能较为适合发明以蓝宝石和金刚石材料为镀膜材料的低热噪声镀膜层。利用这两种材料具有的低机械损耗因子，可以大大降低镀膜材料的布朗热噪声，同时蓝宝石和金刚石这两种材料的折射率差距较大，可以形成高低膜层，实现较高的反射率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种低热噪声高反射光学复合膜结构及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种低热噪声高反射光学复合膜结构，以超低膨胀光学材料为基底；在基底上镀膜，所述膜由蓝宝石膜层和金刚石膜层交替组成多层膜系，蓝宝石膜层和金刚石膜层之间通过键合或光胶方式结合而成。

进一步，所述超低膨胀光学材料为ULE或者熔融石英。

进一步，所述的蓝宝石膜层由具有超低机械损耗因子蓝宝石材料形成。

进一步，所述的金刚石膜层由具有超低机械损耗因子金刚石材料或类金刚石材料形成。

进一步，所述多层膜系为蓝宝石膜层和金刚石膜层两种膜层交替产生。

本发明还提出一种上述低热噪声高反射光学复合膜结构的制备方法，具体包括以下步骤：

1)选择基底

将超低膨胀光学材料制作成镜片基底，并对其进行打磨，保证表面光洁度；

2)选择分子束外延生长或磁控溅射方法进行镀膜；

3)膜层尺寸和数量的确定

金刚石膜层即H层的厚度为T_H，蓝宝石膜层即L层的厚度为T_L，L层的层数量为m，那么H层的层数量为m+1，总膜层的层数量n＝2m+1；膜层的层数量确定按照如下公式计算：

上式中R为光学复合膜结构的反射率，n_H为金刚石膜层的折射率，n_L为蓝宝石膜层的折射率，n_s为基底的折射率。

本发明具有以下有益效果：

本发明是以蓝宝石和金刚石(或类金刚石)材料为镀膜层，利用这两种材料具有极低的机械损耗因子，可以大大降低镀膜材料的布朗热噪声，同时蓝宝石和金刚石(或类金刚石)这两种材料的折射率差距较大，可以形成高低膜层，实现较高的反射率。本发明设计的复合膜可以应用于光学参考腔、光学干涉仪、超窄线宽激光器、光学原子钟、引力波探测等高科技领域。

附图说明

图1为本发明的光学复合膜结构示意图。

具体实施方式

本发明的该种低热噪声高反射光学复合膜结构，以超低膨胀光学材料为基底；在基底上镀膜，所述膜由蓝宝石膜层和金刚石膜层交替组成多层膜系，蓝宝石膜层和金刚石膜层之间通过键合或光胶方式结合而成。在本发明的最佳实施例中，所述超低膨胀光学材料为ULE或者熔融石英。所述的蓝宝石膜层由具有超低机械损耗因子蓝宝石材料形成。所述的金刚石膜层由具有超低机械损耗因子金刚石材料或类金刚石材料形成。所述多层膜系为蓝宝石膜层和金刚石膜层两种膜层交替产生。

本发明还提出一种上述低热噪声高反射光学复合膜结构的制备方法，包括以下步骤：

1)选择基底

将超低膨胀光学材料制作成镜片基底，并对其进行打磨，保证表面光洁度；

2)选择分子束外延生长或磁控溅射方法进行镀膜；

3)膜层尺寸和数量的确定

金刚石膜层即H层的厚度为T_H，蓝宝石膜层即L层的厚度为T_L，L层的层数量为m，那么H层的层数量为m+1，总膜层的层数量n＝2m+1；膜层的层数量确定按照如下公式计算：

上式中R为光学复合膜结构的反射率，n_H为金刚石膜层的折射率，n_L为蓝宝石膜层的折射率，n_s为基底的折射率。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1：H层为高折射率膜层，即金刚石膜层；L层为低折射率膜层，即蓝宝石膜层，n为膜层总数量。ULE为超低膨胀玻璃(Ultralow-Expansion Glass)，FS为熔融石英(Fused Silica)。

首先选择镀膜基底，例如超低膨胀玻璃(Ultralow-Expansion Glass简写为ULE)、熔融石英(Fused Silica简写为FS)等超低膨胀光学材料作为基底；根据镀膜层材料的属性和镀膜的用途选择合适的镀膜技术(如分子束外延生长、磁控溅射等技术)；在镀膜技术确定的条件下，依据镀膜的光学和其它物理性能要求，以两种膜层的本身属性，如折射率等，为基础，理论计算每个膜层的厚度和各自膜层总数以及最终膜层的总厚度。依据理论计算的膜层厚度、交替次序和数量，采用合适的镀膜技术交替镀膜，使得所镀的膜层符合要求。以下给出本发明制备热噪声高反射光学复合膜结构的两种实施例：

实施例1

1、选择基底：将FS(熔融石英)作成符合要求的一定尺寸(包括厚度、直径等)的镜片基底，并对其进行打磨，保证其表面光洁度，以保证镀膜的质量；

2、本发明选择两种膜层(蓝宝石膜层和金刚石膜层)交替镀：为了获得较低的机械损耗因子，蓝宝石膜层和金刚石膜层都必须具有很高的硬度。蓝宝石和金刚石材料本身已经具有很高的硬度和很低的机械损耗因子，如何采用较好的镀膜方法保证所镀的膜层硬度是本发明的关键点之一。为了达到上述要求，本实施例选择分子束外延生长方法进行镀膜；

3、膜层尺寸和数量的确定：在镀膜技术确定的条件下，依据镀膜的光学和其它物理性能要求，以两种膜层的本身属性为基础，理论计算每个膜层的厚度和各自膜层总数以及最终膜层的总厚度。假定高折射率膜层H(金刚石膜层)的厚度为T_H，低折射率膜层L(金刚石膜层)的厚度为T_L，L层数量为m，那么H层数量为m+1，总膜层数量n＝2m+1。膜层数量确定按照如下公式计算：

上式中R为膜层的反射率，n_H为高折射率膜层H(金刚石膜层)的折射率，n_L为低折射率膜层L(蓝宝石膜层)的折射率，n_s为镜子基底FS的折射率。

镀膜的基底是熔融石英FS，镀膜针对698nm波长达到反射率99.999％为指标，该膜层至少需镀膜41层以上，金刚石膜单层物理厚度为72.2nm，总厚度1516.2nm以上,蓝宝石单层物理厚度为98.87nm，总厚度为1977.4nm。

实施例2

1、选择基底：将ULE(超低膨胀玻璃)制作成符合要求的尺寸(包括厚度、直径)的镜片基底，并对其进行打磨，保证其表面光洁度，以保证镀膜的质量；

2、本发明选择两种膜层(蓝宝石膜层和金刚石膜层)交替镀：为了获得较低的机械损耗因子，蓝宝石膜层和金刚石膜层都必须具有很高的硬度。蓝宝石和金刚石材料本身已经具有很高的硬度和很低的机械损耗因子，如何采用较好的镀膜方法保证所镀的膜层硬度是本发明的关键点之一。为了达到上述要求，本实施例选择磁控溅射等方法方式进行镀膜；

3、膜层尺寸和数量的确定：在镀膜技术确定的条件下，依据镀膜的光学和其它物理性能要求，以两种膜层的本身属性为基础，理论计算每个膜层的厚度和各自膜层总数以及最终膜层的总厚度。假定高折射率膜层H(金刚石膜层)的厚度为T_H，低折射率膜层L(金刚石膜层)的厚度为T_L，L层数量为m，那么H层数量为m+1，总膜层数量n＝2m+1。膜层数量确定按照如下公式计算：

上式中R为膜层的反射率，n_H为高折射率膜层H(金刚石膜层)的折射率，n_L为低折射率膜层L(蓝宝石膜层)的折射率，n_s为镜子基底ULE的折射率。

本实施例中镀膜的基底是ULE，镀膜针对698nm波长达到反射率99.999％为指标，该膜层至少需镀膜39层以上，金刚石膜单层物理厚度为72.2nm，总厚度1444nm以上,蓝宝石单层物理厚度为98.87nm，总厚度为1878.5nm。

Claims (6)

1.一种低热噪声高反射光学复合膜结构，其特征在于，以超低膨胀光学材料为基底；在基底上镀膜，所述膜由蓝宝石膜层和金刚石膜层交替组成多层膜系，蓝宝石膜层和金刚石膜层之间通过键合或光胶方式结合而成。

2.根据权利要求1所述的低热噪声高反射光学复合膜结构，其特征在于，所述超低膨胀光学材料为ULE或者熔融石英。

3.根据权利要求1所述的低热噪声高反射光学复合膜结构，其特征在于，所述的蓝宝石膜层由具有超低机械损耗因子蓝宝石材料形成。

4.根据权利要求1所述的低热噪声高反射光学复合膜结构，其特征在于，所述的金刚石膜层由具有超低机械损耗因子金刚石材料或类金刚石材料形成。

5.根据权利要求1所述的低热噪声高反射光学复合膜结构，其特征在于，所述多层膜系为蓝宝石膜层和金刚石膜层两种膜层交替产生。

6.一种权利要求1所述低热噪声高反射光学复合膜结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选择基底

将超低膨胀光学材料制作成镜片基底，并对其进行打磨，保证表面光洁度；

2)选择分子束外延生长或磁控溅射方法进行镀膜；

3)膜层尺寸和数量的确定；

金刚石膜层即H层的厚度为T_H，蓝宝石膜层即L层的厚度为T_L，L层的层数量为m，那么H层的层数量为m+1，总膜层的层数量n＝2m+1；膜层的层数量确定按照如下公式计算：

$R={\left(\frac{1-{(n_H/n_L)}^{2m}(n_H^2/n_s)}{1+{(n_H/n_L)}^{2m}(n_H^2/n_s)}\right)}^2$

上式中R为光学复合膜结构的反射率，n_H为金刚石膜层的折射率，n_L为蓝宝石膜层的折射率，n_s为基底的折射率。