CN109471211B - 一种消偏振合束镜薄膜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消偏振合束镜薄膜，包括基底以及设置在基底上的第一薄膜，所述的第一薄膜的膜系结构为Sub|x₁H x₂L x₃H x₄L......x_{k‑ 3}H x_k‑2L x_k‑1H x_kL|Air，其中，Sub为薄膜元件基板，Air为出射介质空气，H和L分别为1/4中心波长光学厚度的高折射率材料薄膜层和低折射率材料薄膜层，x₁～x_k为每层薄膜层的光学厚度系数，k为薄膜层总数。与现有技术相比，本发明具有优化过程简单，膜系规整，便于精确制备，降低了制备复杂性，消偏效果好、光谱特性优良，便于推广使用等优点，在大型激光装置光路传输中具有广阔的实用前景，可用于不同波长激光的非相干合束。

Description

一种消偏振合束镜薄膜及其设计方法

技术领域

本发明属于激光器领域，涉及一种光学薄膜，尤其是涉及一种消偏振合束镜薄膜及其设计方法

背景技术

高功率激光器在激光聚变、国防军事、工业生产、医疗器械、空间通信和航天技术等方面发挥着相当重要的作用。一些应用领域对激光器的功率提出高要求，例如激光切割和焊接、汽车加工领域需要千瓦级的大功率激光器，国防军事领域需要高功率的激光定向武器。这些需求和应用都对目前激光器的功率、光束质量和输出效率等性能指标的提高提出了一个新的挑战。提高激光器输出功率的有效方法为利用激光合束技术，将不同波段激光进行非相干合束，获得多波段、大功率输出效果，这对于高能激光应用、远距离激光传输等方面有着重大的意义。在激光合束的原理下：合束镜向左倾斜45度放置，激光光束λ_A竖直入射至合束镜右表面，通过合束镜薄膜的高反射，水平出射；激光光束λ_B水平入射至合束镜左表面，通过合束镜薄膜的增透射，同样水平出射，两束光非相干合束，极大地提高了激光器的输出功率。合束镜左表面和右表面镀制的消偏振合束镜薄膜，其薄膜在对应波长下的透射效率和反射效率，将严重影响激光的合束质量。但由于合束波长通常距离较近(如λ_A为976nm，λ_B为1010nm合束)，既要消除45度工作角度下P偏振光和S偏振光的偏振分离，同时保证976nm处P偏振光和S偏振光高反射，1010nm处P偏振光和S偏振光高透射，这对薄膜的设计和制备带来极高的挑战。

传统的消偏振合束薄膜，其中一种设计思路是利用高低折射率膜层交替出现的规整高反射膜系作为初始膜系，并进行随机优化设计。但是，此初始膜系无法兼顾激光合束所需要的P偏振光、S偏振光同时高效率的增透和高反，且P偏振光和S偏振光偏振分离度极大。其优化过程极为繁琐，最终得到的膜系也极不规整。同时，较为复杂的膜系结构为薄膜的精确制备也带来了诸多困难：

1.膜层敏感度较高，较小的沉积厚度误差就会带来较大的光谱偏差；

2.膜层分布杂乱，可能引入更大的随机误差；

3.引入极厚层和极薄层，可能引入更大的***误差。诸多因素导致实际光谱远远偏离设计光谱，无法获得较高的反射率、透过率以及良好的消偏振效果。另外一种方法是利用三种或者多种材料进行设计，其消偏振效果虽好，但由于采用材料较多，对于大部分镀膜设备来讲，实际制备难度较大，无法广泛推广。

目前，还没有一种既可以有效解决偏振分离，且制备可行性高的设计。针对以上问题可知，消偏振合束镜薄膜急需一种兼顾光谱特性和制备可行性的设计方法，提高激光合束效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种消偏振合束镜薄膜及其设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种消偏振合束镜薄膜，包括基底以及设置在基底上的第一薄膜，所述的第一薄膜的膜系结构为Sub|x₁H x₂L x₃H x₄L......x_k-3H x_k-2L x_k-1H x_kL|Air，其中，Sub为薄膜元件基板，Air为出射介质空气，H和L分别为1/4中心波长光学厚度的高折射率材料薄膜层和低折射率材料薄膜层，x₁～x_k为每层薄膜层的光学厚度系数，k为薄膜层总数。

优选地，所述的基底材料为熔融石英或K9玻璃。

优选地，所述的高折射率材料为HfO₂、TiO₂，ZrO₂、Ta₂O₅、硫化物或硒化物，低折射率材料为MgF₂、SiO₂或Al₂O₃。

一种消偏振合束镜薄膜的设计方法，包括以下步骤：

1)选定中心波长λ₀；

2)调整第一薄膜多层膜膜内光学厚度配比，将45度入射下的消偏振效果最佳的膜系结构作为第一薄膜的初始结构，即Sub|1.34(1.15(HLHL)0.85(HLHL))^n|Air，其中，Sub为薄膜元件基板，Air为出射介质空气，H和L分别为1/4中心波长光学厚度的高折射率材料薄膜层和低折射率材料薄膜层，n为膜堆数；

3)设定第一薄膜初始结构的膜系在λ₁＜λ_A＜λ₂波段的P偏振光和S偏振光透射率为最小值，λ₃＜λ_B＜λ₄波段的P偏振光和S偏振光透过率为最大值，其中，λ_A为反射带中心波长，λ_B为透射带中心波长，λ₁为高反带优化目标起始波长，λ₂为高反带优化目标终止波长，λ₃为高透带优化目标起始波长，λ₄为高透带优化目标终止波长，且λ₁＜λ_A＜λ₂＜λ₀＜λ₃＜λ_B＜λ₄；

4)采用膜系设计软件对初始结构进行优化，具体为：

在优化时，保证第一薄膜的膜系主体部分不变，优化部分为敏感层，并以膜系规整、光谱消偏特性优良、λ_A达到高反射、λ_B达到高透射作为优化的终止条件；

5)最终获得优化后的膜系结构为：Sub|x₁H x₂L x₃H x₄L......x_k-3H x_k-2L x_k-1Hx_kL|Air，其中，x₁～x_k为每层薄膜层的光学厚度系数。

优选地，该消偏振合束镜薄膜的工作角度为45°。

优选地，所述的中心波长λ₀根据反射带中心波长λ_A和透射带中心波长λ_B进行选取，该膜系下则有：

λ_A＜λ₀＜λ_B。

优选地，所述的高反带优化目标起始波长λ₁、高反带优化目标终止波长λ₂、高透带优化目标起始波长λ₃以及高透带优化目标终止波长λ₄根据实际激光合束波长进行调整，该膜系下，取λ₁＝0.98*λ_A,λ₂＝1.01*λ_A,λ₃＝0.99*λ_B，λ₃＝1.02*λ_B。

所述的膜堆数n≥8。

优选地，所述的膜系设计软件为TFC、Essential Macload或Optilayer，应用的功能为Hyper Newton,、Modified DLS、Newton method、Sequential QP、Quasi-Newton DLS、Conjugate gradients，Steepest descent，Gradient method，Simplex method和VariableMetric。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、简化优化过程：由于采用特殊的初始膜系，其消偏振效果显著，因此只需要稍加优化就可以得到理想的消偏振合束镜薄膜，优化过程使用常用的TFC、Macload、Optilayer软件便可实现；

2、膜系规整：给定特殊的初始结构，可以最大程度消除由高反射带向高增透带过渡时产生的偏振分离，简单的膜厚优化可获得极好的光谱特性；

3、便于制备：由于设计得到的膜系为规整膜系，因此薄膜厚度误差敏感度较低，即使在1％以内厚度误差下，也能够保持优良的光谱特性，使制备可行性大大提升；

4、降低了制备的复杂性：由于采用两种材料进行设计，相比较于传统消偏振薄膜的多种材料并用的方法，降低了制备复杂性，减少了更多不可控因素，从而有效提高了制备的可行性；

5、消偏效果好、光谱特性优良：综合设计和制备，此发明要比传统的设计方法，更容易实现良好的消偏效果和光谱特性。

附图说明

图1为本发明实施例45度近红外消偏振合束镜薄膜的示意图。

图2为1.34(1.15(HLHL)0.85(HLHL))膜系结构45度入射时薄膜透过率光谱。

图3为规整高反射膜透过率光谱。

图4为本发明实施例中JGS1熔融石英基板的光学常数。

图5为本发明实施例中高折射率材料Ta₂O₅的光学常数。

图6为本发明实施例中低折射率材料SiO₂的光学常数。

图7为本发明实施例中给定的初始膜系透过率光谱。

图8为本发明实施例中简单优化后的薄膜厚度分布图。

图9为本发明实施例中简单优化后的薄膜透射率光谱。

图10为通过规整高反射膜系优化后的薄膜厚度分布图。

图11为通过规整高反射膜系优化后的薄膜透过率光谱。

图12为本发明实施例中简单优化后的薄膜45度入射时S偏振光误差分析透射率光谱。

图13为本发明实施例中简单优化后的薄膜45度入射时P偏振光误差分析透射率光谱。

图中标记说明：

1、基板，2、第一薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明内容主要是利用多层膜的光学厚度不同配比对其等效折射率进行可控调制，从而降低膜层的偏振分离度。对于单层膜而言，其偏振分度的参数为：偏振分度的参数为

其中，n为单层膜材料折射率，θ为折射角，θ₀为入射角，η_P为P偏振光有效导纳，η_S为S偏振光有效导纳。显然，偏振分离度恒大于1，单层膜存在偏振分离，其中η_P＞η_s。除此之外，单层膜折射率n值也是影响偏振分离度的重要因素之一。通过适当调整单层膜折射率n值，可以有效降低薄膜的偏振分离度。实际上，利用多层膜等效折射率理论，可以将多层膜等效成为单层膜，将多层膜的组合导纳等效为单层膜的折射率，故本发明利用多层膜的光学厚度不同配比对其等效折射率进行可控调制，有效降低膜层的偏振分离度。

本发明提供一种消偏振合束镜薄膜及设计方法，该薄膜结构由基底1和第一薄膜2组成，如图1所示，第一薄膜2的初始结构为Sub|1.34(1.15(HLHL)0.85(HLHL))^n|Air，其中，Sub是薄膜元件基板，Air是出射介质空气，H和L分别是1/4中心波长光学厚度的高折射率材料和低折射率材料，n为膜堆数，该膜系结构的设计步骤为：

1)根据实际需求，选定中心波长λ₀；

2)调整多层膜膜内光学厚度配比，得到45度入射下的消偏振效果最佳的膜系结构，其透过率光谱见图2，由此确定第一薄膜(2)的初始结构为Sub|1.34(1.15(HLHL)0.85(HLHL))^n|Air；

3)设定第一薄膜(2)初始结构的膜系在λ₁＜λ_A＜λ₂波段的P偏振光和S偏振光透射率为最小值，λ₃＜λ_B＜λ₄波段的P偏振光和S偏振光透过率为最大值，其中，λ_A为反射带中心波长，λ_B为透射带中心波长，λ₁＜λ_A＜λ₂＜λ₀＜λ₃＜λ_B＜λ₄，；

4)利用膜系设计软件对步骤3)中已设定的第一薄膜(2)初始结构进行优化，优化时保证膜系主体部分不变，仅优化部分敏感层，以膜系近乎规整、光谱消偏特性优良、λ_A达到高反射、λ_B达到高透射为优化的终止条件；

5)获得优化后的最终膜系结构为：Sub|x₁H x₂L x₃H x₄L......x_k-3H x_k-2L x_k-1Hx_kL|Air其中，x₁～x_k为每层薄膜的光学厚度系数，k为薄膜层总数，消偏振合束镜薄膜的工作角度为45°。

基底(1)材料为熔融石英或K9玻璃；

中心波长λ₀可以根据激光器合束波长λ_A和λ_B进行选取，通常取λ_A＜λ₀＜λ_B；

高折射率材料为HfO₂、TiO₂，ZrO₂、Ta₂O₅、硫化物或硒化物，低折射率材料为MgF₂、SiO₂或Al₂O₃；

膜系的膜堆数n可以根据所用激光器合束的需求和特点任意选取，该膜系结构n≥8。

λ₁、λ₂、λ₃、λ₄可以根据实际激光合束波长进行调整，该膜系下，λ₁＝0.98*λ_A,λ₂＝1.01*λ_A,λ₃＝0.99*λ_B，λ₃＝1.02*λ_B；

膜系设计软件为TFC、Essential Macload或Optilayer；

膜系设计软件应用的功能为Hyper Newton,、Modified DLS、Newton method、Sequential QP、Quasi-Newton DLS、Conjugate gradients，Steepest descent，Gradientmethod，Simplex method和Variable Metric。

实施例：

本实施例提供一种45度近红外消偏振合束镜薄膜及设计方法。其激光合束波长：λ_A为976nm，λ_B为1010nm，即需要满足976nm的P偏振光和S偏振光高反射，1010nm的P偏振光和S偏振光高透射，且消除P偏振光和S偏振光的偏振分离。图3所示为规整高反射膜：Sub|(HL)^20|Air透过率光谱，可以看出，该初始膜系有很大的偏振分离度,即使通过优化，也很难完全消除偏振。因此需要更加有效的消偏振设计方法。

具体设计方法包括如下步骤：

45度近红外消偏振合束镜薄膜结构，如图1所示，包括由下而上依次设置的基板1、第一薄膜2。

选定参考波长λ₀为1000nm；选择基底材料Sub为JGS1，其光学常数如图4所示；选定高折射率材料H为Ta₂O₅，其光学常数如图5所示；低折射率材料L为SiO₂，其光学常数如图6所示。

在第一薄膜(2)设计45度近红外消偏振合束镜薄膜，其膜系初始结构为：

Sub|1.34(1.15(HLHL)0.85(HLHL))^8|Air。通过光谱计算可以看出，初始膜系在960-1050偏振分离度很小。即使不加优化，也是一个性能优良的消偏振膜系。其光谱如图7所示。

设定所述第一薄膜(2)的膜系结构在956nm＜λ＜985nm波段的P偏振光和S偏振光透射率为最小值，1000nm＜λ＜1030nm波段的P偏振光和S偏振光透过率为最大值，用Optilayer的Conjugate gradients优化功能对所述的第一薄膜(2)的初始结构进行优化，简单优化后的膜系结构为：

优化得到的45度近红外消偏振合束镜薄膜膜层分布图如图8所示，可以看出此简单优化得到的膜系近乎规整，为实际制备带来了便捷。优化得到的45度近红外消偏振合束镜薄膜，在45度入射时P偏振光和S偏振光的透过率光谱如图9所示：976nm处P偏振光和S偏振光反射率高达99.95％，1010nm处P光透过率和S光透过率均高于99.8％。图7为通过常规优化得到的消偏振合束镜薄膜，其膜层分布图如图10所示，相比本实施例设计膜系，非常不规整,有极厚层607nm与极薄层20nm,这给实际制备带来了很大的难度。其透过率光谱如图11所示，偏振分离度仍然比较大，且976nm高反射带反射率不够高，1010nm透射率不够高。

同时，利用Optilayer软件对此薄膜进行误差分析，设置Ta₂O₅和SiO₂的膜层厚度误差为1％。如图12、图13所示：45度入射时，976nm处P偏振光和S偏振光期望反射率仍然高达99.75％，1010nm处P光透过率和S光透过率均高于98.5％。充分说明了此膜系误差敏感度低，便于制备的优势。

本实施例的大角度消偏振合束薄膜的工作角度为45度。设计光谱以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种消偏振合束镜薄膜的设计方法，其特征在于，包括基底(1)以及设置在基底(1)上的第一薄膜(2)，所述的第一薄膜(2)的膜系结构为Sub|x₁H x₂L x₃H x₄L......x_k-3H x_{k- 2}L x_k-1H x_kL|Air，其中，Sub为薄膜元件基板，Air为出射介质空气，H和L分别为1/4中心波长光学厚度的高折射率材料薄膜层和低折射率材料薄膜层，x₁～x_k为每层薄膜层的光学厚度系数，k为薄膜层总数；

包括以下步骤：

1)选定中心波长λ₀；

2)调整第一薄膜多层膜膜内光学厚度配比，将45度入射下的消偏振效果最佳的膜系结构作为第一薄膜的初始结构，即Sub|1.34(1.15(HLHL)0.85(HLHL))^n|Air，其中，Sub为薄膜元件基板，Air为出射介质空气，H和L分别为1/4中心波长光学厚度的高折射率材料薄膜层和低折射率材料薄膜层，n为膜堆数；

3)设定第一薄膜初始结构的膜系在λ₁＜λ_A＜λ₂波段的P偏振光和S偏振光透射率为最小值，λ₃＜λ_B＜λ₄波段的P偏振光和S偏振光透过率为最大值，其中，λ_A为反射带中心波长，λ_B为透射带中心波长，λ₁为高反带优化目标起始波长，λ₂为高反带优化目标终止波长，λ₃为高透带优化目标起始波长，λ₄为高透带优化目标终止波长，且λ₁＜λ_A＜λ₂＜λ₀＜λ₃＜λ_B＜λ₄；

4)采用膜系设计软件对初始结构进行优化，具体为：

在优化时，保证第一薄膜的膜系主体部分不变，优化部分为敏感层，并以膜系规整、光谱消偏特性优良、λ_A达到高反射、λ_B达到高透射作为优化的终止条件；

5)最终获得优化后的膜系结构为：Sub|x₁H x₂L x₃H x₄L......x_k-3H x_k-2L x_k-1H x_kL|Air，其中，x₁～x_k为每层薄膜层的光学厚度系数。

2.根据权利要求1所述的一种消偏振合束镜薄膜的设计方法，其特征在于，所述的基底(1)材料为熔融石英或K9玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种消偏振合束镜薄膜的设计方法，其特征在于，所述的高折射率材料为HfO₂、TiO₂，ZrO₂、Ta₂O₅、硫化物或硒化物，低折射率材料为MgF₂、SiO₂或Al₂O₃。

4.根据权利要求1所述的一种消偏振合束镜薄膜的设计方法，其特征在于，该消偏振合束镜薄膜的工作角度为45°。

5.根据权利要求1所述的一种消偏振合束镜薄膜的设计方法，其特征在于，所述的中心波长λ₀根据反射带中心波长λ_A和透射带中心波长λ_B进行选取，该膜系下则有：

λ_A＜λ₀＜λ_B。

6.根据权利要求1所述的一种消偏振合束镜薄膜的设计方法，其特征在于，所述的高反带优化目标起始波长λ₁、高反带优化目标终止波长λ₂、高透带优化目标起始波长λ₃以及高透带优化目标终止波长λ₄根据实际激光合束波长进行调整，该膜系下，取λ₁＝0.98*λ_A,λ₂＝1.01*λ_A,λ₃＝0.99*λ_B，λ₃＝1.02*λ_B。

7.根据权利要求1所述的一种消偏振合束镜薄膜的设计方法，其特征在于，所述的膜堆数n≥8。

Images