CN111142178A - 一种微结构低振荡背部镀膜啁啾镜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种微结构低振荡背部镀膜啁啾镜，其结构为A/M/G/C，其中A代表空气层，M代表增透微结构，G代表基底，C代表啁啾膜系。所述基底材料的折射率与啁啾膜系中的低折射率材料接近，所述的啁啾介质膜系结构由高低折射率材料交替沉积组成。本发明在基底表面刻蚀增透微结构，降低光损耗，并且结合阻抗匹配原理，将啁啾膜系镀制在基底背面，利用基底的折射率与啁啾膜系中低折射率材料的折射率相接近的性质，降低群延迟色散振荡。从而设计出满足超快激光***中的用于脉冲压缩展宽的低振荡色散镜。

Description

一种微结构低振荡背部镀膜啁啾镜及其制备方法
技术领域
本发明属于超快激光薄膜领域，尤其涉及到飞秒脉冲激光***中的低振荡色散镜，是一种用于飞秒激光***中脉冲压缩展宽的高反镜。
背景技术
在超快激光领域，色散补偿方式的优劣直接影响着超快激光脉冲的产生和稳定输出，而色散镜的发明和使用对超快激光来说具有里程碑的意义。色散镜相较于传统的色散补偿元件棱镜和光栅对来说，色散镜具有更为精确的色散补偿机制，结构紧凑等优势，色散镜通过给予不同波长的光不同的延迟，即不同波长的光在色散镜中的穿透深度不同，导致不同的光具有不同的延迟，从而达到色散补偿的目的，色散镜在提供精确的色散补偿的同时，不会引入高阶色散以及非线性效应。
色散镜主要分为高色散镜、宽带啁啾镜和低色散镜。低色散镜是激光***中最常用的光学元件，通过在反射带宽内提供接近零的群延迟色散，保证激光脉冲在通过低色散镜时仅发生传输方向的改变，不会引入额外的色散。高色散镜是在一个较窄的带宽范围内，在保持高反射输出的同时，给予足够大的色散补偿量。宽带啁啾镜是超快激光***中腔内色散补偿必不可少的光学元件，评价宽带啁啾镜性能优劣的重要标准是其反射带宽和色散振荡大小，但是反射带宽和色散振荡是一对互为矛盾的变量，反射带宽的增加势必会引起色散振荡的加剧。这主要是因为啁啾膜系与外界空气层之间阻抗不匹配造成的，光脉冲在膜层表面的部分反射光和膜层底部的高反射光之间会形成干涉，最终使色散曲线发生振荡，色散振荡过大会导致脉冲***。
为了消除宽带啁啾镜的色散振荡，国际上提出了多种设计思想，主要有：布鲁斯特角啁啾镜、双啁啾镜、倾斜表面啁啾镜、背部镀膜啁啾镜、啁啾镜对等。目前比较常用的方法是啁啾镜对，啁啾镜对是通过偏移中心波长或者入射角度，使两面镜子的色散振荡存在半个周期的偏移，这样两面镜子的振荡波纹正负相消，色散曲线相对比较平滑。但是啁啾镜成对设计，从设计上和制备来考虑，都是一项不小的挑战。
发明内容
本发明提出了一种微结构低振荡背部镀膜啁啾镜，在基底表面刻蚀周期性增透阵列结构，降低光损耗，并且结合阻抗匹配原理，将啁啾膜系镀制在基底背面，利用基底的折射率与啁啾膜系中低折射率材料的折射率相接近的性质，降低群延迟色散振荡。
本发明解决的技术方案如下：
一种微结构低振荡背部镀膜啁啾镜，其结构为A/M/G/C，其中A代表空气层，M代表增透微结构，G代表基底，C代表啁啾膜系。所述增透微结构为周期性阵列结构，所述基底材料的折射率与啁啾膜系中的低折射率材料接近，所述的啁啾介质膜系结构由高低折射率材料交替沉积组成。
所述的啁啾镜结构表达式为A/M/G/(HxL)^m(xHL)^n(HL)^k/，其中A代表空气层，M代表增透微结构，G代表基底，H为光学厚度为λ/4的高折射率材料，L为光学厚度为λ/4的低折射率材料，n和m为腔的周期数，x为腔的厚度，k为高反膜的周期数。
，所述的高反射率膜层周期数k选择范围为7～20，所述的腔的厚度x在1.2～3之间，所述的腔的周期数m，n在5～18之间。
所述基底层材料为石英玻璃、K9(BK7)或CaF2，且厚度小于0.5mm。
所述啁啾膜系中高折射率的介质薄膜材料为TiO2，Nb2O5，Ta2O5，HfO2，ZrO2，氟化物，硫化物，或Si中的任意一种。
所述啁啾膜系中低折射率的介质薄膜材料为SiO2。
所述的周期阵列结构的各单元形状为长方体、圆柱体、圆锥体、圆台体、金字塔形或抛物椎体。
一种制备所述微结构低振荡背部镀膜啁啾镜的方法，其特点在于：该方法包括以下步骤：
步骤1)在基底上旋涂光刻胶，采用激光全息干涉技术制备所需掩膜版图样。
步骤2)采用反应离子束刻蚀技术将步骤1制备的掩膜版转移至基底上，制备周期性阵列结构。
步骤3)在步骤2制备完周期性阵列结构的基片背面沉积啁啾膜系。
本发明的有益技术效果为：
本发明在基底表面刻蚀增透微结构，降低光损耗，并且结合阻抗匹配原理，将啁啾膜系镀制在基底背面，利用基底的折射率与啁啾膜系中低折射率材料的折射率相接近的性质，设计宽带范围内的低损耗、低振荡啁啾镜。
附图说明
图1为本发明微结构低振荡背部镀膜啁啾镜结构示意图。
图中由下而上依次为啁啾膜系、基底、增透微结构、空气层。
图2增透周期性阵列结构单元示意图。
图3为表面刻有增透微结构的基片透过率。
图4为背部啁啾膜系群延迟色散曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。
如图1所示，一种微结构低振荡背部镀膜啁啾镜，其结构为A/M/G/C，其中A代表空气层，M代表增透微结构，G代表基底，C代表啁啾膜系。其特征在于：所述增透微结构为周期性阵列结构，所述基底材料的折射率与啁啾膜系中的低折射率材料接近，所述的啁啾介质膜系结构由高低折射率材料交替沉积组成。
实施例1指标：-200fs2@780-850nm，5度入射角，p光。
在基底材料方面，石英玻璃与常规的低折射率材料SiO2具有极为接近的折射率，所以本实例选择石英玻璃JGS1作为基底材料。此外因为入射光要穿过基底材料，基底材料的色散不能不忽略，所以基底材料的厚度要尽量的薄，本实例中基底JGS1的厚度为0.5mm(800nm中心波长，0.5mm的石英基底引入+24fs2正色散)。
在周期性阵列结构选择方面，本实例选择如图2(截面图)所示的抛物锥形，
啁啾膜层材料选择高折射率材料Nb2O5，低折射率材料为SiO2，高低折射率材料的折射率参数由以下柯西公式确定：
Figure BDA0002375402960000031
其中A0，A1，A2是柯西色散系数，因不同的介质而不同，λ为波长，n(λ)为波长λ所对应的折射率。本实施例各参数如表1所示。
Figure BDA0002375402960000032
Figure BDA0002375402960000041
表1
根据低振荡色散镜要求，选择合适的初始结构。本实例初始结构为A/M/G/(H1.5L)^10(1.5HL)^10(HL)^13，其中A代表空气层，M代表增透微结构，G代表基底，H为光学厚度为λ/4的高折射率材料，L为光学厚度为λ/4的低折射率材料。设定优化目标为750-850nm范围内，p光反射率100％，群延迟色散GDD＝-200fs2，通过膜系设计软件对初始膜层结构进行优化，直至得到满足设计要求的膜系结构。
本实例具体操作步骤如下：
1、将0.5mm的石英玻璃基片在丙酮溶液中超声清洗15分钟，取出后用去离子水反复冲洗，再烘干。
2、采用旋涂法将光刻胶均匀涂抹在基片正面，光刻胶厚度大约450-550nm。
3、采用激光全息干涉技术进行曝光，将曝光后的基片在显影液中浸泡10-30秒，得到周期为400nm，高度为300nm，占空比1的二维阵列结构。
4、使用反应离子刻蚀技术将制备的掩膜图形转移到石英玻璃基片表面，得到纳米结构阵列。如图2所示，周期为400nm，高度为300nm，占空比1。图3为制备微结构后的透过率。
5、采用双离子束溅射沉积技术，在基片背面沉积满足设计需求的啁啾膜系。图4为啁啾膜系的色散曲线及反射率曲线。刻有增透微结构后，表面透过率从96.5％增加到99.9％以上，极大的减小了光学损耗。并且由于入射介质为石英玻璃，所以如图4所示，背部啁啾膜系的色散振荡仅为空气介质入射啁啾镜的六分之一。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微结构低振荡背部镀膜啁啾镜，其特征在于：其结构为A/M/G/C，其中A代表空气层，M代表增透微结构，G代表基底，C代表啁啾膜系，所述增透微结构为周期性阵列结构，所述基底材料的折射率与啁啾膜系中的低折射率材料的折射率差值的绝对值接近0，所述的啁啾介质膜系结构由高低折射率材料交替沉积组成。
2.根据权利要求1所述的微结构低振荡背部镀膜啁啾镜结构，其特征在于，所述的啁啾镜结构表达式为A/M/G/(HxL)^m(xHL)^n(HL)^k/，其中A代表空气层，M代表增透微结构，G代表基底，H为光学厚度为λ/4的高折射率材料，L为光学厚度为λ/4的低折射率材料，n和m为腔的周期数，x为腔的厚度，k为高反膜的周期数。
3.根据权利要求2所述的微结构低振荡背部镀膜啁啾镜结构，其特征在于，所述的高反射率膜层周期数k选择范围为7～20，所述的腔的厚度x在1.2～3之间，所述的腔的周期数m，n在5～15之间。
4.根据权利要求1所述的微结构低振荡背部镀膜啁啾镜，其特征在于：所述基底材料为石英玻璃、K9(BK7)或CaF2，且厚度小于0.5mm。
5.根据权利要求1所述的微结构低振荡背部镀膜啁啾镜，其特征在于：所述啁啾膜系中高折射率的介质薄膜材料为TiO2，Nb2O5，Ta2O5，HfO2，ZrO2，氟化物，硫化物，或Si中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的微结构低振荡背部镀膜啁啾镜，其特征在于：所述啁啾膜系中低折射率的介质薄膜材料为SiO2。
7.根据权利要求1所述的微结构低振荡背部镀膜啁啾镜，其特征在于：所述的周期阵列结构的各单元形状为长方体、圆柱体、圆锥体、圆台体、金字塔形或抛物椎体。
8.一种制备权利要求1-5任一所述的微结构低振荡背部镀膜啁啾镜的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1)在基底上旋涂光刻胶，采用激光全息干涉技术制备所需掩膜版图样。
步骤2)采用反应离子束刻蚀技术将步骤1制备的掩膜版转移至基底上，制备权利要求5所述的周期性阵列结构。
步骤3)在步骤2制备完周期性阵列结构的基片背面沉积啁啾膜系。
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