CN117075240A - 宽带低非线性光学效应啁啾镜及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种宽带低非线性光学效应啁啾镜，从下到上依次包括基底、宽带啁啾膜层以及低非线性光学效应啁啾膜层。本发明在初始设计的啁啾膜系的基础上，计算了飞秒脉冲入射时膜内折射率增量Δn的分布状况，根据该分布结果设计了宽带啁啾膜层和低非线性光学效应啁啾膜层，从而能够降低膜内折射率增量Δn的数值。与传统的宽带啁啾镜相比，该宽带低非线性光学效应啁啾镜，能够抑制三阶非线性光学效应和降低光学厚度的变化对光谱反射率R和群延迟色散GDD的影响。这种设计方法能够在啁啾镜具有宽光谱带宽的条件下，保持较好的线性光学特性，很好地满足了超快激光***及腔外后压缩***中，高反射率、宽带宽、低非线性光学效应的啁啾镜设计需求。
Description
技术领域
本发明属于超快激光薄膜领域，具体是一种超强超短激光***及腔外后压缩***中用于脉冲压缩的能够抑制非线性光学效应的光学薄膜元件。
背景技术
随着超强超短脉冲激光技术的不断发展，脉冲宽度已经能够压缩至几飞秒，峰值功率将达到百拍瓦量级。啁啾镜是超强超短脉冲激光***以及腔外后压缩***中进行色散补偿的常用光学元件之一，其色散补偿性能直接制约着最终产生的超短脉冲的质量。超强超短激光技术的发展对光学薄膜提出了新的要求：更宽的工作带宽和更精确的色散补偿。啁啾镜通过在反射带宽内提供负的群延迟色散，实现对前级展宽器引入的正色散的精确补偿。目前在建的百拍瓦激光装置中，脉冲的光谱宽度需求达到200nm甚至300nm以上，并且在高脉冲峰值功率密度脉冲的入射条件下，本身被认为是线性光学元件的啁啾镜，也会表现出非线性光学效应，会严重影响其进行色散补偿后的脉冲质量。所以设计并制备出能够抑制非线性光学效应的啁啾镜中是高功率超短脉冲激光器的一个研究重点。
高折射率材料，如TiO2、Nb2O5等，相比于低折射率材料SiO2具有更高的非线性折射率n2，高峰值功率密度脉冲与薄膜相互作用时会产生明显的非线性光学效应，使用非线性折射率n2更小的高折射率材料，如HfO2和Al2O3，有利于抑制非线性光学效应在啁啾镜中的产生。然而，由于HfO2和Al2O3本身的线性折射率n0较低，直接将高折射率膜层全部替换HfO2和Al2O3，会严重限制啁啾镜的工作带宽。所以设计一种宽带低非线性光学效应的啁啾镜成为一个亟待解决的问题。传统的宽带啁啾镜由高低折射率材料交替而成，并且高折射率材料以TiO2、Nb2O5以及Ta2O5居多，并未考虑高峰值功率密度脉冲入射时所带来的非线性光学效应，制约了啁啾镜在超强超短激光***及腔外后压缩***中的应用。因此我们希望能够设计一种宽带低非线性光学效应的啁啾镜，实现良好的脉冲。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提出了一种宽带低非线性效应啁啾镜的设计方法。通过计算高峰值功率密度脉冲入射时膜内折射率增量的分布Δn(r,t)，设计宽带啁啾膜层和低非线性光学效应啁啾膜层，从而抑制啁啾镜内的非线性光学效应，如三阶非线性光学效应，如膜层光学厚度的变化造成光谱反射率R和群延迟色散GDD的变化。所设计的宽带低非线性啁啾镜具有更好的线性光学响应，这对超强超短激光技术和腔外后压缩技术的发展具有重要意义。
本发明解决的技术方案如下：
一种宽带低非线性光学效应的啁啾镜，其特点在于，由下到上依次为基底、宽带啁啾膜层以及低非线性光学效应啁啾膜层；
所述宽带啁啾膜层由高折射率膜层材料A和低折射率膜层材料B交替而成，所述高折射率膜层材料A的线性折射率为n0A、非线性折射率为n2A，所述低折射率膜层材料B的线性折射率为n0B、非线性折射率为n2B；
所述低非线性光学效应啁啾膜层由高折射率膜层材料C和低折射率膜层材料B交替而成，所述高折射率膜层材料C的线性折射率为n0C、非线性折射率为n2C，且n2C＜n2A。
进一步，所述高折射率膜层材料A为Nb2O5、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Si、氟化物或硫化物，所述低折射率膜层材料B为SiO2或MgF2，所述高折射率膜层材料C为HfO2或Al2O3。
进一步，所述宽带啁啾膜层，用于提供啁啾镜的宽光谱带宽，所述低非线性光学效应啁啾膜层，用于降低折射率增量Δn的大小，进而抑制三阶非线性光学效应和降低折射率增量Δn对啁啾镜光谱反射率R和群延迟色散GDD的影响。
一种宽带低非线性光学效应的啁啾镜的设计方法，其特点在于，包括如下步骤：
步骤1：根据所需设计啁啾镜的要求，包括色散量、反射率以及光谱带宽，选择所要使用的材料：选择高折射率宽光谱带宽材料Nb2O5、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Si、氟化物或硫化物作为高折射率膜层材料A；选择低折射率低非线性折射率材料SiO2或MgF2作为低折射率膜层材料B；选择高折射率低非线性折射率材料HfO2或Al2O3作为高折射率膜层材料C；
步骤2：获得初始啁啾膜系：根据所需设计啁啾镜的要求，选择优化目标值，包括工作波长、入射角度、光谱反射率以及群延迟色散，在膜系设计软件中使用优化算法多次优化，获得所述高折射率膜层材料A和低折射率膜层材料B交替而成的初始啁啾膜系；
步骤3：根据入射脉冲强度I(λ)，计算所有波长的光电场作用于所述初始啁啾膜系后所产生的膜内折射率增量Δn，获得关于啁啾镜深度坐标r、作用时间t、折射率增量Δn的三维分布Δn(r,t)；
步骤4：将高折射率膜层材料A中Δn(r,t)>>n2BI的膜层材料替换为所述高折射率膜层材料C，使低折射率膜层材料B与高折射率膜层材料C交替组成低非线性光学效应啁啾膜层，其中，I为入射脉冲峰值功率密度；剩余未替换的高折射率膜层材料A与低折射率膜层材料B交替组成宽带啁啾膜层；再次在膜系设计软件中，对该结构使用优化，获得初步设计结果；
步骤5：根据入射脉冲强度I(λ)，对步骤4获得的初步设计结果再次计算Δn(r,t)，并观察Δn(r,t)的大小是否降低，若没有全部降低，则增加所述高折射率膜层材料C的替换数量，直到折射率增量Δn(r,t)的大小在膜层内整体得以降低，最终得到宽带低非线性光学效应啁啾镜。
进一步，所述步骤3根据入射脉冲强度I(λ)，计算所有波长的电场作用于所述初始啁啾膜系后所产生的膜内折射率增量Δn，获得关于啁啾镜深度坐标r、作用时间t、折射率增量Δn的三维分布Δn(r,t)，公式如下：
式中，I(λi)为第i个波长λ下的入射脉冲强度，Δn(λi,r,t)是在入射脉冲强度I(λi)作用下啁啾镜深度坐标r、作用时间t时的折射率增量Δn的分布。n2是高折射率膜层材料A、低折射率膜层材料B和高折射率膜层材料C的相应的非线性折射率系数，E(λi,r,t)是在入射脉冲强度I(λi)作用下啁啾镜深度坐标r、作用时间t的电场强度分布，η0为空气阻抗。
与现有技术相比，本发明技术效果
1、通过计算高峰值功率密度激光入射时的膜内折射率增量的时间分布，设计低非线性光学效应膜层。可针对不同的设计需求，调节低非线性光学效应膜层。得到满足需求的宽带低非线性效应色散镜。
2、保证啁啾镜能够在抑制非线性光学效应的同时，提供较宽的光谱带宽，实现高反射率和精确色散补偿。
附图说明
图1为本发明一种宽带低非线性光学效应啁啾镜的膜系结构示意图。
图2为实施例一的初始膜系结构的膜层数分布示意图。
图3为实施例一的初始膜系结构的光谱反射率和群延迟色散示意图。
图4为实施例一的入射脉冲光谱I(λ)的示意图。
图5为实施例一的初始膜系结构的三维分布Δn(r,t)示意图。
图6为实施例一的宽带低非线性光学效应啁啾镜的初始设计三维分布Δn(r,t)示意图。
图7为实施例一的宽带低非线性光学效应啁啾镜的最终设计结果的膜层分布示意图。
图8为实施例一的宽带低非线性光学效应啁啾镜的最终设计结果的光谱反射率和群延迟色散示意图。
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明初始结构示意图，如图所示，从下到上包括基底1、宽带啁啾膜层2、低非线性光学效应膜层3。所述的宽带啁啾膜层2由高低折射率材料交替而成，位于基底1之上，其高折射率膜层材料为A，低折射率膜层材料为B；所述的低非线性光学效应啁啾膜层由高低折射率材料交替而成，位于宽带啁啾膜层之上，其高折射率膜层材料C，低折射率膜层材料为B。
实施例一所要求的宽带低非线性效应啁啾镜的设计指标为：群延迟色散值为-50fs2±100fs2@700-1100nm，光谱反射率大于99％，同时具有低非线性光学效应。该宽带低非线性效应啁啾镜用于超强超短激光***及腔外压缩***的配对色散补偿。
设计步骤如下：
1)根据反射率、群延迟色散、光谱带宽以及低非线性光学效应要求，实际光谱带宽较宽，反射率要求较高，折射率增量要小，所以宽带啁啾膜层的高折射率膜层材料A选用Nb2O5，低非线性光学效应膜层的高折射率膜层材料C选择HfO2，低折射率膜层材料B为SiO2，Nb2O5、HfO2、SiO2的非线性折射率n2的数值分别为2.14e-15、5.8e-16、3.67e-16，单位为cm2/W。入射脉冲强度I(λ)在图4给出，入射脉冲的峰值功率为19.58TW/cm2。高低折射率材料的折射率参数由柯西公式确定，如表1所示。
| A0 | A1 | A2 | |
| SiO2 | 1.461870 | 8.7865400e-6 | 3.5344300e-4 |
| Nb2O5 | 2.133340 | 0.031252 | 2.3943400e-3 |
| HfO2 | 1.912093 | 1.1209308e-2 | 3.3906601e-4 |
表1
2)根据所设计的啁啾镜的目标要求，使用膜系设计软件中不同的优化方法，设计出由Nb2O5和SiO2交替而成的初始宽带啁啾镜，得到如图2所示的初始膜系结构，图3显示的是初始结构的光谱反射率和群延迟色散。
3)根据入射脉冲光谱I(λ)，如图4所示，根据下列公式
E(λi,r,t)＝A(r)T(λi,r,t)
计算所有波长的电场作用于图2的初始膜系结构后所产生的膜内折射率增量Δn，获得关于啁啾镜深度坐标r、作用时间t、折射率增量Δn的三维分布Δn(r,t)，结果如图5所示。上述公式中，E(λi,r,t)是在入射脉冲强度I(λi)作用下啁啾镜深度坐标r、作用时间t的电场强度分布，E0是峰值电场强度，A(r)是振幅调制项,T(ii,r,t)是不同波长下的时间电场演化项，ω0是光斑束腰半径，x0是瑞利范围，ω是角频率，k为波数，t0是脉冲入射的延迟时间，Δt是入射飞秒脉冲的脉冲宽度，n2是材料的非线性折射率。η0是空气阻抗。
4)根据图5的结果，将Δn(r,t)远大于n2BI≈0.01的高折射率Nb2O5膜层替换为HfO2。从而分别组成宽带啁啾膜层和低非线性光学效应啁啾膜层，形成宽带低非线性光学效应啁啾镜的初始设计。
5)结合图4的入射脉冲光谱I(λ)，将4)中获得的宽带低非线性光学效应啁啾镜的初始设计，关于啁啾镜深度坐标r、作用时间t、折射率增量Δn的三维分布Δn(r,t)的计算，结果如图6所示。
6)观察图6的计算结果，变化峰值从0.06衰减为0.015，整体的Δn(r,t)得以降低，视为完成设计，最终设计的啁啾镜如图7所示，其光谱反射率和群延迟色散如图8所示。
7)若仍有部分膜层的折射率增量Δn(r,t)是远远大于n2BI的，则增加HfO2替换Nb2O5膜层的数量，在膜系设计软件中重新优化，重新获得宽带低非线性啁啾镜的初始设计并计算Δn(r,t)，直到满足设计结果。
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 (5)
1.一种宽带低非线性光学效应的啁啾镜，其特征在于，由下到上依次为基底(1)、宽带啁啾膜层(2)以及低非线性光学效应啁啾膜层(3)；
所述宽带啁啾膜层(2)由高折射率膜层材料A和低折射率膜层材料B交替而成，所述高折射率膜层材料A的线性折射率为n0A、非线性折射率为n2A，所述低折射率膜层材料B的线性折射率为n0B、非线性折射率为n2B；
所述低非线性光学效应啁啾膜层(3)由高折射率膜层材料C和低折射率膜层材料B交替而成，所述高折射率膜层材料C的线性折射率为n0C、非线性折射率为n2c，且n2C＜n2A。
2.根据权利要求1所述宽带低非线性光学效应的啁啾镜，其特征在于，所述高折射率膜层材料A为Nb2O5、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Si、氟化物或硫化物，所述低折射率膜层材料B为SiO2或MgF2，所述高折射率膜层材料C为HfO2或A12O3。
3.根据权利要求1所述宽带低非线性光学效应的啁啾镜，其特征在于，所述宽带啁啾膜层(2)，用于提供啁啾镜的宽光谱带宽，所述低非线性光学效应啁啾膜层(3)，用于降低折射率增量Δn的大小，进而抑制三阶非线性光学效应和降低折射率增量Δn对啁啾镜光谱反射率R和群延迟色散GDD的影响。
4.一种宽带低非线性光学效应的啁啾镜的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据所需设计啁啾镜的要求，包括色散量、反射率以及光谱带宽，选择所要使用的材料：选择高折射率宽光谱带宽材料Nb2O5、Ta2O5、TiO2、ZrO2、Si、氟化物或硫化物作为高折射率膜层材料A；选择低折射率低非线性折射率材料SiO2或MgF2作为低折射率膜层材料B；选择高折射率低非线性折射率材料HfO2或Al2O3作为高折射率膜层材料C；
步骤2：获得初始啁啾膜系：根据所需设计啁啾镜的要求，选择优化目标值，包括工作波长、入射角度、光谱反射率以及群延迟色散，在膜系设计软件中使用优化算法多次优化，获得所述高折射率膜层材料A和低折射率膜层材料B交替而成的初始啁啾膜系；
步骤3：根据入射脉冲强度I(λ)，计算所有波长的光电场作用于所述初始啁啾膜系后所产生的膜内折射率增量Δn，获得关于啁啾镜深度坐标r、作用时间t、折射率增量Δn的三维分布Δn(r，t)；
步骤4：将高折射率膜层材料A中Δn(r，t)＞＞n2BI的膜层材料替换为所述高折射率膜层材料C，使低折射率膜层材料B与高折射率膜层材料C交替组成低非线性光学效应啁啾膜层(3)，其中，I为入射脉冲峰值功率密度；剩余未替换的高折射率膜层材料A与低折射率膜层材料B交替组成宽带啁啾膜层(2)；再次在膜系设计软件中，对该结构使用优化，获得初步设计结果；
步骤5：根据入射脉冲强度I(λ)，对步骤4获得的初步设计结果再次计算Δn(r，t)，并观察Δn(r，t)的大小是否降低，若没有全部降低，则增加所述高折射率膜层材料C的替换数量，直到折射率增量Δn(r，t)的大小在膜层内整体得以降低，最终得到宽带低非线性光学效应啁啾镜。
5.根据权利要求4所述的宽带低非线性光学效应的啁啾镜的设计方法，其特征在于，所述步骤3根据入射脉冲强度I(λ)，计算所有波长的电场作用于所述初始啁啾膜系后所产生的膜内折射率增量Δn，获得关于啁啾镜深度坐标r、作用时间t、折射率增量Δn的三维分布Δn(r，t)，公式如下：
式中，I(λi)为第i个波长λ下的入射脉冲强度，Δn(λi，r，t)是在入射脉冲强度I(λi)作用下啁啾镜深度坐标r、作用时间t时的折射率增量Δn的分布，n2是高折射率膜层材料A、低折射率膜层材料B和高折射率膜层材料C的相应的非线性折射率系数，E(λi，r，t)是在入射脉冲强度I(λi)作用下啁啾镜深度坐标r、作用时间t的电场强度分布，η0为空气阻抗。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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