高损伤阈值激光反射镜的设计方法

　　0 引言

　　在高功率激光系统中, 光学薄膜是一个非常重要而又最易损伤的薄弱环节, 随着激光器输出功率和能量的不断提高, 对激光器腔镜高反膜的反射率和损伤阈值提出了越来越高的要求, 如何能够制备出超高反射率、超低损耗和高抗激光损伤能力的全介质激光反射膜, 成为国内外学者研究的热点。目前, 国际上报道的激光腔镜的最高反射率可以达到99.999 8%[1], 是采用离子束溅射沉积技术制备的, 运用这项技术可以很容易制备出反射率大于99.99%, 损耗低于40×10- 6的全介质反射膜, 主要应用于激光陀螺和高功率激光腔镜的研制。对于高功率激光系统中的反射镜, 高的反射率水平并不能直接反应反射镜抗激光损伤的强度, 即激光高反射膜的损伤阈值。通过设计不同的膜层、研究新的沉积工艺, 广泛地研究如何有效地提高薄膜的抗激光损伤阈值, 先后提出了用优化激光在膜层的驻波场[2～3]和温度场分布[4]来提高薄膜抗损伤阈值的驻波场和温度场优化设计, 在高反射膜表面增镀λ/4 偶数倍SiO2 膜层的半波保护膜方法[5～7], 在膜层材料上选用耐损伤能力强的薄膜材料组合, 如HfO2/SiO2[8]、Y2O3/SiO2 等方法。由于制备高性能激光薄膜的材料非常有限, 要同时达到高反射率和高的抗激光损伤要求, 往往是镀制多膜层, 镀制难度大, 且成本很高, 不适合大规模生产。如何选用适当的膜层组合, 在较少的层数下制备出高反射率、高损伤阈值的激光薄膜成为一个难点。

　　从工程设计的角度提出了一种高损伤阈值激光反射镜的设计方法: 采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料膜系结构, 根据不同薄膜材料的性能, 取长补短, 利用Nb2O5- SiO2 膜层组合折射率差值大的特点, 在较少的层数下满足高反射率的要求; 利用HfO2- SiO2 材料具有高的激光损伤阈值的特点, 在Nb2O5- SiO2 膜堆的最外部分叠加HfO2- SiO2 膜堆, 膜堆间隔部分采用SiO2半波层作为过渡层, 并对Nb2O5- SiO2 起到提高其抗激光损伤能力的半波保护作用, 做到采用较少的膜层数, 达到高反射率要求, 同时提高薄膜的抗激光损伤能力。

　　1 激光反射膜理论分析

　　1.1 全介质反射膜

　　传统的介质高反射膜采用的是高低2 种折射率材料叠加光学厚度为λ/4 周期性多层膜结构, 从多层膜的特征矩阵[9]出发, 对于周期膜系S, 可以得到偶数层2S 和奇数层2S+1 在中心波长λ0 处的反射率分别为:

　　式中: n1、n2 为2 种材料的折射率( n1> n2) ; n0 为入射媒介的折射率; ng 为基底材料的折射率。由薄膜光学理论知道, 若给定层数为奇数, 则用高折射率层作最外层, 总是能得到最大的反射率, 所以基本的反射膜堆结构一般为Sub/(HL)SH/Air。根据多层膜反射率公式( 2) 可知: 当2 层膜的周期数S 固定时, 反射率R 随n1/n2 增加而增大, 而当n1/n2 的比值固定时, 反射率R随S 增加而增大; 所以为了获得高的反射率, 可以选用高低折射率差值大的材料组合和沉积较多的层数。从理论上讲, 全介质膜层在层数足够多时, 可以达到接近100%的反射率, 但实际上膜层的层数不可能无限地增加, 最高可达到的反射率要受到膜层吸收和散射损耗的限制, 而且层数越多, 膜层应力越大, 膜厚监控难度也会加大, 镀制成本也会随之增加。为了优化膜系的设计与制备, 要求所使用的镀膜材料具有最低的吸收和最高的折射率比值, 目前为获得高反射率,常选用TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2、Nb2O5/SiO2 等具有高折射率比值的材料组合。