一种倾斜入射高反射薄膜激光电场分布设计方法
【专利摘要】本发明属于薄膜电场分布的设计【技术领域】，具体涉及一种倾斜入射高反射薄膜激光电场分布设计方法。本发明提供一种高反膜激光电场分布的设计方法，其预先设定薄膜材料的消光系数，通过数值优化高反膜膜系结构的吸收率，将吸收率控制到最小，即可实现对激光电场的分布，最终可以避免在薄膜界面出现强电场分布。通过实施上述方案，可以实现倾斜入射时高反射薄膜激光电场分布设计，它通过调整激光的电场分布，避免在薄膜界面出现强电场，可将吸收率控制到最小，有助于提高激光的抗损伤阈值和降低吸收损耗。
【专利说明】一种倾斜入射局反射薄膜激光电场分布设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于薄膜电场分布的设计【技术领域】，具体涉及一种倾斜入射高反射薄膜激光电场分布设计方法。
【背景技术】
[0002]在抗激光损伤光学薄膜的设计和制备中，人们首先关心薄膜具有良好的光谱特性，其次就是要提高抗激光损伤的阈值。大量的研究结果证明:薄膜中的激光电场分布与抗激光损伤阈值具有较强的关联性，因此通过调整激光的电场分布，能够有助于提高激光的抗损伤阈值。因此，对于高反射薄膜的内部场强分布的分析和理论研究已成为抗激光膜研究的重要课题。
[0003]关于膜层内部场强分布的计算方法已有文献报导。1960年，1(0卯6?册提出了四分之一波长膜系的吸收率公式。1972年，0必61设计了一种非四分之一波长厚度膜系反射镜，它的特点是可以减小高折射率膜层内的电场强度。1976年，細?61首先研究了光线倾斜入射到多层膜时的电场分布，给出了薄膜中两个偏振的电场分量分布、最高负荷值和时间平均值的关系，设计了用于高能激光器的偏振分光镜，给出了存在吸收时多层膜内电场强度计算结果。1977年，細?61详细分析了激光薄膜的驻波场结构和表面保护膜，认为激光损伤阈值与光学薄膜中的驻波场分布具有一定的关系，调整薄膜的驻波场主要有两个方面，一是将电场分布的最大位置调整到抗损伤能力较高的材料膜层内，另一个就是整体降低电场强度。在此以后，驻波场设计已发展为激光薄膜的重要设计方法。同年，从膜系内电场驻波分布入手，提出了 1(0卯61胍11公式新的推导方法。1978年，88)361^61'推导出非四分之一波长膜系的吸收率公式，证明了当反射率达到极限时，再增添一对VI膜层也不会增加反射率。1979年，和？121皿61~7对四分之一波长膜系提出一种新的处理方法；1980年，八111011和83111116181:61'讨论了用导纳矩阵方法计算多层膜内电场分布公式，并给出了非均匀膜层下的电场分布。同年，对非四分之一波长膜系提出“优化对”设计方法。无论采用何种设计方法，主要目的是将电场的峰值调制到消光系数较低的膜层中，避免薄膜材料界面之间出现强电场。
[0004]综上所述，经过半个世纪的发展，激光高反射薄膜的电场分布控制设计主要通过解析法，而商用的薄膜设计软件不能对电场分布直接优化。有必要提出一种基于数值优化的设计方法，实现对高反射薄膜电场分布的调整。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明要解决的技术问题是:如何提供一种倾斜入射高反射薄膜激光电场分布设计方法。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供一种倾斜入射高反射薄膜激光电场分布设计方法，
[0009]高反射薄膜的基本膜系结构为基底/(巧儿)2 IV空气，主要包括基底、高折射率膜层II层，低折射率膜层I层，两层的物理厚度士和 ?，膜层堆数基本的光学厚度为入74，0和分别为高折射率与低折射率薄膜的厚度修正系数，III为基本膜堆(? 1)的重复次数，III的取值决定于对激光反射率的要求；
[0010]所述分布设计方法包括如下步骤:
[0011]步骤31:首先设定高折射率和低折射率薄膜材料的复折射率分别为乂 = 和乂 = 4-1、；118和1?分别为高折射率材料的折射率与消光系数，11,和、分别为低折射率材料的折射率与消光系数；
[0012]步骤32:计算得到!I层和[层薄膜的光学厚度分别为。X。/彳和|3 X ^/4, ^和3取决于激光工作的入射角9。；高折射率和低折射率薄膜内的折射角90和^满足
0。= 1108111 0 0 = 11^8111 0 ^ ；高折射率和低折射率薄膜的光学厚度系数为:高折射率膜层:= 110/008 0 0 和低折射率膜层:6 = 11^/008 0 ^ ；
[0013]步骤33:根据反射率要求设定膜层基本膜堆的循环次数III值；
[0014]步骤34:将膜系结构修正为:基底/(￠^￠[)-(111-2) ￠1邸山￠1斤2317空气；
[0015]步骤35:在膜系设计软件中输入设定参数:吸收率要求值八。；设计角度“01 ；参考波长出层折射率:? ；1层折射率:?出层消光系数:、；1层消光系数:、；输入步骤84中的基本膜系结构；
[0016]步骤36:计算优化前吸收率八⑶；
[0017]步骤37:除最外面保护层外，对接下来的外面四层的光学厚度进行优化，计算优化后的吸收率4/ ；
[0018]步骤38:若优化后的吸收率八。/ “。，不满足要求值；则需修改最外层保护膜除外的外面四层的物理厚度，重复步骤37，直至吸收率八。/小于要求值八。；
[0019]步骤39:优化完成后，激光电场就会自动调整，电场强度峰值避开界面，高折射率层内的电场相对最小。
[0020](三)有益效果
[0021]本发明提供一种高反膜激光电场分布的设计方法，其预先设定薄膜材料的消光系数，通过数值优化高反膜膜系结构的吸收率，将吸收率控制到最小，即可实现对激光电场的分布，最终可以避免在薄膜界面出现强电场分布。
[0022]通过实施上述方案，可以实现倾斜入射时高反射薄膜激光电场分布设计，它通过调整激光的电场分布，避免在薄膜界面出现强电场，可将吸收率控制到最小，有助于提高激光的抗损伤阈值和降低吸收损耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明电场调整的优化设计方法流程图。
[0024]图2为高反射薄膜的结构示意图。
[0025]图3为优化设计前的吸收率光谱示意图。
[0026]图4为优化设计后的吸收率光谱示意图。
[0027]图5为优化前的激光电场分布示意图。
[0028]图6为优化后的激光电场分布不意图。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0030]为解决现有技术的问题，本发明提供一种倾斜入射高反射薄膜激光电场分布设计方法，
[0031]高反射薄膜的基本膜系结构为基底2 IV空气，主要包括基底、高折射率膜层II层，低折射率膜层I层，两层的物理厚度士和 ?，膜层堆数基本的光学厚度为入74，0和分别为高折射率与低折射率薄膜的厚度修正系数，III为基本膜堆(? 1)的重复次数，III的取值决定于对激光反射率的要求；图1为电场调整的分布设计方法流程图；
[0032]所述分布设计方法包括如下步骤:
[0033]步骤31:首先设定高折射率和低折射率薄膜材料的复折射率分别为乂 = 和乂 = 4-1、；118和1?分别为高折射率材料的折射率与消光系数，11,和、分别为低折射率材料的折射率与消光系数；
[0034]步骤32:在理想设计下计算得到!I层和I层薄膜的光学厚度分别为^入/4和入。/4, 0和取决于激光工作的入射角9。；高折射率和低折射率薄膜内的折射角％
和9 ^满足0。= 1108111 0 0 = 11^8111 0 ^ ；高折射率和低折射率薄膜的光学厚度系数为:高折射率膜层:0 = ^/008 0 0和低折射率膜层:6 = 11^/008 0 ^ ；
[0035]步骤33:根据反射率要求设定膜层基本膜堆的循环次数III值；
[0036]步骤34:将膜系结构修正为:基底2^1/空气，参阅附图2 ；
[0037]步骤35:在膜系设计软件中输入设定参数:吸收率要求值八。；设计角度“01 ；参考波长出层折射率:? ；1层折射率:?出层消光系数:、；1层消光系数:、；输入步骤84中的基本膜系结构；
[0038]步骤36:计算优化前吸收率八⑶；
[0039]步骤37:除最外面保护层外，对接下来的外面四层的光学厚度进行优化，计算优化后的吸收率4/ ；
[0040]步骤38:若优化后的吸收率八。/ “。，不满足要求值；则需修改最外层保护膜除外的外面四层的物理厚度，重复步骤37，直至吸收率八。/小于要求值八。；
[0041]步骤39:优化完成后，激光电场就会自动调整，电场强度峰值避开界面，高折射率层内的电场相对最小。
[0042]下面结合具体实施例来详细描述。
[0043]实施例
[0044]薄膜的基本结构如上所述。下面以为632.8=0激光薄膜进行实例设计，入射角度为45。，偏振态为3偏振:
[0045]1、高反膜膜系结构设计步骤:
[0046]1)设定激光的波长为632.811111,工作角度为45。，高折射率材料为1%05，低折射率材料为3102 ；高折射率、低折射率薄膜材料的折射率分别为％ = 2.10和化=1.47 ；高折射率、低折射率薄膜材料的消光系数分别为1? = 2X10^和、=1 X 10—6 ；
[0047]2)计算得到高折射率和低折射率薄膜的光学厚度系数分别为0 = 1.0620、13 =
1.1406 ；
[0048]3)设定薄膜的基本周期为III = 17 ；则修正后的膜系结构为:基底/(1.062?
1.14061) ~ 151.062? 0 山 ￠1 # 0 ￠1 疋 2.28121/ 空气；
[0049]4)将上述参数代入到薄膜设计软件，当时，图2的结构即为未优化前的高反膜基本结构，计算未优化时的吸收率情况，附图3为未优化时高反射薄膜吸收率曲线；
[0050]5)利用薄膜设计软件对外面四层(最外层保护膜除外)进行优化，优化后最终的高反膜结构系数分别为 ^ ！ = 1.343753、0: = 0.76291、3 2 = 1.375926、0 2 = 0.737793 ；
[0051]6)优化后的吸收率光谱整体明显降低，参阅附图4 ；
[0052]7)优化后的电场分布有效避免了薄膜界面处出现强电场，参阅附图5和附图6。
[0053]2、激光电场分布调制设计的效果:
[0054]1)优化前和优化后的吸收率相比，高反膜的总吸收从46.5卯111降低至38.9卯111，透过率从0.4卯111增加到0.6卯111，总吸收的调整幅度为16.35%，透过率的变化仍在1卯0以内，参阅附图3和图4 ；
[0055]2)优化前和优化后的激光电场分布相比，已经将电场强度的相对最大值调整到低折射率膜层内，避免了落在高、低折射率膜层的界面处，参阅附图5和图6。尽管在低折射率膜层内的电场相对最大值比调整前高，但对控制高反射薄膜的抗激光损伤特性还是有益的。
[0056]综上，本发明提供一种倾斜入射高反射薄膜激光电场分布设计方法，其通过调整激光的电场分布，能够有助于提高激光的抗损伤阈值和降低吸收损耗。设计过程中预先设定薄膜的参数，基于数值优化的设计方法，重点针对多层膜结构的外面四层进行数值优化，结果证明，该方面可避免在薄膜界面出现强电场分布，并将相对最大值调整到低折射率膜层内，对于控制激光损伤阈值具有重要的作用。
[0057]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种倾斜入射高反射薄膜激光电场分布设计方法，其特征在于， 高反射薄膜的基本膜系结构为基底/ ( α Ηβ L)~m α H 2 β I/空气，主要包括基底、高折射率膜层H层，低折射率膜层L层，两层的物理厚度dH和4，膜层堆数基本的光学厚度为λ0/4, α和β分别为高折射率与低折射率薄膜的厚度修正系数，m为基本膜堆(H L)的重复次数，m的取值决定于对激光反射率的要求； 所述分布设计方法包括如下步骤: 步骤S1:首先设定高折射率和低折射率薄膜材料的复折射率分别为Nh =Nh=nL-1kL ；nH和kH分别为高折射率材料的折射率与消光系数，nL和匕分别为低折射率材料的折射率与消光系数； 步骤S2:计算得到H层和L层薄膜的光学厚度分别为α λ/4和β λ 0/4, α和β取决于激光工作的入射角Qtl ;高折射率和低折射率薄膜内的折射角0d^Mn(|Sin0o=nHsin Θ H = nLsin Θ L ;高折射率和低折射率薄膜的光学厚度系数为:高折射率膜层:α =nH/cos θ η和低折射率膜层:β = nL/cos Θ L ； 步骤S3:根据反射率要求设定膜层基本膜堆的循环次数m值； 步骤S4:将膜系结构修正为:基底/ ( α H β L)~ (m-2) α H β山α ^ β 2L α 2H 2 β L/空气；步骤S5:在膜系设计软件中输入设定参数:吸收率要求值Atl ;设计角度:AOI ;参考波长:λ ? ;H层折射率:nH ；L层折射率:? ；H层消光系数:kH ；L层消光系数丸；输入步骤S4中的基本膜系结构； 步骤S6:计算优化前吸收率Arat ； 步骤S7:除最外面保护层外，对接下来的外面四层的光学厚度进行优化，计算优化后的吸收率A。/ ； 步骤S8:若优化后的吸收率A。/ >&，不满足要求值；则需修改最外层保护膜除外的外面四层的物理厚度，重复步骤S7，直至吸收率A。/小于要求值Atl ； 步骤S9:优化完成后，激光电场就会自动调整，电场强度峰值避开界面，高折射率层内的电场相对最小。
【文档编号】G02B27/00GK104330895SQ201410721020
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】刘华松, 季一勤, 刘丹丹, 王利栓, 姜玉刚, 姜承慧 申请人:中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所