一种基于F-P腔的多层薄膜三倍频输出镜结构的制作方法

一种基于f-p腔的多层薄膜三倍频输出镜结构
技术领域
[0001]
本发明属于非线性光学以及薄膜光学领域，具体是一种基于f-p腔的多层薄膜三倍频输出镜结构。


背景技术：

[0002]
随着近年来非线性光学的迅速发展，非线性微型化响应器件的需求逐渐上升，非线性晶体由于物理尺寸的制约而限制了非线性微型化响应器件的发展。薄膜态材料实现非线性转换输出具有低损耗、高损伤阈值、易于集成等优势，并且在超短超强激光领域，薄膜元件在激光辐照过程中产生非线性光致发光现象已被证实，薄膜元件的非线性效应越来越受到关注。据目前报道，利用薄膜态材料实现非线性响应主要有如下方法：一是应用高非线性极化率材料的单层薄膜结构；二是在单层膜上刻蚀微结构，通过等离子体共振的方法来增强非线性响应，三是利用高/低折射率材料交替组成的多层薄膜结构。以上方法的非线性转换效率较小，而基于f-p腔的多层薄膜结构利用腔内多光束干涉效应的原理，充分放大非线性响应过程，为薄膜态材料实现高效倍频转换输出提供了新思路。


技术实现要素：

[0003]
本发明将f-p腔多光束干涉效应与薄膜态材料非线性响应结合在一起，在间隔层中镀入高非线性极化率材料，通过调节反射膜系的膜层反射率，以及间隔层材料种类和厚度，可极大地提高薄膜态材料的三阶非线性响应强度。
[0004]
本发明的技术解决方案：
[0005]
一种基于f-p腔的多层薄膜三倍频输出镜结构，其特点在于，由下到上依次分别为基底、反射膜系i、间隔层、反射膜系ii。基本表达式为：g/r1lr2/a。其中，g代表基底材料，r1代表反射膜系i，r2代表反射膜系ii，l代表间隔层，a代表入射介质。
[0006]
所述反射膜系i由高/低折射率材料交替组成，其结构为(hl)
p
；反射膜系ii由低/高折射率材料交替组成，其结构为(lh)
q
。其中，h和l分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料，p代表hl单元的周期数，q代表lh单元的周期数。
[0007]
通过优化h和l膜层的材料种类、膜层数目及膜层厚度增强谐振腔内多光束干涉效应，从而增强激光与非线性材料的相互作用。
[0008]
所述间隔层由高非线性极化率材料构成，其结构为nm。其中，m代表光学厚度为λ/2高非线性极化率材料，n代表间隔层的厚度。
[0009]
三阶非线性响应强度与非线性材料三阶极化率的大小呈正相关，选择三阶极化率较高的材料作为间隔层将进一步提高三倍频转换输出镜的倍频效率。
[0010]
与现有技术相比，本发明技术效果：
[0011]
1.提出一种基于f-p腔的多层薄膜三倍频输出镜结构，利用腔内多干涉效应以及材料本身高非线性极化率特性增强三阶非线性转换输出强度，通过调节各膜层的材料种类、膜层厚度等参数，得到满足设计要求的三倍频转换输出镜。
[0012]
2.与现有的高非线性材料单层薄膜结构对比，结合了f-p腔的多层薄膜结构利用腔内多干涉效应增强腔内电场强度，并且增加了光束在腔内非线性材料内部的传输长度，由此提高了三阶非线性响应强度。
[0013]
3.与现有的h/l高低折射率交替而成的多层薄膜结构对比，结合了f-p腔的多层薄膜结构充分利用腔内非线性材料以及反射膜系两者转换效率，进一步提升了三倍频转换输出强度。
附图说明
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图1为本发明基于f-p腔的多层薄膜三倍频输出镜结构示意图。
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图2为实例一中基频透射光谱图。
[0016]
图3为实例一中基频能量在各膜层中的相对强度分布图。
[0017]
图4为实例一中各膜层中非线性响应相对强度分布图。
[0018]
图5为实例一中三倍频转换效率与入射激光能量的关系曲线图。
具体实施方式
[0019]
下面结合附图对本发明具体实例进行详细说明。
[0020]
图1为本发明一种基于f-p腔的多层薄膜三倍频输出镜结构示意图，如图所示，从下到上包括1-基底、2-反射膜系i、3-间隔层、4-反射膜系ii、5-入射介质。
[0021]
所述三倍频输出镜表达式为：g/r1lr2/a。其中，g代表基底材料，r1代表反射膜系i，r2代表反射膜系ii，l代表间隔层，a代表入射介质。反射膜系i由高/低折射率材料交替组成，其结构为(hl)
p
；反射膜系ii由低/高折射率材料交替组成，其结构为(lh)
q
；间隔层由高非线性极化率材料构成，其结构为nm。h和l分别代表光学厚度为λ/4的高/低折射率材料，p代表hl单元的周期数，q代表lh单元的周期数；m代表光学厚度为λ/2高非线性极化率材料，n代表间隔层的厚度。
[0022]
实例一所要求的三倍频输出镜基频中心波长为1030nm，基频光束0
°
入射时透过率>95％，相应带宽为4～5nm，当入射能量密度>0.6j/cm2时三倍频转换效率>1％。
[0023]
设计步骤如下：
[0024]
1.选择高折射率材料为hfo2，低折射率材料为sio2，间隔层材料为znse，此三种材料在基频波长、三倍频波长处的折射率具体数值如表1所示，三阶非线性极化率具体数值如表2所示。
[0025] n1(λ＝1030nm)n3(λ＝343nm)hfo21.942.00sio21.451.48znse2.412.67
[0026]
表1
[0027] hfo2sio2znseχ
(3)
(m2/v2)40*10-22
2*10-22
2*10-19
[0028]
表2
[0029]
2.根据三倍频输出镜的要求，选择合适的参数。基于表达式g/(hl)
p nm(lh)
q
/a，反
复迭代n、p和q的值，最终确定n＝5，p＝7，q＝7。得到各膜层的厚度分别为：
[0030]
g/132.73/177.59/132.73/177.59/132.73/177.59/132.73/177.59/132.73/177.59/1495.85/177.59/132.73/177.59/132.73/177.59/132.73/177.59/132.73/177.59/132.73/a(单位：nm)。
[0031]
3.优化后的基频透射光谱如图2所示，1030nm处透过率约为96％，相应带宽约为4nm。
[0032]
4.优化后的基频能量在各膜层中的相对强度分布如图3所示，间隔层中的光场强度约为空气中的6倍。
[0033]
5.优化后各膜层中非线性响应相对强度分布如图4所示，间隔层中的非线性响应强度约为第一层h层的8.9*104倍。
[0034]
6.优化后的三倍频转换效率与基频能量的关系如图5所示，当入射能量大于0.6j/cm2时，该结构在反射方向的三倍频转换效率高于1％，在透射方向上的三倍频转换效率高于1.5％。
[0035]
本发明对于多层薄膜实现三倍频转换输出具有重要意义，有助于推动薄膜态材料在非线性光学领域中的应用。
[0036]
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，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。