一种低振荡色散镜结构及其设计方法与流程

本发明属于超快激光领域，具体是一种超短脉冲激光器中用于脉冲压缩光学元件的具有超低折射率的表面倾斜沉积SiO₂层的低振荡色散镜结构。

背景技术：

色散镜是一种色散补偿元件，在保持高反射率的同时能提供一定的色散补偿，在超快激光系统中可以取代棱镜对和光栅用于脉冲压缩。色散镜分为高色散镜、低色散镜和宽带啁啾镜。色散镜的带宽增大或者色散量增大时可能会引入比较大的色散振荡。这是因为在色散镜结构中，啁啾膜系与外界介质(主要是空气)之间有严重的阻抗不匹配，会使光波在膜层间传输形成干涉最终使色散曲线形成振荡。为了消除这些振荡，目前双啁啾镜、背部镀膜啁啾镜、倾斜表面啁啾镜和布鲁斯特角啁啾镜、啁啾镜对这些设计思想都能很好的抑制啁啾镜色散曲线的振荡。

色散镜对是目前商用最常见的色散补偿元件，色散镜对是通过改变色散镜的参考波长或者在不同的入射角下使用，使其中一个色散镜的振荡周期偏移半个周期，这样两个镜子的波纹正负值相抵消，虽然每个镜子的振荡波纹很大，但是两个镜子一起使用，群延迟色散曲线就相对比较平滑。但是由于色散镜对要成对设计和制备，不仅设计工程量大，而且制备成本也比较高。

在色散镜的顶部添加一层超低折射率层，能够大幅度降低色散镜的色散振荡，这种超低折射率层可以通过倾斜沉积技术来实现。倾斜沉积是一种新型的薄膜沉积技术。通过制备过程中基片的旋转和倾斜，可以制备出各种形状的雕塑薄膜，并且这些雕塑薄膜可以实现许多传统薄膜无法实现的光学性质，为光学薄膜的设计与制备开辟了新的途径。通过倾斜沉积技术能够制备出单个低振荡色散镜，不仅能够实现啁啾镜对降低振荡的功能，还能够大大降低成本。除此之外，单个低振荡色散镜还具有损耗低、灵活度高、可集成化和调节简单等优点，能够非常好的运用于超快激光系统中。

通过提出一种新型低振荡色散镜的初始设计，在基础的啁啾膜系之上再添加一层超低折射率层，通过倾斜沉积技术获得不同的超低折射率的SiO₂材料层，在理论上能够实现不同带宽范围以及不同色散补偿量的低振荡色散镜，对于推动色散镜在超快激光系统中的应用具有重要意义。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于提出一种低色散振荡的色散镜结构，利用倾斜沉积技术使表层膜的折射率达到非常低(折射率n＝1.05-1.25左右，接近空气)，能够很好的匹配不同介质间的折射率，使得色散镜在提供一定的色散量的同时又不会产生非常大的振荡，从而得到不同带宽和不同色散量的满足设计要求的低振荡色散镜。

本发明的技术解决方案如下：

一种低色散振荡的色散镜结构，其特点在于，由下到上依次包括基底、啁啾膜系结构和超低折射率层；所述的啁啾膜系结构由高低折射率材料交替组成，所述的超低折射率层由折射率和厚度可控制的SiO₂材料组成，通过倾斜沉积在所述的啁啾膜系结构上。

所述的超低折射率层的折射率和厚度可通过调节倾斜沉积的速率和角度来控制，通过调节倾斜沉积的角度在70°至87°范围内，超低折射率层的折射率可控制在1.05-1.25范围内，该折射率指的是550nm处的单点折射率。

所述的色散镜结构表达式为G/(HL)^n(HL)^m(HxLH)^k(LxHL)^kM/A，其中G为基底，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为高反射膜层的周期数，x为对称腔的厚度，k为对称腔的周期数，M为超低折射率层，A为空气层。

所述的高反射率膜层周期数n和m选择范围均为8～14，所述的对称腔的厚度x在1.25-4之间，所述的对称腔的周期数k在6-18之间。

本发明低振荡色散镜的设计方法，具体步骤如下：

步骤1、根据所需设计色散镜要求，包括色散量、反射率以及带宽，选择合适的高低折射率材料，其中高折射率材料有Nb₂O₅、Ta₂O₅、HfO₂等氧化物材料，低折射率材料选择SiO₂，高低折射率材料的折射率n_H、n_L为实际镀膜实验中反演得到。

步骤2、选择合适的参数，因采用倾斜沉积技术能将超低折射率层的折射率控制在1.05-1.25区间内，故设置超低折射率SiO₂层的折射率在1.05-1.25之间(该折射率为550nm处的单点折射率)，高反射率膜层周期数n和m选择范围8～14，G-T腔和对称腔的厚度x在1.25-4之间，对称腔的周期数k在6-18之间。

步骤3、初步选定低振荡色散镜的参数后，根据所设计低振荡色散镜要求，设定相应的目标值，包括群延迟色散值、反射率以及所涵盖波长范围，首先优化啁啾膜系结构，经变尺度优化算法多次优化，得到基于这一参数的优化最终结果。

步骤4、在步骤3中得到的优化结果基础上，增加超低折射率层M层，并设定M层材料的折射率，并同样，设定相应的目标值，包括群延迟色散值、反射率以及所涵盖波长范围，经变尺度优化算法多次优化，得到基于这一参数的优化最终结果。

步骤5、观察最终结果是否满足低振荡色散镜所需指标要求。若未能达到所需低振荡色散镜的群延迟色散要求，则更改超低折射率层M层的折射率，重复步骤4进行多次优化，直到最终满足低振荡色散镜要求，得到最终低振荡色散镜膜系结构。

与现有技术相比，本发明技术效果

1、提出一种低振荡色散镜初始设计，利用啁啾膜系结构和超低折射率层串联形式，可针对不同设计要求，调节啁啾膜系结构的参数以及超低折射率层的折射率，得到满足设计要求的低振荡色散镜。

2、基于这一初始设计，可以实现不同带宽和不同色散量的非常低振荡的色散镜。

附图说明

图1为本发明低振荡色散镜结构示意图。

图2为本发明低振荡色散镜的膜系结构图。

图3为实施例一-200fs²除去超低折射率层的啁啾膜系结构的最终膜系结构。

图4为实施例一-200fs²除去超低折射率层的啁啾膜系结构的群延迟色散及反射率曲线图。

图5为实施例一-200fs²低振荡色散镜除去超低折射率层和加上超低折射率层的群延迟色散曲线对比图。

图6为实施例一-200fs²低振荡色散镜(超低折射率层n＝1.1)最终膜系结构。

图7为实施例一-200fs²低振荡色散镜(超低折射率层n＝1.1)的群延迟色散及反射率曲线图。

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。

请参阅图1，图1为本发明低振荡色散镜结构示意图，如图所示，由下到上包括基底1、啁啾膜系结构2、超低折射率层3。所述的啁啾膜系结构由高低折射率材料交替组成，超低折射率层由低折射率SiO₂(n＝1.05-1.25，折射率为550nm处的单点折射率)材料组成。所述的超低折射率层的折射率和厚度可通过调节倾斜沉积的速率和角度来控制，比如，通过调节倾斜沉积的角度在70°至87°范围内，超低折射率层的折射率可控制在1.05-1.25范围内，该折射率指的是550nm处的单点折射率。当超低折射率层的折射率控制在此区间范围内，色散镜的振荡会得到大幅的抑制。

所述的色散镜结构表达式为G/(HL)^n(HL)^m(HxLH)^k(LxHL)^kM/A，其中G为基底，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为高反射膜层的周期数，x为对称腔的厚度，k为对称腔的周期数，M为超低折射率层，A为空气层。

实施例一所要求的低振荡色散镜指标为：群延迟色散值-200fs²，反射率＞99.8％，相应带宽为800nm中心波长200nm带宽。

设计步骤如下：

1、根据群延迟色散及带宽要求，色散量相对较大，带宽较宽，所以选择折射率较高的高折射率材料Nb₂O₅，低折射率材料为SiO₂，高低折射率材料的折射率参数由柯西公式确定。

2、根据低振荡色散镜要求，选择合适的参数，代入低振荡色散镜的膜系结构表达式G/(HL)^n(HL)^m(HxLH)^k(LxHL)^kM/A，得到膜系结构如图2所述。

3、基于2中的初始设计，参考波长为800nm，选择入射角0度下的p偏振光，设定优化目标值群延迟色散(groupdelaydispersion，GDD)为-200fs²，首先优化除去超低折射率层的啁啾膜系结构，通过变尺度算法，得到优化后的啁啾膜系结构如图3所示，群延迟色散及反射率曲线如图4所示。

4、如图4为满足要求的色散镜反射率和群延迟色散曲线，其中反射率在700-900nm大于99.8％，群延迟色散GDD在700-900nm达到-200fs²，但是整个曲线的色散振荡比较大，所以在此结构基础上，再添加一层超低折射率层，也就是低折射率SiO₂层。根据倾斜沉积技术能将超低折射率层的折射率控制在1.05-1.25范围内，故先设定SiO₂层的折射率为1.2(为550nm处的单点折射率)，通过变尺度算法，得到优化结果。

5、再改变超低折射率层SiO₂层的折射率，分别设定折射率为1.15和1.1进行优化，通过变尺度算法，得到优化结果。

6、将优化后的群延迟色散曲线一同进行比较，如图5所示。

7、通过对比图5中的群延迟色散曲线可知，色散镜的振荡可以通过添加表面倾斜沉积层来进行抑制；基于G/(HL)^n(HL)^m(HxLH)^k(LxHL)^kM/A的初始设计，得到-200fs²的低振荡色散镜，当超低折射率层SiO₂材料的折射率达到1.1时，具有最佳的倾斜沉积层匹配折射率，最终最佳低振荡色散镜结构如图6所示，群延迟色散及反射率曲线如图7所示。

本发明对于低振荡色散镜的设计具有重要意义，有助于推动色散镜在超快激光系统中应用。