双中心波长色散镜对及其制备方法与流程

本发明属于超快激光薄膜，特别是一种有效降低色散振荡的双中心色散镜对及其制备方法，是一种超快激光系统中用于脉冲压缩的元件。
背景技术：
：色散镜是一种色散补偿元件，其特点是在保持高反射率的同时能提供精确的色散补偿，在超快激光系统中有取代棱镜对和光栅等传统脉冲压缩元件的潜力。但随着色散镜间的反射次数增加，色散振荡将会明显增加，同时色散镜本身的带宽和色散量存在相互制约的关系，带宽的增加必然会导致色散振荡的增加，而色散振荡会在很大程度上影响实际应用中脉冲输出质量。因此，在设计上，我们应尽可能的减小色散振荡。传统的减小色散振荡的方法是利用两个色散镜满足色散振荡的相互抵消，实现色散振荡的减小。目前已报道出的色散镜对的方法有互补啁啾镜对和双角度色散镜对。互补啁啾镜对是利用两个不同的设计实现色散振荡的相互抵消，其存在的问题是设计难度较大，需要两次优化，同时需要制备两次，增加了制备难度。双角度色散镜对是利用同一个设计结果，选择两个不同入射角满足色散振荡的相互抵消，其设计和制备都只需一次，降低设计和制备的难度，但在实际应用中双角度色散镜对对于角度非常敏感，必须在特定角度下使用，增加了调节难度。双中心波长色散镜对是基于一个膜系设计结果，采用双离子束溅射技术制备，在制备过程中，利用离子束溅射镀膜过程中的厚度不均匀性，在一个镀膜周期内实现双中心波长色散镜对的制备。本发明利用镀膜过程中的厚度不均匀性在一个镀膜周期内制备出配对使用的两个色散镜，不仅增加了制备的稳定性，还降低了制备时间和制备成本，较传统的色散镜对制备方法减少了一次制备过程，大大降低了制备过程中可能存在的误差。本发明双中心波长色散镜对能够有效降低色散振荡，并且适用于色散镜间多次反射的应用，有显著提高在超快激光系统应用过程中输出脉冲质量的潜力。技术实现要素：本发明解决的技术问题在于提出一种有效降低色散振荡的双中心色散镜对及其制备方法，该双中心波长色散镜对基于一个膜系设计结果，采用双离子束溅射技术在一个镀膜周期内实现双中心波长色散镜对的制备。可有效降低啁啾镜对的设计难度、制备难度，节约制备时间和成本。该色散镜对具有相反的色散振荡相位，配对使用时可显著减少色散振荡。本发明解决的技术方案如下：一种双中心波长色散镜对，其特点在于是由两个中心波长的群延迟色散振荡的波峰和波谷正好相互抵消的第一色散镜和第二色散镜构成。上述双中心波长色散镜对的制备方法，其特点在于该方法包括如下步骤：1)根据所需制备色散镜对的色散量、反射率和带宽，选择合适的高折射率材料、低折射率材料，所述的高折射率材料的折射率nh和低折射率材料的折射率nl为实际镀膜实验中反演得到；2)第一色散镜(1)的设计：选择合适的初始膜系的中心波长设为a，根据色散镜对的要求设定色散量、反射率、带宽目标值，经过膜系设计软件优化得到满足目标值的中心波长为a的第一色散镜的设计结果；3)根据第一色散镜的设计结果选择中心波长为b的第二色散镜，即第二色散镜和第一色散镜的每一相应的膜层均存在相同厚度的偏移，使第二色散镜与第一色散镜在一定带宽内色散振荡的相位相反；4)在制备中，通过控制基底与靶材的距离以及基底溅射角度调整离子束溅射镀膜过程中的不均匀性，在夹具盘中找到两个满足双中心波长a、b且厚度不均匀性的要求位置，在同一镀膜周期内采用双离子束溅射技术完成双中心波长色散镜对的制备。所述的高折射率材料为nb2o5、ta2o5或hfo2，所述的低折射率材料为sio2。与现有技术相比，本发明技术效果本发明能有效减小双中心波长色散镜对的色散振荡，本发明利用镀膜过程中的厚度不均匀性在一个镀膜周期内制备出配对使用的两个色散镜，不仅增加了制备的稳定性，还降低了制备时间和制备成本，较传统的色散镜对制备方法减少了一次制备过程，大大降低了制备过程中可能存在的误差。附图说明图1为双中心波长色散镜对色散振荡相互抵消的原理示意图图2为双中心波长色散镜对实施例一的膜系结构图图3为双中心波长色散镜对实施例一群延迟色散曲线图图4为双中心波长色散镜对实施例二的膜系结构图图5为双中心波长色散镜对实施例二群延迟色散曲线图图6为群延迟色散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。图1为双中心波长色散镜对色散振荡相互抵消的原理示意图，如图所示，黑色曲线为中心波长为a的第一色散镜1的群延迟色散曲线，黑色虚线为中心波长为b的第二色散镜2的群延迟色散曲线，从图中可以看出，利用同一设计结果，分别在中心波长a和b情况下，第一色散镜1和第二色散镜2的群延迟色散振荡的波峰和波谷正好相互抵消，双中心波长色散镜对配对使用后群延迟色散振荡明显降低，如图1中点线所示。一种双中心波长色散镜对是由两个中心波长的群延迟色散振荡的波峰和波谷正好相互抵消的第一色散镜1和第二色散镜2构成。上述双中心波长色散镜对的制备方法，包括如下步骤：1)根据所需制备色散镜对的色散量、反射率和带宽，选择合适的高折射率材料、低折射率材料，所述的高折射率材料的折射率nh和低折射率材料的折射率nl为实际镀膜实验反演得到；2)第一色散镜1的设计：选择合适的初始膜系的中心波长设为a，根据色散镜对的要求设定色散量、放射率、带宽目标值，经过膜系设计软件优化得到满足目标值的中心波长为a的第一色散镜1的设计结果；3)根据第一色散镜1的设计结果选择中心波长为b的第二色散镜，即第二色散镜2和第一色散镜1的每一相应的膜层均存在相同厚度的偏移，使第二色散镜2与第一色散镜1在一定带宽内色散振荡的相位相反；4)在制备中，通过控制基底与靶材的距离以及基底溅射角度调整离子束溅射镀膜过程中的不均匀性，在夹具盘中找到两个满足双中心波长a、b且厚度不均匀性的要求位置，在同一镀膜周期内采用双离子束溅射技术完成双中心波长色散镜对的制备。所述的高折射率材料为nb2o5、ta2o5或hfo2，所述的低折射率材料为sio2。实施例一所要求设计色散镜指标：群延迟色散值为-1875fs2，反射率大于99.9％，使用波长为1470-1530nm，带宽60nm。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，同时所使用波段在近红外区域，结合实际镀膜经验选择高折射率材料为ta2o5，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，如表1所示。a0a1a2sio21.442931.1622618e-2-3.705533e-4ta2o52.014863.01116301e-2-7.635062e-4表12、根据色散镜要求，选择合适的初始设计，然后设定目标值，首先选择中心波长a＝1500nm，选择入射角10度下的p偏振光，群延迟色散和反射率目标值分别设为-1875fs2和100％，利用optilayer软件的gradualevolution算法进行优化，得到满足目标值的设计结果，记为第一色散镜1，其膜系结构如图2所示，群延迟色散曲线如图3中黑色曲线所示。3、在第一色散镜1的膜系设计结果的基础上，将其中心波长b移到1510nm，群延迟色散曲线如图3虚线所示，从图中可以看出，中心波长1500nm和1510nm色散镜对的群延迟色散振荡波峰和波谷相互抵消，其配对使用后色散振荡明显降低，如图3中点线所示。针对双中心波长色散镜的制备，我们通过调节镀膜过程中的不均匀性，将两个不同设计中心波长的色散镜利用双离子束溅射技术在同一镀膜周期内完成。双离子束溅射技术原理图如图4所示：包括16cm和12cm两个离子源，在高真空状态下，由16cm主源产生的高能氩离子以一定角度对靶材进行轰击，经高能离子轰击过后，大量原子和分子从靶材溅射出来并沉积在基底上，形成致密薄膜；12cm离子源主要作用是基底的预清洗、修整、薄膜吸收的改善和相应的化学计量比调节，使薄膜堆积更加致密，基底结合更牢。从图4中可以看出，夹具盘上不同位置处的薄膜沉积速率存在差异，即在实际镀膜过程中存在不均匀性。我们将不均匀性定义为厚度的不均匀性，即在同一夹具盘或同一基片上所沉积薄膜厚度偏差与沉积厚度的比值，通过公式表示，实际镀膜过程中的不均匀性会导致光谱发生漂移，而光谱的漂移可以看作是中心波长的移动，所以在同一夹具盘中通过利用不均匀性，可以使两个不同中心波长的色散镜在同一夹具盘中制备。采用双离子束溅射技术进行制备，由实际镀膜经验可知，整个夹具盘不均匀性为1.5％，中心波长1500nm和1510nm色散镜对厚度不均匀性约为0.8％，通过计算可在夹具盘上选择不均匀性为0.8％的位置进行镀膜。镀膜过程中，大口径离子源(16cm)引出惰性气体ar离子束，轰击靶材，产生溅射作用，另一个小口径离子源(12cm离子源)产生的氧离子则对基片进行溅射清洗。为了制备ta2o5和sio2膜层，高低折射率材料的靶材分别是高纯度的ta和sio2，高折射率膜层ta2o5由ar离子轰击ta靶材溅射出的原子与高纯度的o2反应产生，低折射率膜层sio2由ar离子轰击sio2靶材溅射出原子沉积到基片上。设定合适的镀膜时间，最终可以实现双中心波长色散镜对在同一镀膜周期内同时制备完成。实施例二所要求设计色散镜指标：群延迟色散值-20000fs2，反射率大于99.9％，使用波长1048-1058nm，带宽10nm。设计的膜系结构如图5所示，设计得到群延迟色散曲线如图6所示，其中虚线和实线分别为中心波长1053nm和中心波长1055nm，点线为双中心波长色散镜对配对后群延迟色散振荡曲线，可以看出色散振荡明显减小。通过计算可以得出中心波长1053nm和1055nm两个色散镜的厚度不均匀性约为0.2％，利用双离子束溅射技术对双中心波长进行制备，并结合实际镀膜经验得出，在整个夹具盘中不均匀性为1.5％，通过计算，在夹具盘中选择两个合适的位置使其不均匀性满足0.2％，选择合适的镀膜条件，最终可将双中心波长色散镜对在同一镀膜周期内完成。本发明对于超低振荡色散镜对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。当前第1页12