1.本发明属于超快激光薄膜，特别是一种宽带低色散啁啾镜的设计方法。
背景技术：
2.随着超强超短激光技术的发展，激光脉冲已压缩至数飞秒，峰值功率可到达拍瓦量级，低色散镜是超短脉冲激光系统中最常用的光学元件之一，超强超短激光技术对光学薄膜提出了新的要求：更宽的工作带宽以及有效的色散控制。低色散镜通过在反射带宽内提供零群延迟色散(group delay dispersion)，保证超短脉冲在经过低色散镜反射后，仅发生传输方向的变化，不会产生额外的色散。但是因为低色散镜的反射带宽、色散和损伤阈值相互影响和制约，所以设计并制备出更宽反射带宽、更高损伤阈值的低色散镜是高功率超短脉冲激光器的一个研究重点。传统的高反镜由光学厚度为四分之一波长的高低折射率材料堆叠而成，其高反射低色散带宽与高低折射率比值呈正相关。如hfo2/sio2组成的规整介质膜的反射带宽大约90nm，而tio2/sio2组成的规整介质膜系的反射带宽大约150nm。
3.随着超强超短激光往更高能量、更脉宽脉冲发展，激光脉冲的光谱超过200nm，传统规整膜系的低色散镜已经无法满足需求。因此，增加低色散镜的高反低色散带宽对于超强超短激光的发展至关重要。传统的四分之一波长厚度规整膜系结构低色散镜将所有的波长同时在表层反射而实现低色散，而该低色散带宽受限于高低折射率材料的折射率之比。
技术实现要素：
4.本发明解决的技术问题在于提出一种基于周期啁啾结构的低色散镜初始结构和设计方法，该低色散镜初始结构将周期啁啾层和高反射率层相结合，即在规整的四分之一波长膜厚的膜层上增加周期啁啾层，通过给所有波长同样的群延迟时间，同样可以实现低色散的效果。利用底部为高反层，顶部为周期啁啾层的低色散镜初始结构，并选择合适的参数，经过膜系设计软件优化之后可以得到所需的低色散镜。
5.本发明解决的技术方案如下：
6.一种宽带低色散啁啾镜的设计方法，其特点在于基于周期啁啾层的低色散镜初始结构，初始膜系结构为:其中，s表示基底，h和l分别代表光学厚度为λ/4的高折射率材料、低折射率材料，为底部高反射膜层，m1为底部高反射膜层的周期数，为对称的周期啁啾层，a
n
为单调递增或递减的数组的系数，m2为周期啁啾层周期数，a代表空气；
7.该结构通过给予所有波长相同的群延迟时间，使得各波长在膜层里传播同样的光学路程后同时反射，实现了更宽带宽的低色散效果。选择合适的参数之后并优化，可以得到所需的低色散镜最终结构。
8.上述低色散镜初始结构和设计方法，其特点在于该方法包括如下步骤：
9.1)根据所需制备色散镜的群延迟时间、反射率、偏振、入射角度和带宽，选择合适的高折射率材料、低折射率材料，常用的高折射率材料有nb2o5、ta2o5、hfo2等，低折射率材料
有sio2，所述的高折射率材料的折射率n
h
和低折射率材料的折射率n
l
为实际镀膜实验中反演得到；
10.2)基于周期啁啾层的低色散镜初始结构：
[0011][0012]
其中，s表示基底，h和l分别代表光学厚度为λ/4的高、低折射率材料，为底部高反射膜层，m1为高反射膜层的周期数，为对称的周期啁啾层，a
n
为单调递增或递减的数组，m2为周期啁啾层周期数，a代表空气。选择合适的参数：高反射膜层的周期数m1一般选择在10
‑
30，周期啁啾层啁啾系数a
n
的选择范围为0.5
‑
1.5，周期数m2的选择范围为1
‑
20，m1和m2均为正整数；
[0013]
3)确定低色散镜的基本参数，包括反射率、偏振态、入射角度、工作带宽、目标群延迟时间以及所用高低折射率材料，确定低色散镜初始结构的参数，包括m1、a
n
和m 2
的值，之后，利用膜系设计软件(tfcalc、essential macleod和optilayer等)和相应的算法(variablemetric、gradualevolution和needleoptimization等)和相应的算法对膜系进行优化，得到最终所需要的结果；
[0014]
4)观察最终结果是否满足低色散镜所需指标要求。若未能达到所需低色散镜的群延迟时间要求，通过调整周期啁啾层腔的周期数m2，修改低色散镜初始结构参数，重复步骤2、3进行多次优化，直到最终满足低色散镜要求；若未能达到所需低色散镜的反射率要求，通过增加高反射率膜层周期数m1，重复步骤2、3多次优化，直到最终满足低色散镜要求；若未能达到低色散镜的带宽要求，通过调整周期啁啾层腔的系数a
n
，重复步骤2、3，直到最终满足低色散镜要求。
[0015]
与现有技术相比，本发明技术效果
[0016]
1、提出一种低色散镜初始设计，利用规整的四分之一波长膜厚的膜层上增加周期啁啾层，通过给与所有波长同样的群延迟时间，从而实现低色散的效果，该设计利用啁啾层宽反射带宽的特点，可实现超宽带宽低色散镜。
[0017]
2、基于这一初始设计，可以在保证宽带低色散前提下进一步优化色散曲线，使得色散补偿更佳。
附图说明
[0018]
图1为本发明宽带低色散啁啾镜实施例一的初始膜系结构图。
[0019]
图2为本发明宽带低色散啁啾镜实施例一最终膜系结构。
[0020]
图3为本发明宽带低色散啁啾镜实施例一的群延迟时间及反射率曲线图。
[0021]
图4为本发明宽带低色散啁啾镜实施例一的群延迟色散曲线图。
[0022]
图5为本发明宽带低色散啁啾镜实施例二的初始膜系结构图。
[0023]
图6为本发明宽带低色散啁啾镜实施例二最终膜系结构。
[0024]
图7为本发明宽带低色散啁啾镜实施例二的群延迟时间及反射率曲线图。
[0025]
图8为本发明宽带低色散啁啾镜实施例二的群延迟色散曲线图。
sio21.442931.1622618e
‑2‑
3.705533e
‑
4nb2o52.157863.61226445e
‑
22.024012e
‑3[0042]
表2
[0043]
2、根据低色散镜目标群延迟时间和群延迟色散值和反射率要求，选择合适的参数：m1＝15，m2＝16，a
n
为首项a为0.8，公差为0.05，项数n为3的等差数列，得到基于周期啁啾结构的低色散镜的表达式为：s/(hl)
15
[(0.80h0.85l0.9h)(0.9l0.85h0.8l)]
16
/a，其中，s为熔石英基底，h和l分别代表光学厚度为λ/4的nb2o5和sio2材料，a代表空气。膜系结构如图1所示。
[0044]
3、基于s/(hl)
15
[(0.80h0.85l0.9h)(0.9l0.85h0.8l)]
16
/a的初始设计，参考波长为900nm，选择入射角为45度下的p偏振光，设定优化目标值：群延迟时间为140fs，目标群延迟色散为0fs2，通过膜系设计软件tfcalc进行优化，得到最终的膜系结构如图2所示。
[0045]
4、图3为满足要求的低色散镜反射率和群延迟时间曲线，图4为满足要求的低色散镜群延迟色散曲线，其中反射率在730
‑
970nm大于99.5％，群延迟时间在730
‑
970nm为140fs，群延迟色散在730
‑
970nm为0fs2，得到最终满足低色散镜要求的膜系结构。
[0046]
本发明对于低色散镜的设计具有重要意义，有助于推动低色散镜在超快激光系统中应用。