基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜及其实现方法

本发明属于超快激光薄膜领域，具体是一种基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜及其实现方法。

背景技术：

1、随着超快激光系统的进步，基于光参量啁啾脉冲放大技术的下一代激光器的带宽和能量得到显著提升。低色散镜是超快激光系统中用于传输激光能量的光学元件，它的反射效率、带宽和损伤阈值对整个系统输出超快激光脉冲具有重要意义。

2、传统优化设计策略下的低色散镜，例如布拉格反射镜，受限于高折射率与低折射率材料之间的比值，其反射带宽与色散带宽均面临瓶颈，难以适应脉宽更短的超短脉冲传输需求。尽管啁啾结构宽带低色散镜（如cn112666641a）在一定程度上拓展了反射和色散带宽，但当光谱宽度超过300nm时，它的群延迟色散曲线也会不可避免产生周期性振荡，进而导致脉冲展宽现象。金属反射镜（如银镜、铝镜和金镜等），虽能在宽光谱范围内实现零色散传输，却因反射率偏低，在超短脉冲传输过程中造成显著能量损失，且相较于介质镜，在损伤阈值方面亦不具优势。

3、因此，亟待一种能够在宽光谱范围内高效传输超短脉冲的新方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提出一种基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜，其膜系结构为a/ar/s/r/a，其中a代表空气，ar代表减反膜，s代表基底，r代表色散补偿膜层。本发明通过合理利用基底和增透膜（减反膜）引入的正色散，降低了色散补偿膜层的设计压力，使其能够在更宽的带宽内提供稳定的色散补偿。

2、本发明解决的技术问题在于提出了基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜实现方法。基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜由减反膜、基底和色散补偿膜层组成。基底前表面的减反膜用于抵消基底的部分反射，并和基底一起提升基底后表面的色散补偿膜层和入射介质的阻抗匹配。基底后表面的色散补偿膜层提供负色散对减反膜和基底的正色散进行补偿，同时提供高反射率，最终实现整个元件的在工作波段内的零色散引入，低色散振荡，低能量损失的高效传输。

3、本发明解决的技术方案如下：

4、一方面，本发明提供一种基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜，其特点在于，膜系结构为a/ar/s/r/a，其中，a代表空气，ar代表减反膜层，s代表基底，r代表色散补偿膜层；

5、所述减反膜，由高折射率材料和低折射率材料交替组成，镀制在基底的前表面s1上，用于消除基底前表面的部分反射；

6、所述基底，其折射率介于所述减反膜的等效折射率与色散补偿膜层的等效折射率之间，且材料选择与色散补偿膜层中的低折射率材料一致，以实现阻抗匹配，减小群延迟色散振荡；

7、所述色散补偿膜层，由高折射率材料和与基底材料一致的低折射率材料交替组成，镀制在基底的后表面s2上，用于提供负色散抵消所述减反膜层和基底的正色散，并提供高反射率；

8、其中，通过有效利用基底的正色散和色散补偿膜层的负色散，整个元件在工作波段内引入的总色散量接近零，从而实现低色散振荡和低能量损失的高效传输。

9、所述的反射色散满足如下条件：

10、

11、式中为所述的基底的双程透射色散，为所述的基底的群速度色散，为波长，c为光速，n为膜层材料的折射率，d为所述的基底材料的物理厚度，为所述的空气的折射率，为入射角，为所述的基底材料的折射率，为所述的减反膜的透射色散，为所述的色散补偿膜层的反射色散。

12、所述基底的物理厚度为0.01-20mm；所述的基底的材料类型为sio2、caf2、mgf2、蓝宝石。

13、所述的减反膜的高折射率材料为nb2o5、ta2o5、hfo2、al2o3、tio2、zro2、si，所述的低折射率材料为sio2、mgf2、caf2。

14、所述的色散补偿膜层的高折射率膜层材料nb2o5、ta2o5、hfo2、al2o3、tio2、zro2、si；所述的低折射率膜层材料与所述的基底选用的材料相同。

15、所述的制备方法为离子束溅射、磁控溅射、电子束蒸发。

16、另一方面，本发明还提供一种基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜的实现方法，其特点在于，包括步骤如下：

17、步骤1：根据基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜的实际应用波段，选择高折射率材料和低折射率材料。其中色散补偿膜层的低折射率材料与基底的材料一致。

18、步骤2：根据基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜的实际应用波段，选择基底材料和基底的物理厚度，计算基底的双程透射色散。

19、步骤3：根据基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜的实际应用波段，给定所需透射率和透射色散的目标值，通过优化算法设计得到满足透射率和透射色散要求的减反膜结构。

20、步骤4：将步骤3所得到的减反膜结构的透射色散乘以2，得到双程透射色散，与步骤2所得到的双程透射色散相加后取反，得到色散补偿膜层的反射色散目标值

21、步骤5：根据基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜的实际应用波段，以步骤4中得到的色散补偿膜层的反射色散目标值为设计目标，并且给定所需的反射率的目标值，通过优化算法设计得到满足反射率和反射色散要求的色散补偿膜层结构。

22、步骤6：将所述的减反膜和色散补偿膜层分别镀制于所述的基底的s1面和s2面，最终得到基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜结构。

23、步骤7：使用白光干涉仪对制备的基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜进行色散性能表征。使光先经过增透膜，在经过基底，最后由背部啁啾膜层反射回来，被白光干涉仪接收，由此实现对整个基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜所引入的色散进行测量。

24、与现有技术相比，本发明技术效果

25、1、能够在宽光谱范围(大于300nm)获得低色散振荡且近零色散的色散曲线。同时整体反射率高于99%。克服了传统方法设计的低色散镜不能同时在宽带范围内同时提供高反射率和近零色散的问题。

26、2、能够对超短脉冲尤其是少周期脉冲实现高效传输。

技术特征：

1.一种基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜，其特征在于，膜系结构为a/ar/s/r/a，其中，a代表空气，ar代表减反膜层，s代表基底，r代表色散补偿膜层；

2.根据权利要求1所述的基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜，其特征在于，所述减反膜的高折射率材料为nb2o5、ta2o5、hfo2、al2o3、tio2、zro2或si，低折射率材料为sio2、mgf2或caf2；所述色散补偿膜层的高折射率材料为nb2o5、ta2o5、hfo2、al2o3、tio2、zro2或si，低折射率材料与所述基底选的材料相同，所述基底的材料为sio2、caf2、mgf2或蓝宝石。

3.基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜的实现方法，其特征在于，还包括步骤7：使用白光干涉仪对制备的基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜进行色散性能表征，从减反膜入射，经过基底，到达色散补偿层后反射出的光，评价元件整体的色散性能。

5.根据权利要求3所述的基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜的实现方法，其特征在于，所述步骤6中采用离子束溅射、磁控溅射或电子束蒸发。

技术总结
基于背部镀膜的超宽带低振荡低色散镜及其实现方法，膜系结构依次为空气(A)/减反膜(AR)/基底(S)/色散补偿膜层/空气(A)，其中，减反膜由交替排列的高折射率与低折射率材料构成，镀于基底前表面；色散补偿膜层同样由高、低折射率材料交替组成，且其低折射率材料与基底材料相匹配；通过匹配基底的正色散与色散补偿膜层的负色散，使得整个元件的总色散量趋近于零。根据特定波段需求选择合适的材料制备，并采用白光干涉仪进行性能评估，测试过程中光线自增透膜入射，穿透基底，经色散补偿层反射后出射，以全面评估镜子的色散性能。本发明确保了超短脉冲在保持高反射率传输的同时，避免脉冲展宽，实现了超短脉冲的高效、稳定传输。

技术研发人员：王胭脂,柳畅,邵建达,陈宇,陆叶盛,冯宇康,贾琳
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/11/11