专利名称：激光器反射镜的镀制方法及氦氖激光器反射镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于激光器反射镜光学薄膜的镀制方法及利用此方法制成的氦氖激光器反射镜产品。
一些激光器中一般都存在几条可形成激光的谱线，其中一些增益较高，另一些增益相对较低。为使那些有应用价值低增益波长形成振荡，应对高增益波长进行有效的抑制。通常采用的抑制方法有用棱镜色散，气体吸收，非均匀磁场等。但这些方法带来了一些不利因素，例对激光损耗加大、加工困难、不易调节、成本增加等，使产品的应用范围受到了限制。
以氦氖激光器为例，在氦氖激光器中有许多可形成振荡的谱线，其中属波长为3.39μm的红外光在腔内增益最高，为使象绿光(波长543nm)、黄光(波长594nm)、红光(波长633nm)等谱线形成激光振荡，产生激光输出，应对3.39nm的光进行抑制，采用如前所述抑制方法，对激光功率损耗明显增加。
根据日本专利(昭50-37519，昭57-134981)的报导，他们采用一种具有波长选择性介质膜对633nm高反，而对3.39nm进行抑制，其发明内容如下。
两个专利基本采用同一膜系结构Sub｜[HL]nH′L′｜Air其中Sub-基片、Air-空气主反射层材料nH＝2.3 nL＝1.46 nL＝1.38 半反镜附加层nx＝1.7-2.1 H和L分别是光学厚度nd＝λo/4高、低折射率镀膜材料，λo-为中心波长，n-周期数。
对昭50-37519专利全反镜n＝11，λo＝633nm，nd＝λo/4L′＝6L或L′＝847.5nm，全反层的λo＝670nm，nd＝λo/4H′＝H半反镜n＝6 ，全反层的λo＝670nm nd＝λo/4L′＝847.5nmH′＝H对昭57-1341981专利全反镜n＝9或n＝10L′＝2L，H′＝H，λo＝633nm，nd＝λo/4半反镜n＝5L′＝2L H′＝X λo＝633nm nd＝λo/4 nxd＝λo/4(nx＝1.7-2.1)X可在膜系中任何位置。
按上述膜系结构，构成的多层红光氦氖激光器介质膜片，可把波长为633nm的反射率保持在较高水平，并对波长为3.39um的红外光有一定的增透作用。然而，由上述多层膜构成的氦氖激光器反射镜有以下一些缺点。
(1)在镀制高反，半反膜中通常采用高折射率物质(nH)与低折射率材料交替组成多层膜，每层膜光学厚度为λo/4(λo为中心波长)。由于按此种膜系镀制的高反或半反区有一定的宽度，所以λo不一定是振荡波长λ，但应保证λ在λo附近，通常在λo±20nm的范围内。在昭和50-37519专利中λo取670nm，而振荡波长λo＝670nm，已离λo较远，使633nm的反射率受到影响。
(2)在昭和50-37519专利中所用附加膜层的光学厚度为nd＝847.5nm≠λ/4m(m为自然数)，按照高反膜理论[2]
因此，nd＝847.5nm将使λ的反射率降低。
(3)两篇专利都采用同一形式的膜系结构，在全反镜膜系中，可变量是层数n，而附加膜层的光学厚度、位置，及镀膜材料的折射率为不变量。在半反镜膜系中，可变量是附加膜层的位置，而附加层的厚度、层数n，及镀膜材料的折射率为不变量。由于这两篇专利提出的各种镀膜方法的膜系中，都只有一个变量。因此，给镀膜工艺、材料的选取带来了较多的困难，使镀出的红光氦氖激光器膜片的反射率，及其它类型激光器膜片的反射率很难同时满足振荡波长的反射率R→1、抑制波长的反射率R→0的要求。
两篇专利中的红光氦氖激光器反射镜片的设计要求如下波长反射率R反射率R＊反射率R＊＊633nm≥99.8%99.9%(见图2)99.9%(见图3)3.39m≤2%≥3%≥2%＊昭50-37519的反射率＊＊昭57-134981的反射率(4)按昭57-134981专利镀制的红光反射镜片，从红外波长区域测试结果看，虽然3.39m处的反射率R＝3%(基本位于曲线最低点)，但是它附近的反射率曲线变化较快，从而给镀膜中控制精度代来了较高的要求。
(5)在昭50-37519专利中提出，镀制同一盘激光器反射镜需更换中心波长λo，即由670nm转到847.5nm，这给镀膜中控制精度及工艺代来了不便，使膜片的性能稳定。
(6)两篇专利中都没有考虑基片对谱线的吸收。特别是昭50-37519专利中使用的基片是石英材料，使激光器成本增加，并给制作工艺代来极大的困难。
由于以上原因，虽然两篇专利都能保证红光镜片反射率满足R＞99.8%和R＝98%但都无法满足对3.39m的反射率R＜2%和功率在1mw以下其它波长的氦氖反射镜对3.39m的反射率R＜1%的设计要求。
本发明的目的在于，消除原技术中不足之处，提供一种对常用激光器都适用的据有波长选择功能的激光器反射镜。本发明可通过以下措施实现。
根据激光器中对振荡波长反射率R设计要求，用N层高、低折射率材料(n和n)交替镀成高反膜或半反膜，以保证对R的要求。按照薄膜光学理论中膜系的特征矩阵公式[2]，对附加膜层的光学厚度R(3)＝njd，它在膜系中的位置和它所用镀膜材料nj的合理选取，使1.整个膜系(包括全反膜层或半反膜层、附加膜层、基片)对所需高增透波长的组合导纳Y化为Y＝1的形式。由反射率计算公式R=(1-Y1+Y)(1-Y1+Y)*⇒C]]>从而达到了设计要求。
2 膜层(包括高反或半反膜层、附加膜层)的光学厚度Nnd+nd＝0λ′/4(λ′为所需减反的波长，q为正偶数)，将膜系数对波长λ′的减反转化为基片表面对λ′减反的问题，而解决这一问题已有现成的减反理论及数据[2]将膜片镀单层或多层减反膜后，整个膜系组合导纳Y趋于1，从而满足R=(1-Y1+Y)(1-Y1+Y)*⇒C]]>的设计要求。
整个膜系的结构特征是Sub｜R(1)[HL]mR(2)…[HL]nHR(k)｜AirSub｜R(1)[LH]mR(2)…[LH]nLR(k)｜Air (j＝1，2，…k)对其它抑制要求不高的波长λ″可采用在高反或半反射区内适当改变振荡波长λ的位置，使λ″置于高反、反区外或落在透射区的透射峰值处，以达到抑制λ″振荡的目的。
将本方法应用于氦氖激光器反射镜，做进一步详述。此种反射镜特征为nH＝1.8-3.0 nL＝1.2-1.7
(包括所有曾在氦氖激光器反射镜中的镀膜材料)nS考虑到对λ′的吸收应取实际基片测试值λ在(λo±20nm)范围内取值高反膜或半反膜中的nH和nL层的光学厚度nd＝λo/4，(λo为中心波长)附加膜层的光学厚度、位置及膜系结构中m和n，应根据对全反镜或半反镜的设计要求以及所需高增透波长λ而定。
即用公式R＝［1-(nH/nu)N -1(n2H/ns)1+(nH/nu)N-1(n2H/ns)］2(2)]]>定出N＝m+n-和用膜系的特征矩阵公式定njd、nj和R(j)的位置。
以红光、绿光全反镜为例设计要求波长反射率方法反射率工艺633nm ≥99.8% 1 ≥99.8% nHZrO nLSiO3.39nm ＜2% ＜2% nS为Kg光学玻璃(见图4a，图4b)λo＝615-630nmSub｜4L[HL]H4L｜Air543nm ≥99.8% 2 ≥99.8% nH、ZrO2nLSiO2，MgF3.39um ＜1% ＜1% nS为Kg光学玻璃(见图5a，图5b)λo＝520-540nmSub｜7L[HL]14H｜Air本发明与现有技术比较具有如下优点(1)此方法不仅适用于氦氖激光器件，对其他有类似抑制问题的激光器件都适用。
(2)此方法对镀膜材料适用范围较广，例ZrO2(为高折射率nH＝1.9)，SiO2(为低折射率nL＝1.46)按昭50-37519 昭57-134981的方法，无法满足设计要求，但用本发明可得以实现，虽然镀膜层数较多，由于每层nd＝mλo/4，不仅对λo的反射率R不会引起损失，而且用现有工艺、设备完全可以批量生产。
(3)镀制的激光器反射镜具有波长选择功能。即不仅对指定波长高反射或按最佳反射率反射，还对抑制波长有较高的增透，消除了不需要的波长对振荡波长的干扰，使激光器的性能明显改善。
(4)镀膜中只需控制高反膜或半反膜的中心波长λo，对其他抑制波长不必监测，靠膜系设计就可满足对其增透的目地。
(5)与原镀膜材料、工艺技术基本相同。
(6)由测试曲线(图5b图4b在3.39um附近反射率变化平缓，使镀膜中允许控制的精度范围较宽，给镀膜人员带来方便。
关于附图的简单说明
图1为一般激光器反射镜多层膜系的结构概念图。1-基片，2-高折射率材料，3-低折射率材料。图2为昭50-37519专利中对波长633nm和3.39um的反射率和透射率测试曲线(指全反镜)。图3为昭57-134981专利中对波长633nm和3.39um的透射率和反射率测试曲线(指全反镜)。图4a、图4b为本发明中对波长633nm和3.39um的透射率和反射率测试曲线(指全反镜)图5a图5b为本发明中对波长543nm和3.39um的透射率和反射率测试曲线(指全反镜)。
参考文献(1)《激光器件与技术教程》北京工业学院出版社1986.6P27(2)《应用薄膜光学》上海科学技术出版社1984.10P51，P115-132，P17权利要求
1.一种适用于激光器反射镜光学薄膜的镀制方法。对原有技术中的膜系结构Sub丨[HL]nH1L1丨Air进行了修改和提高。本发明的特征是用N层高折射率材料(H)与低折射率材料(L)交替组成的高反膜或低反膜(表示成HL…LH或LH…HL)来保证激光器全反镜和半反镜的反射率。在高反膜或半反膜的内、外，或者同时对内外增添附加膜层R(j)=njd(j=1，2，……k)其膜系结构为Sub丨R(1)[HL]nR(2)……[HL]HR(k)｜Air或Sub｜R(1)[LH]nR(2)……[LH]LR(k)｜AirSub-基片，Air-空气，N=n+m+…。取H和L的膜层厚度nd=λ0/4(λ0为中心波长)，整个膜系1包括全反膜、半反膜、附加膜层、基片1的材料、附加膜层的光学厚度及其位置的选取，应根据不同类型的激光器、全反镜和半反镜，对振荡波长λ的设计要求及所需主要增透波长λ’而确定。通过这些变量的合理选取，使整个膜系的组合导纳Y趋于1(Y=1)，以满足膜系对波长λ′的反射率R=( (1-r)/(1+r) )·( (1-r)/(1+r) )的值趋于零的设计要求。对其它抑制要求不高的波长λ″，可采用在高反射区或半反射区内，适当改变振荡波长λ的位置，使λ″置于高反射区外、半反射区外或透射区的透射峰值上，以达到抑制λ″振荡的目的。
2.根据权利要求1中的设计方法，制成的红、绿、黄、红外等不同波长的氦氖激光器反射镜的特征是镀膜材料nH＝1.8-3.0 nL＝1.2-1.7(包括了所有曾在氦氖激光器反射镜镀膜中采用过的材料)基片nS考虑基片对波长的吸收应取实际测试值。高反膜或半反膜中H和L的光学厚度nd＝λ/4。附加层的njd、R(j)的位置、及高反或半反膜中的N，由不同振荡波长、全反镜和半反镜而确定即用公式R＝［1-(nH/nu)N -1(n2H/ns)1+(nH/nu)N-1(n2H/ns)］2定N]]>用特征矩阵公式[2]定njd、nj和R(j)的位置。
全文摘要
在激光器中为抑制不需要的谱线，使有应用价值的谱线振荡，常采取在腔内加附加元件或用具有一定波长选择功能的反射镜抑制的方法，但都对激光功率有损失。本发明是设计具有较高波长选择性能的反射镜来满足上述要求，即在确保对振荡波长的全反镜或半反镜反射率不受影响的条件下，通过选择现有镀膜材料，膜层厚度及其位置，使整个膜系对主要抑制波长的反射率趋于零，从而达到高增透的目的。本发明应用于氦氖激光器反射镜，以红光镜片为例波长 设计值 测试值633nm R≥99.8％R＝99.8％3.39umR＜2％ R＜2％
文档编号G02B1/10GK1042423SQ8810740
公开日1990年5月23日 申请日期1988年10月29日 优先权日1988年10月29日
发明者张 杰, 魏守安 申请人:张嘉