基于多波长效应下的薄膜元件时域动态电场仿真方法

本发明属于超快激光薄膜领域，尤其涉及一种基于多波长效应下的薄膜元件时域动态电场仿真方法。
背景技术：
：薄膜元件是超短脉冲激光系统中的重要部件，研究薄膜元件在超短脉冲作用下的损伤行为至关重要。光的传播速度极快，在真空中传播的速度为300nm/fs，在薄膜元件中一般为飞秒量级，具体传播时间由膜层结构和薄膜材料有关。对于纳秒和皮秒激光，其脉冲宽度远大于光在膜层间的传播时间，所以即使是脉冲光，其能量输入也可以近似认为是稳态的，而当入射激光为飞秒激光时，其脉宽宽度可能小于传播时间，所以膜层内部的电场是随时间变不断变化的，即为动态分布的。此外，脉冲宽度越窄，其对应的光谱宽度越宽，各个频率分量的电场不同，传播速度也不同，所以实际上的电场分布需要考虑到多波长效应。目前传统的膜系设计软件(tfcalc，macleod，optilayer等)都是分析计算膜层的单波长稳态电场，所以对于超短脉冲作用下的薄膜元件其电场计算结果是有局限性的。技术实现要素：本发明的目的是解决上述问题，通过多物理场耦合软件comsol设计了一种基于多波长效应下的薄膜元件时域动态电场仿真方法。本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：1)根据薄膜元件的膜层厚度、膜层材料及材料的光学常数，在多物理场耦合软件comsol中建立薄膜元件实体模型，对输入的几何体进行网格剖分，包括选择单元类型，设置网格尺寸，测试网格精度；2)选择电磁波(瞬态)作为计算物理场，设定边界条件，其中薄膜最外层边界(靠近入射介质)与最内层边界(靠近基底)采用散射边界条件，薄膜元件镜两个侧边采用周期性边界条件；3)在最外层边界上加载一束高斯脉冲光。光束在x方向传播，在y方向上的强度为横向高斯型，电场的偏振方向为面外z方向。二维几何的时谐maxwell方程解可通过以下傍轴波动方程的解析解近似得到：其中，defi(λi,r,t)是单波长的时域动态电场，λi为对应的单波长，r为薄膜元件的深度坐标，t为时间，e0为电场峰值，w0是最小束腰，x0为rayleigh范围，w是角频率，y是面内横坐标，k是波数，t0为脉冲延迟时间，dt为脉冲宽度，η(x)为gouy相移。光束的波前形状不完全是平面的；传播时类似半径为r(x)的球面波，得到单波长下薄膜元件在各个深度处随时间不断变化的时域动态电场defi(λi,r,t)和脉冲光在膜层内部的停留时间ts；4)测试实际入射的激光脉宽dt和光谱，得到该入射激光在各个波段的强度因子i(λ)；5)在入射激光的实际光谱范围内，计算所有单波长下的时域动态电场分布defi(λ1,r,t)、defi(λ2,r,t)、defi(λ3,r,t)……。为了保证计算精度，波长间隔不大于最大波长与最小波长差值的5％；6)将得到的所有单波长电场乘以该波长下的强度因子，相加，再除以强度因子之和，得到薄膜元件的多波长时域动态电场defi(r,t)，计算公式如下式所示：与现有技术相比，本发明技术效果如下：1)波长域。考虑到不同波长分量的传递速度不同，不同波长分量形成的电场不同，得到的结果更接近实际电场分布，从电场分布上可以预判出薄膜元件的损伤阈值和损伤部位；2)时间域。最终电场计算结果是随时间动态分布的，可以得到电场极值的形成时间，即薄膜元件的损伤时刻。附图说明图1为本发明所述的仿真方法的流程图。图2为传统膜系设计软件得到的800nm中心波长下的电场分布。图3为实际测试过程中的激光光谱。图4为多波长下的时域动态电场分布。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，但不应以此限制本发明的保护范围。如图1所示为本发明基于多波长效应下的薄膜元件时域动态电场仿真方法的流程图。实施例1：薄膜元件为啁啾镜，带宽700-900nm，色散量-150fs2，入射角5度，反射率大于99.5％。详细步骤如下：1)根据薄膜元件的膜层厚度、膜层材料及材料的光学常数，材料的折射率如下表所示，在多物理场耦合软件comsol中建立薄膜元件实体模型，对输入的几何体进行网格剖分，包括选择单元类型，设置网格尺寸，测试网格精度；a0a1a2sio21.442931.16226181e-2-3.70553295e-4nb2o52.157863.61226445e-22.024012e-32)选择电磁波(瞬态)作为计算物理场，设定边界条件，其中薄膜最外层边界(靠近入射介质)与最内层边界(靠近基底)采用散射边界条件，薄膜元件镜两个侧边采用周期性边界条件；3)在最外层边界上加载一束高斯脉冲光。光束在x方向传播，在y方向上的强度为横向高斯型，电场的偏振方向为面外z方向。二维几何的时谐maxwell方程解可通过以下傍轴波动方程的解析解近似得到：5)其中，defi(λi,r,t)是单波长的时域动态电场，e0为电场峰值，w0是最小束腰，x0为rayleigh范围，w是角频率，y是面内横坐标，k是波数，t0为脉冲延迟时间，dt为脉冲宽度，η(x)为gouy相移。光束的波前形状不完全是平面的；传播时类似半径为r(x)的球面波，得到单波长下薄膜元件在各个深度处随时间不断变化的时域动态电场defi(λi,r,t)和脉冲光在膜层内部的停留时间ts；计算中所用的参数如下表所示：名称表达式值描述w02μm2e-6m激光束最小光斑半径lambda0800nm0.8e-6m入射激光波长e06kv/m6000v/m电场峰值x0pi*w0^2/lambda1.5635e-5mrayleigh范围k02*pi/lambda7.85e61/m传播常数wk0*c_const2.35e151/s角频率t060fs6e-14s脉冲延迟时间dt30fs3e-14s脉冲宽度4)测试实际入射的激光脉宽dt光谱，得到该入射激光在各个波段的强度因子i(λ)，实际入射光谱如图3所示，能量分布在750-850纳米，其中脉宽为30fs，而脉冲光在薄膜内部的停留时间ts为450fs；5)在入射激光的实际光谱范围内，计算所有单波长下的时域动态电场分布defi(λ1,r,t)、defi(λ2,r,t)、defi(λ3,r,t)……。为了保证计算精度，波长间隔为5nm；6)将得到的所有单波长电场乘以该波长下的强度因子，相加，再除以强度因子之和，得到薄膜元件的多波长时域动态电场defi(r,t)，计算公式如下式所示：可以看到传统的电场峰值位于膜层的内部，但是实际上由于不同的频率分量的传播速度不同，在膜层内部形成峰值时存在时间差，导致膜层内部的电场下降，准确的电场峰值位于膜层表面，所以对于这个色散镜来说，初始损伤部位将位于前膜层，实际的损伤测试结果与我们的模型计算结果一致。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12