[发明专利]一种宽带高反射高阈值低色散镜及其设计方法

说明书

本发明提出一种宽带高反射高阈值低色散镜及其设计方法，宽带高反射高阈值低色散镜的结构为G/M/C/A，其中G代表基底层，M代表金属膜层，C代表介质膜层，A代表空气层，所述介质膜层由单层介质薄膜材料构成或者由低折射率的介质薄膜材料和高折射率的介质薄膜材料交替堆叠而成。本发明利用金属宽反射带宽和优异的色散特性，结合介质膜反射率高、抗激光破坏能力强的特点，通过调整介质膜层数和厚度，可调控不同带宽范围内的色散和反射率，从而设计出满足超快激光系统中用于脉冲传输的宽带高反射高阈值低色散镜。

技术领域

本发明属于超快激光薄膜领域，尤其涉及到飞秒脉冲激光系统中的宽带低色散镜，是一种用于飞秒激光系统光路传输的反射镜。

背景技术

超强超短激光是已知的最高光强(W/cm²)光源，能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度综合性极端物理条件，在阿秒科学、超快化学、材料科学、核物理与核医学、高能物理等领域有重大应用价值，在科研、国防及民用等方面越来越显示出其独有的魅力。近年来，飞秒(即fs，10^-15s)太瓦(即TW，10¹²W)甚至更高量级的激光系统已在各国多个实验室内建成。2017年中国成功研制10拍瓦超强超短激光装置，这是迄今国际最高峰值功率的激光系统，随着超强超短脉冲激光的发展，激光脉冲宽度已经压缩至数飞秒，这对超快激光系统中反射薄膜元件提出了新要求：具备更高的损伤阈值、更宽的带宽、更高的反射率，并且不引入额外色散。

1966年，Heavens等人通过无序的薄膜厚度分布来扩宽光学薄膜反射镜的反射带宽，但是他们的研究并没有考虑和控制材料及反射光可能带来的色散。1994年第一块啁啾镜反射镜通过啁啾分布的膜层结构，使不同频率的光在膜层中的穿透深度不同，来实现对超短脉冲的一阶色散、二阶色散及高阶色散控制。在光路传输时候不引入色散的薄膜被定义为低色散镜，是高功率超短脉冲激光器的一个研究重点。

目前能实现低色散高反射输出的光学薄膜元件设计思想主要有三种：金属反射镜、全介质反射镜、金属介质反射镜。目前关于这三种低色散镜，国际的文献报道，一般聚焦于低色散镜的损伤阈值测试上，没有给出系统的低色散镜设计方法，并且波段比较单一。

传统的金属反射镜具有很宽的反射带宽，但是其反射率不高，并且由于金属具有较强的吸收特性，造成其损伤阈值较低。全介质膜反射镜虽然具备高反射率，高抗激光损伤特性，但是其反射带宽比较窄，远远不能满足飞秒激光系统中宽带高反射传输的要求。

发明内容

本发明提出了一种宽带高反射高阈值低色散镜及其设计方法，利用金属宽反射带宽、高反射率、低色散的特性，结合介质膜能够提高反射率和抗激光破坏能力强的优势，通过优化介质膜层结构得到宽带高反射高阈值低色散镜。不同的金属膜层材料可实现不同波段的宽带高反射低色散输出，不同材料的介质膜层在提高损伤阈值和反射率的同时也会引起额外的色散，限制反射带宽，通过调整介质膜层数和厚度，可调控不同带宽范围内的色散和反射率，达到不同的设计需求。

本发明解决的技术方案如下：

一种宽带高反射高阈值低色散镜，其结构为G/M/C/A，其中G代表基底层，M代表金属膜层，C代表介质膜层，A代表空气层，所述介质膜层由单层介质薄膜材料构成或者由多层低折射率的介质薄膜材料和高折射率的介质薄膜材料交替堆叠而成。

优选地，所述基底层材料为石英玻璃或CaF₂。

优选地，所述金属膜层材料银、金、或铝中的任意一种。

优选地，所述低折射率的介质薄膜材料为SiO₂、Al₂O₃、或MgF₂中的任意一种。

进一步地，所述低折射率的介质薄膜材料为SiO₂。