本發(fā)明屬于超快激光領域，具體是一種超短脈沖激光器中用于脈沖壓縮光學元件的具有超低折射率的表面傾斜沉積SiO₂層的低振蕩色散鏡結(jié)構。

背景技術：

色散鏡是一種色散補償元件，在保持高反射率的同時能提供一定的色散補償，在超快激光系統(tǒng)中可以取代棱鏡對和光柵用于脈沖壓縮。色散鏡分為高色散鏡、低色散鏡和寬帶啁啾鏡。色散鏡的帶寬增大或者色散量增大時可能會引入比較大的色散振蕩。這是因為在色散鏡結(jié)構中，啁啾膜系與外界介質(zhì)(主要是空氣)之間有嚴重的阻抗不匹配，會使光波在膜層間傳輸形成干涉最終使色散曲線形成振蕩。為了消除這些振蕩，目前雙啁啾鏡、背部鍍膜啁啾鏡、傾斜表面啁啾鏡和布魯斯特角啁啾鏡、啁啾鏡對這些設計思想都能很好的抑制啁啾鏡色散曲線的振蕩。

色散鏡對是目前商用最常見的色散補償元件，色散鏡對是通過改變色散鏡的參考波長或者在不同的入射角下使用，使其中一個色散鏡的振蕩周期偏移半個周期，這樣兩個鏡子的波紋正負值相抵消，雖然每個鏡子的振蕩波紋很大，但是兩個鏡子一起使用，群延遲色散曲線就相對比較平滑。但是由于色散鏡對要成對設計和制備，不僅設計工程量大，而且制備成本也比較高。

在色散鏡的頂部添加一層超低折射率層，能夠大幅度降低色散鏡的色散振蕩，這種超低折射率層可以通過傾斜沉積技術來實現(xiàn)。傾斜沉積是一種新型的薄膜沉積技術。通過制備過程中基片的旋轉(zhuǎn)和傾斜，可以制備出各種形狀的雕塑薄膜，并且這些雕塑薄膜可以實現(xiàn)許多傳統(tǒng)薄膜無法實現(xiàn)的光學性質(zhì)，為光學薄膜的設計與制備開辟了新的途徑。通過傾斜沉積技術能夠制備出單個低振蕩色散鏡，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)啁啾鏡對降低振蕩的功能，還能夠大大降低成本。除此之外，單個低振蕩色散鏡還具有損耗低、靈活度高、可集成化和調(diào)節(jié)簡單等優(yōu)點，能夠非常好的運用于超快激光系統(tǒng)中。

通過提出一種新型低振蕩色散鏡的初始設計，在基礎的啁啾膜系之上再添加一層超低折射率層，通過傾斜沉積技術獲得不同的超低折射率的SiO₂材料層，在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)不同帶寬范圍以及不同色散補償量的低振蕩色散鏡，對于推動色散鏡在超快激光系統(tǒng)中的應用具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題在于提出一種低色散振蕩的色散鏡結(jié)構，利用傾斜沉積技術使表層膜的折射率達到非常低(折射率n＝1.05-1.25左右，接近空氣)，能夠很好的匹配不同介質(zhì)間的折射率，使得色散鏡在提供一定的色散量的同時又不會產(chǎn)生非常大的振蕩，從而得到不同帶寬和不同色散量的滿足設計要求的低振蕩色散鏡。

本發(fā)明的技術解決方案如下：

一種低色散振蕩的色散鏡結(jié)構，其特點在于，由下到上依次包括基底、啁啾膜系結(jié)構和超低折射率層；所述的啁啾膜系結(jié)構由高低折射率材料交替組成，所述的超低折射率層由折射率和厚度可控制的SiO₂材料組成，通過傾斜沉積在所述的啁啾膜系結(jié)構上。

所述的超低折射率層的折射率和厚度可通過調(diào)節(jié)傾斜沉積的速率和角度來控制，通過調(diào)節(jié)傾斜沉積的角度在70°至87°范圍內(nèi)，超低折射率層的折射率可控制在1.05-1.25范圍內(nèi)，該折射率指的是550nm處的單點折射率。

所述的色散鏡結(jié)構表達式為G/(HL)^n(HL)^m(HxLH)^k(LxHL)^kM/A，其中G為基底，H為光學厚度為λ/4的高折射率材料，L為光學厚度為λ/4的低折射率材料，n和m為高反射膜層的周期數(shù)，x為對稱腔的厚度，k為對稱腔的周期數(shù)，M為超低折射率層，A為空氣層。

所述的高反射率膜層周期數(shù)n和m選擇范圍均為8～14，所述的對稱腔的厚度x在1.25-4之間，所述的對稱腔的周期數(shù)k在6-18之間。

本發(fā)明低振蕩色散鏡的設計方法，具體步驟如下：

步驟1、根據(jù)所需設計色散鏡要求，包括色散量、反射率以及帶寬，選擇合適的高低折射率材料，其中高折射率材料有Nb₂O₅、Ta₂O₅、HfO₂等氧化物材料，低折射率材料選擇SiO₂，高低折射率材料的折射率n_H、n_L為實際鍍膜實驗中反演得到。

步驟2、選擇合適的參數(shù)，因采用傾斜沉積技術能將超低折射率層的折射率控制在1.05-1.25區(qū)間內(nèi)，故設置超低折射率SiO₂層的折射率在1.05-1.25之間(該折射率為550nm處的單點折射率)，高反射率膜層周期數(shù)n和m選擇范圍8～14，G-T腔和對稱腔的厚度x在1.25-4之間，對稱腔的周期數(shù)k在6-18之間。

步驟3、初步選定低振蕩色散鏡的參數(shù)后，根據(jù)所設計低振蕩色散鏡要求，設定相應的目標值，包括群延遲色散值、反射率以及所涵蓋波長范圍，首先優(yōu)化啁啾膜系結(jié)構，經(jīng)變尺度優(yōu)化算法多次優(yōu)化，得到基于這一參數(shù)的優(yōu)化最終結(jié)果。

步驟4、在步驟3中得到的優(yōu)化結(jié)果基礎上，增加超低折射率層M層，并設定M層材料的折射率，并同樣，設定相應的目標值，包括群延遲色散值、反射率以及所涵蓋波長范圍，經(jīng)變尺度優(yōu)化算法多次優(yōu)化，得到基于這一參數(shù)的優(yōu)化最終結(jié)果。

步驟5、觀察最終結(jié)果是否滿足低振蕩色散鏡所需指標要求。若未能達到所需低振蕩色散鏡的群延遲色散要求，則更改超低折射率層M層的折射率，重復步驟4進行多次優(yōu)化，直到最終滿足低振蕩色散鏡要求，得到最終低振蕩色散鏡膜系結(jié)構。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明技術效果

1、提出一種低振蕩色散鏡初始設計，利用啁啾膜系結(jié)構和超低折射率層串聯(lián)形式，可針對不同設計要求，調(diào)節(jié)啁啾膜系結(jié)構的參數(shù)以及超低折射率層的折射率，得到滿足設計要求的低振蕩色散鏡。

2、基于這一初始設計，可以實現(xiàn)不同帶寬和不同色散量的非常低振蕩的色散鏡。

附圖說明

圖1為本發(fā)明低振蕩色散鏡結(jié)構示意圖。

圖2為本發(fā)明低振蕩色散鏡的膜系結(jié)構圖。

圖3為實施例一-200fs²除去超低折射率層的啁啾膜系結(jié)構的最終膜系結(jié)構。

圖4為實施例一-200fs²除去超低折射率層的啁啾膜系結(jié)構的群延遲色散及反射率曲線圖。

圖5為實施例一-200fs²低振蕩色散鏡除去超低折射率層和加上超低折射率層的群延遲色散曲線對比圖。

圖6為實施例一-200fs²低振蕩色散鏡(超低折射率層n＝1.1)最終膜系結(jié)構。

圖7為實施例一-200fs²低振蕩色散鏡(超低折射率層n＝1.1)的群延遲色散及反射率曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施例進行詳細說明。

請參閱圖1，圖1為本發(fā)明低振蕩色散鏡結(jié)構示意圖，如圖所示，由下到上包括基底1、啁啾膜系結(jié)構2、超低折射率層3。所述的啁啾膜系結(jié)構由高低折射率材料交替組成，超低折射率層由低折射率SiO₂(n＝1.05-1.25，折射率為550nm處的單點折射率)材料組成。所述的超低折射率層的折射率和厚度可通過調(diào)節(jié)傾斜沉積的速率和角度來控制，比如，通過調(diào)節(jié)傾斜沉積的角度在70°至87°范圍內(nèi)，超低折射率層的折射率可控制在1.05-1.25范圍內(nèi)，該折射率指的是550nm處的單點折射率。當超低折射率層的折射率控制在此區(qū)間范圍內(nèi)，色散鏡的振蕩會得到大幅的抑制。

所述的色散鏡結(jié)構表達式為G/(HL)^n(HL)^m(HxLH)^k(LxHL)^kM/A，其中G為基底，H為光學厚度為λ/4的高折射率材料，L為光學厚度為λ/4的低折射率材料，n和m為高反射膜層的周期數(shù)，x為對稱腔的厚度，k為對稱腔的周期數(shù)，M為超低折射率層，A為空氣層。

實施例一所要求的低振蕩色散鏡指標為：群延遲色散值-200fs²，反射率＞99.8％，相應帶寬為800nm中心波長200nm帶寬。

設計步驟如下：

1、根據(jù)群延遲色散及帶寬要求，色散量相對較大，帶寬較寬，所以選擇折射率較高的高折射率材料Nb₂O₅，低折射率材料為SiO₂，高低折射率材料的折射率參數(shù)由柯西公式確定。

2、根據(jù)低振蕩色散鏡要求，選擇合適的參數(shù)，代入低振蕩色散鏡的膜系結(jié)構表達式G/(HL)^n(HL)^m(HxLH)^k(LxHL)^kM/A，得到膜系結(jié)構如圖2所述。

3、基于2中的初始設計，參考波長為800nm，選擇入射角0度下的p偏振光，設定優(yōu)化目標值群延遲色散(groupdelaydispersion，GDD)為-200fs²，首先優(yōu)化除去超低折射率層的啁啾膜系結(jié)構，通過變尺度算法，得到優(yōu)化后的啁啾膜系結(jié)構如圖3所示，群延遲色散及反射率曲線如圖4所示。

4、如圖4為滿足要求的色散鏡反射率和群延遲色散曲線，其中反射率在700-900nm大于99.8％，群延遲色散GDD在700-900nm達到-200fs²，但是整個曲線的色散振蕩比較大，所以在此結(jié)構基礎上，再添加一層超低折射率層，也就是低折射率SiO₂層。根據(jù)傾斜沉積技術能將超低折射率層的折射率控制在1.05-1.25范圍內(nèi)，故先設定SiO₂層的折射率為1.2(為550nm處的單點折射率)，通過變尺度算法，得到優(yōu)化結(jié)果。

5、再改變超低折射率層SiO₂層的折射率，分別設定折射率為1.15和1.1進行優(yōu)化，通過變尺度算法，得到優(yōu)化結(jié)果。

6、將優(yōu)化后的群延遲色散曲線一同進行比較，如圖5所示。

7、通過對比圖5中的群延遲色散曲線可知，色散鏡的振蕩可以通過添加表面傾斜沉積層來進行抑制；基于G/(HL)^n(HL)^m(HxLH)^k(LxHL)^kM/A的初始設計，得到-200fs²的低振蕩色散鏡，當超低折射率層SiO₂材料的折射率達到1.1時，具有最佳的傾斜沉積層匹配折射率，最終最佳低振蕩色散鏡結(jié)構如圖6所示，群延遲色散及反射率曲線如圖7所示。

本發(fā)明對于低振蕩色散鏡的設計具有重要意義，有助于推動色散鏡在超快激光系統(tǒng)中應用。