用于高功率激光脉冲的介电反射镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要设及用于激光的光学系统。本发明特别是设及用于高功率激光脉冲的 反射并具有高损伤阔值的反射镜。
【背景技术】
[0002] 对于特别在研究、材料加工中的高功率激光系统来说或者对于核聚变中的应用来 说一直都有提高功率的趋势。例如设及化I、Apollon和化tawatt项目。
[0003] 为了始终获得较高的直至化tawatt范围的功率，需要增大脉冲能量W及缩短脉 冲持续时间。在此典型的脉冲持续时间在10-200飞秒的数量级。
[0004] 脉冲持续时间的脉冲不能直接增强，而是必须例如通过光栅扩张至纳秒脉冲长 度，W运种形式在活性的激光介质中增强并且随后重新压缩。 阳〇化]此外，运些脉冲没有单一的波长，因而不像通常看到的例如连续照射的激光那样 是单色的。与之不同，脉冲由完整的波长光谱构成。运源自频率（波长）和脉冲持续时间 之间的傅里叶变换W及源自海森堡的不确定性原理。为了使得纳秒脉冲在增强之后能够重 新压缩或者引起光和材料的相互作用，必须同时存在脉冲的所有波长。如果缺少最短波长 或最长波长的成分，那么压缩的脉冲不再具有数个飞秒的持续时间，而是明显更长。
[0006] 但是介质显示出色散，也就是说，不同波长的光速一般不同。由此光谱随时间和空 间彼此分离并且不同的光谱组分不再能够共同压缩成一个飞秒脉冲。
[0007] 为了使飞秒脉冲保持为运样（由此不会彼此分离）、能够将较长的脉冲压缩到飞 秒脉冲或者能够使飞秒脉冲在特定位置与材料相互作用，传输该激光脉冲的光学构件应当 在足够宽的波长范围内具有尽可能低的色散，也就是说，光脉冲的组分必须传输地同样快。 例如短波组分不应比长波组分更慢地穿过色散介质。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于，提供一种反射镜，该反射镜一方面尽可能好地满足上述在宽 的波长范围内的低的群延时色散（Group Delay Dispersion-G孤，接下来仅简单地称为色 散）的要求，并且另一方面也适合于反射高强度脉冲和超高强度脉冲。该目的通过权利要 求1的技术方案得W实现。本发明的有利设计和扩展方案在各个从属权利要求中给出。
【附图说明】
[0009] 接下来参照附图并且更详细地阐述本发明W及本发明基于的技术问题。其中：
[0010] 图1示意性地示出了穿过色散介质之前和之后的激光脉冲，
[0011] 图2示出了具有不同涂层材料的两个介电反射镜的光谱反射率（光谱反射比），
[0012] 图3和图4示出了介电反射镜的涂层顺序的实施例，W及在反射镜叠层内的光强 度（标准化成入射的电场的平方值），
[0013] 图5示出了根据本发明的介电反射镜的叠层的实施例，W及激光脉冲在叠层中的 光强度分布，
[0014] 图6和图7示出了不同材料的激光损伤阔值与折射率相关的图，
[0015] 图8示出了色散体作为根据图3至图5不同叠层的波长的函数，
[0016] 图9示出了图5中所示实施方式的一个变体， 阳017] 图10示出了根据另一个实施例的叠层的截面图，
[0018] 图11示出了具有梯度层的一个实施例，W及
[0019] 图12示出了色散体的带宽作为用于梯度层系统的不同叠层的波长的函数。
【具体实施方式】
[0020] 图1的曲线图再次示意性地说明了色散介质对超短波的、宽带的激光脉冲的影 响。特别是在图1中在时间刻度尺上示出了在穿过色散介质之前和之后的激光脉冲2。在 穿过之前（时间线上显示在左边）激光脉冲具有特定的持续时间和强度。在穿过之后（显 示在右边）各光谱组分在时间刻度尺上分离。例如红色和蓝色组分用"R"或"B"表示并且 标记为阴影面。在所示的实施例中介质运样色散，即，短波的光谱组分比长波的光谱组分更 慢地穿过介质，从而在穿过之后蓝色的光谱组分在时间上落后于红色的组分。
[0021] 除了吸收损失和散射损失W外，综合的脉冲能量基本上保留，然而通过激光脉冲2 随时间的彼此分离使得最大强度或功率降低。但是恰好脉冲功率对于高功率激光应用来说 通常很重要。
[0022] 为了反射高功率激光脉冲，通常采用介电反射镜（dielektrische Spiegel,介质 反射镜）。
[0023] 飞秒脉冲反射镜的典型的、示例性的规格例如除了尺寸、平面度（反射的波前）、 表面粗糖度之外还能够包括下述：
[0024] 入射角;： 45。 光板性： S 波长范国； 700 - 900 nm 反射率： >99.5% 色散付、（GDD);最大±50朽2 激光损伤阀值：>0.5 J/cm2(20技脉冲持续时间，800 nm波长)。
[0025] 非常简单的介电反射镜由具有高的和具有低的折射率的一系列层构成，在运些层 的分界面上反射一部分光并且与其本身进行干设，其中层厚恰好等于设计波长的四分之一 的光路长度。由此运种反射镜可能仅具有受限的带宽，因为对于明显不同的波长来说需要 满足不同的干设条件。
[00%] 此时，为了获得更大带宽的反射镜，运例如有利于飞秒激光脉冲的反射，能够采用 两种手段。
[0027] i)或者提高两个层种类之间的折射率差值，即提高高折射的层和低折射的层之间 的折射率差值，或者
[0028] U)采用所谓经"调频"的（zwitschern，英语"chi巧"，指频率变化）反射镜，其 中各个层厚变化并且一个波长的光在一个区域（例如位于较高的层）中反射而另一波长的 光在另一（垂直的）反射镜区域（例如位于较低的层）中反射。
[0029] 图2根据两个不同介电反射镜的光谱反射率示出了提高折射率差值的效果。
[0030] 图2中的虚线是Si化/Hf〇2层系统的反射率，实线是SiO z/Ti化层系统的反射率。 在Ti〇2层和SiO 2层之间的折射率差值大于HfO 2层和SiO 2层之间的差值。由此如由图2可 W看出，Si化/Ti化层系统的带宽明显更大。另一方面，TiO 2相对于HfO 2具有明显更小的激 光损伤阔值。
[0031] 运两种反射镜种类因此对于作为高功率超短脉冲反射镜的应用来说都具有 明显的缺陷（在之后的段落中描述为"窘境值ilemmas)")。在介电反射镜的层组合 (Schichtpaket)中形成静止的波，从而在一些位置上形成增大的电场/提高的光强度。最 大值是与激光损伤阔值相关的预定断裂位置。在分界面上的损伤阔值通常低于在层内部的 损伤阔值。
[0032] 多光子吸收导致介质的能量吸收W及在充足的功率下介质的损伤。介质的稳定性 如何很大程度上取决于介质的带隙。在具有较大带隙的材料中的损伤阔值通常比在具有较 小带隙的材料中更高。因此Si化也比具有较高折射率的材料更稳定。
[0033] 在较适合于高能飞秒脉冲（或者纳秒脉冲，其应当压缩至飞秒）的介电反射镜中 因此也应当
[0034] -反射率高，
[0035] -反射率的带宽大，
[0036] -群延时色散小，
[0037] -群延时色散的带宽大，
[0038] -电场的最大值小，
[0039] -材料具有大（宽）的带隙， W40]-大的电场位于较大带隙的材料中，
[0041] -大的电场不在分界面上而是在层内部。
[0042] 通过上述前提现产生例如高折射材料Ti〇2的数个窘境：
[0043] -Ti〇2有利于高的反射率（由于大的折射率）， W44] -Ti〇2因此也有利于大的带宽，参见图2， W45] -Ti化有利于小的色散。
[0046] 例如Ti化所具有的高折射率意味着，较少的层参与反射并且由此不同波长的波的 路径差（色散）较小。
[0047] 但是Ti〇2不利的是因为带隙和损伤阔值低。 W48]-册〇2或Sc 2〇3是有利的，因为带隙和损伤阔值较大。
[0049] -另一方面Hf 〇2或Sc 2〇3是不利的，因为折射率较小。
[0050] 通过Si〇2/Ti〇2反射镜能够满足激光损伤阔值的规格并且通过Si〇2/Hf〇2反射镜不 能满足色散带宽的规格。
[0051] 图3为此示出了在由交替的Si〇2/Ti〇2层构成的介电反射镜中电场强度（该电场 强度与光强度成比例）的平方的分布或走势6。运些层相应地用"Si〇2"或"Ti〇2"标识，层 之间的分界面用虚线标记。在图3 W及接下来的图中给出场强的走势6,用于设计波长或者 具有激光脉冲的强度最大值的波长。在激光脉冲的光谱上结合的总强度的走势在此没有明 显偏差，从而观察设计波长是足够的。
[0052] 特别是图3示出了多层Si化/Ti化反射镜的上面八个层。反射镜的表面位于深度 为零处，反射镜的周围环境在零点右侧。在左侧的比900纳米更深的深度中（图3中没有 示出）还