一种抗激光损伤的光学反射膜系及设计方法

本发明属于光学薄膜设计领域，具体涉及一种抗激光损伤的光学反射膜系及设计方法。

背景技术：

1、在激光系统中，光学薄膜元件是激光产生、转化、传输的关键性元件，同时也是极易损伤的元件。一旦激光系统中的光学薄膜发生损伤，就会影响系统的使用寿命以及稳定性，光学薄膜元件的激光损伤阈值限制激光系统的输出功率。因此要设计和制备用于激光系统的光学薄膜，不仅要考虑光谱特性，更重要的还要考虑薄膜的抗激光损伤能力。目前已有大量研究表明薄膜内部电场分布会影响薄膜的抗激光损伤能力，电场峰值位于消光系数较低的膜层中、薄膜界面电场低的电场分布往往会有更高的抗激光损伤能力。同时，薄膜内部存在节瘤缺陷会增强薄膜内部电场，降低薄膜抗激光损伤能力。

2、授权公告号cn104330895b的一种倾斜入射高反射薄膜激光电场分布设计方法，通过预先设定薄膜材料的消光系数，通过数值优化高反膜的膜系结构的吸收率，将吸收率控制到最小实现对激光电场的分布，避免在薄膜界面出现强电场分布；授权公告号为cn104032266b的一种提高近红外高反膜激光损伤阈值的方法，提出通过求出最大入射角度，设计具有一定角度宽度的反射膜系来降低节瘤中的电场，提高反射膜的抗激光损伤能力。这两种方法简单易操作，设计出的反射膜系能实现有良好的电场分布或者对缺陷不敏感的效果，提高薄膜的抗激光损伤能力。但是还是存在一定的局限，如果仅考虑电场分布，在镀制过程中反射膜内部如果存在节瘤缺陷会引起电场增强，因为峰值电场的增加会导致薄膜激光损伤阈值降低；如果仅考虑节瘤缺陷的影响，那么不存在节瘤缺陷的反射膜，可能峰值电场在薄弱的膜层界面，导致薄膜的抗激光损伤能力降低。现有技术无法同时实现设计出的反射膜既有良好的电场分布又对缺陷不敏感的效果。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决目前抗激光损伤光学反射膜系在设计过程中仅单一考虑电场分布或仅单一考虑节瘤缺陷而导致的局限问题，提出了一种抗激光损伤的光学反射膜系设计方法。

2、本发明提出在初始四分之一波长厚度的反射膜系外侧新增电场调控层，通过构建新增电场调控层中膜层的物理厚度与新增电场调控层中膜层折射率的关系，来对薄膜内部电场进行优化。针对增加了电场调控层后的反射膜系，在电磁仿真软件中建立该膜系存在节瘤缺陷的模型，得出存在节瘤缺陷时的峰值电场。然后通过粒子群优化算法获得存在缺陷的模型中，峰值电场最小时新增电场调控层中膜层折射率，以减小节瘤缺陷对峰值场强的影响。再根据得到的新增电场调控层中膜层折射率计算得到新增电场调控层中膜层的物理厚度。本发明以电场调控层中膜层的折射率作为桥梁，将反射膜系设计过程中的电场分布问题和节瘤缺陷引起的电场增强问题联系在一起，解决了目前抗激光损伤光学反射膜系在设计过程中仅单一考虑电场分布或仅单一考虑节瘤缺陷而导致的局限问题。

3、本发明设计出的反射膜系既有良好的电场分布，峰值电场避开膜层界面而在低折射率膜层中，高折射率膜层中电场降低；同时又对节瘤缺陷不敏感，降低了由于节瘤缺陷而引起的电场增强。主要用于激光系统中的0度入射的反射膜的设计。

4、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

5、一种抗激光损伤的光学反射膜系设计方法，其特征包括以下步骤：

6、1)用tfcale膜系设计软件设计初始膜系结构：sub|(hl)^nh|air；

7、所述h为四分之一波长厚度的高折射率膜层，l为四分之一波长厚度的低折射率膜层，n为初始反射膜堆的叠加次数，sub是指基底一侧，air是指空气一侧。

8、为保证最终设计的膜系反射率满足要求，首先要保证初始膜系反射率满足要求。因此所述叠加次数n的具体数值由反射率要求确定。

9、2)在步骤1)中设计的初始膜系外侧设置m对电场调控层；

10、所述电场调控层由低折射率膜层和高折射率膜层交替组成。

11、所述一对电场调控层为一个低折射率膜层和一个高折射率膜层。所述m为电场调控层的对数，1≤m≤4。

12、所述电场调控层中的低折射率膜层优选为sio2膜层。

13、所述电场调控层中的高折射率膜层的折射率分别为n1、n2……nm。

14、所述新增第i对电场调控层中低折射率膜层的物理厚度由以下公式确定。

15、

16、所述新增第i对电场调控层中高折射率膜层的物理厚度由以下公式确定。

17、

18、上述公式中，和分别表示新增第i对电场调控层中低折射率膜层和高折射率膜层的物理厚度，1≤i≤m≤4；为新增第i-1对电场调控层中高折射率膜层的物理厚度，当i＝1时，为初始膜层中最外层高折射率层的物理厚度；n'为电场调控层中低折射率膜层sio2的折射率；ni为新增第i对电场调控层中高折射率膜层的折射率；ni-1为第i-1对电场调控层中高折射率膜层的折射率，当i＝1时，ni-1为初始膜层中最外层高折射率层的折射率；λ为反射率膜系的参考波长。

19、用所述公式约束电场调控层的物理厚度，使膜层内部电场得到初步优化并得到初步优化的电场调控层。

20、所述公式中新增电场调控层的物理厚度与新增电场调控层的折射率有关。

21、3)根据步骤1)设计的初始膜系和步骤2)中得到的初步优化的电场调控层得到一个新的反射膜系，在电磁仿真软件中对反射膜系仿真得到无节瘤缺陷时反射膜系的电场分布，在电磁仿真软件中建立该膜系存在节瘤缺陷的模型，得到存在节瘤缺陷的膜层中的峰值电场；

22、所述节瘤缺陷模型公式为d＝sqrt(cdt)，其中d为节瘤缺陷表面直径，d为种子直径，t为膜层厚度，c为与实际镀膜有关的参数，在本文中c取8，表示理想节瘤缺陷模型。

23、所述电磁仿真软件为lumericalfdtd。

24、4)以电场调控层中膜层折射率作为桥梁，将无节瘤缺陷时反射膜系的电场分布与存在节瘤缺陷的膜层中的峰值电场增强建立起联系，设定高折射率膜层材料的折射率范围，采用粒子群优化算法确定峰值电场最小时电场调控层中高折射率膜层的折射率；

25、所述高折射率膜层材料由一种或多种高损伤阈值或高导热系数的材料掺杂获得，进一步选择为al2o3、ta2o5、hfo2、nb2o5。

26、所述高折射率膜层材料的折射率范围为所选择的高折射率材料中折射率的最小值～所选择的高折射率材料中折射率的最大值。

27、5)根据步骤4)中确定的电场调控层中高折射率膜层的折射率，代入步骤2)的物理厚度公式计算得出电场调控层的厚度，获得优化后的电场调控层，由步骤1)设计的初始膜系和优化后的电场调控层形成抗激光损伤的光学反射膜系。

28、最终得到的反射膜系既有很好的电场分布又对缺陷不敏感，提高了膜层的抗激光损伤能力。

29、本发明设计的高反膜系，不仅在光谱特性上满足要求，在无节瘤缺陷时，膜层内部有良好的电场分布，峰值电场避开膜层界面，高折射率膜层电场较小；在存在节瘤缺陷时，对缺陷不敏感，从而提高膜层的抗激光损伤能力。

30、一种抗激光损伤的光学反射膜系，由初始膜系和电场调控层组成。令λ＝550nm，经步骤1)～5)获得反射膜系结构。其中所述初始膜系结构为sub|(hl)^6h|air，高折射率膜层材料h选择ta2o5，低折射率膜层材料l选择sio2，由基板侧向空气侧每一层的厚度依次为：61.59nm、94.18nm、61.59nm、94.18nm、61.59nm、94.18nm、61.59nm、94.18nm、61.59nm、94.18nm、61.59nm、94.18nm、61.59nm，其中奇数层为ta2o5膜层，偶数层为sio2膜层。所述电场调控层3对共6层，其中奇数层为低折射率sio2膜层，偶数层为高折射率膜层，所述高折射率膜层的折射率分别为2.18、2.36、2.36，由初始膜系侧向空气侧每一层的厚度依次为145.63nm、37.08nm、154.58nm、28.05nm、162.08nm、24.05nm。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、现有技术中可以实现对膜系内部电场的优化，使电场峰值避开膜层界面而在低折射率膜层中，减小高折射率膜层中的电场；也可以通过设计膜系减少节瘤缺陷对电场增强的影响，但是都只考虑了一个方面，具有局限性，现有技术很少有同时考虑反射膜系电场的分布以及节瘤缺陷引起膜层内部峰值电场的增强这两种情况。而本发明通过在初始四分之一波长厚度膜系外侧新增电场调控层，建立电场调控层中膜层物理厚度与电场调控层中膜层折射率的关系来优化膜层内部电场。再用电磁仿真软件建立新增电场调控层后的膜系存在节瘤缺陷的模型，模型中电场调控层的物理厚度用推导出的厚度公式进行约束，在电磁仿真软件中用粒子群优化算法确定峰值电场最小时电场调控层中高折射率膜层的折射率以及厚度。本发明以新增电场调控层中膜层折射率作为桥梁，将将反射膜系设计过程中的电场分布问题和节瘤缺陷引起的电场增强问题联系在一起。本发明设计出的反射膜系既有良好的电场分布，同时又对节瘤缺陷不敏感。考虑更全面，简单、易操作，有明显效果。