中紅外激光寬帶偏振分束膜研制

岳 威，武淑明，韓 隆，韓永昶，張 闊，劉連澤

（固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100015）

·光學(xué)技術(shù)·

中紅外激光寬帶偏振分束膜研制

岳 威，武淑明，韓 隆，韓永昶，張 闊，劉連澤

（固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100015）

以薄膜光學(xué)和激光技術(shù)為背景，介紹了中紅外固體激光器中寬帶偏振分束膜的用途、設(shè)計(jì)與制備方法。基于波動(dòng)光學(xué)原理，首先分析了核心元件硒化鋅晶體的偏振特性以及中波寬帶偏振分光的難點(diǎn)，其次討論了布儒斯特角入射時(shí)薄膜選材、通帶展寬、工藝制備等研究過程中的主要技術(shù)問題。利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后，結(jié)合離子輔助工藝得到了吸收小、偏振比高、抗激光性能與附著力良好的薄膜。目前相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用在中紅外固體激光器中達(dá)到了5kHz下大于15W的輸出效果。

中紅外；光學(xué)薄膜；偏振；布儒斯特角

1 引 言

中紅外激光目前已經(jīng)在光電對(duì)抗、制導(dǎo)偵察、定向探測(cè)和材料分析等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)具有了廣泛的應(yīng)用。目前在3～5μm波段能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可調(diào)諧激光輸出的主要方式是利用非線性的光參量振蕩技術(shù)，將現(xiàn)有短波固體激光工作波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到中紅外區(qū)域［1］。

光學(xué)薄膜對(duì)于此類激光器至關(guān)重要，不僅每種諧振腔鏡和非線性晶體都需要鍍膜，以達(dá)到特定的性能指標(biāo)，而且單路激光輸出不足時(shí)，需要對(duì)于雙路激光進(jìn)行偏振合成，以達(dá)到更高的能量，這就對(duì)于光學(xué)薄膜提出了很高的技術(shù)要求，同時(shí)薄膜的吸收、附著力以及閾值效應(yīng)也成為了激光器性能的關(guān)鍵所在。本文所涉及到單路中紅外激光器結(jié)構(gòu)和雙路合成示意如圖1和圖2所示。

圖1 單路中紅外激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 Singlemid－infrared laser structure

圖2 雙路合成示意圖Fig.2Dual synthesis schematic diagram

2 工作原理

一般情況下，自然光在電介質(zhì)界面上反射和折射時(shí)，反射光和折射光都是部分偏振光，只有當(dāng)入射角為某特定角時(shí)反射光才是線偏振光，其振動(dòng)方向與入射面垂直，此特定角稱為布儒斯特角，如圖3所示。

圖3 布儒斯特角示意圖Fig.3 Brewster angle schematic diagram

光學(xué)透鏡應(yīng)用中，為了把振動(dòng)方向與入射面平行的光波（P光）和與入射面垂直的光波（S光）完全分離，即P光高透射，而S光全部反射，無能量透過，則需要針對(duì)特定透鏡介質(zhì)的布儒斯特角設(shè)計(jì)偏振光分束薄膜，利用此類全介質(zhì)薄膜可以對(duì)某一波長(zhǎng)的光束進(jìn)行完全的偏振分離［2］。值得注意的是，通常的偏振分束薄膜，多是針對(duì)可見光532 nm或者近紅外1064 nm等單一波長(zhǎng)設(shè)計(jì)使用。

激光薄膜是所有元件中最薄弱的環(huán)節(jié)，對(duì)于高功率中紅外激光器來說，激光能量極易產(chǎn)生熱能沉積，從而在薄膜約束邊界上產(chǎn)生不均勻的熱效應(yīng)，致使薄膜元件產(chǎn)生熱畸變及損傷，激光對(duì)于薄膜元件的這種破壞效應(yīng)已逐漸成為了發(fā)展新型中紅外激光技術(shù)的“瓶頸”。另一方面，由于中紅外激光器輸出本身為線偏振光，當(dāng)單光路能量不足時(shí)，需要對(duì)于一路P光和一路S光在鍍膜表面達(dá)到合成輸出。目前中長(zhǎng)波紅外激光器中大量采用硒化鋅（ZnSe）制作的光學(xué)透鏡，ZnSe作為一種重要的Ⅱ－Ⅵ族半導(dǎo)體光電材料，對(duì)波長(zhǎng)范圍0.5～22μm的光具有良好透射性能。當(dāng)選用ZnSe作為中波紅外3.65～4.35 μm波段光學(xué)透鏡使用時(shí)，如果表面不鍍制光學(xué)薄膜，中紅外激光在其布儒斯特角（67°）入射情況下，振動(dòng)方向與入射面垂直的S光仍有34%透射，單面反射只有50%左右，反射能量太低，無法滿足中紅外激光雙光路偏振合成的需求。

3 薄膜設(shè)計(jì)

中波寬帶偏振分束膜要求對(duì)3.65～4.35μm的激光P分量選擇性透過，而對(duì)S分量的激光選擇性反射。由于此薄膜的偏振分離波段寬、偏振分離度要求高，需要采用雙本征分離帶結(jié)合的薄膜設(shè)計(jì)方法。具體指標(biāo)要求如表1所示。

表1 中波寬帶偏振分束膜技術(shù)指標(biāo)要求Tab.1 Broadband polarized separator technology index requirements

對(duì)于偏振膜來說，膜系設(shè)計(jì)的基本原則就是在給定入射角度（通常是布儒斯特角）和基底材料的前提下，盡可能通過最少的膜層數(shù)，實(shí)現(xiàn)盡可能高的偏振分離度，同時(shí)考慮鍍膜材料之間及其與基底材料之間的匹配，避免應(yīng)力的集中，保證膜層與基底之間結(jié)合的牢固性。用高、低折射率交替的介質(zhì)多層膜能夠得到更高的反射率，當(dāng)膜系所有界面上的反射光束回到前表面時(shí)具有相同位相，從而產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉。在折射率為ng的基片上鍍以光學(xué)厚度為λ0／4的高折射率（n1）膜層后，由于空氣／膜層和膜層／基片界面的反射光同位相，使得反射率大大增加。

在薄膜材料不確定的情況下，改變材料及層數(shù)，可以得到滿足匹配條件的解。在薄膜材料確定的情況下，改變膜層的層厚和層數(shù)，可得到不同的等效折射率E和等效相位Γ，使其近似滿足匹配條件［3］。初始膜系為G／（HL）＾S（mHmL）＾S／A的典型結(jié)構(gòu)，高折射率材料選取ZnSe，低折射率材料選取YbF3，利用長(zhǎng)短波兩個(gè)初始偏振分束帶結(jié)合，逐步增加反射膜對(duì)，它們由光學(xué)厚度為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的四分之一、折射率分別為nH和nL的單層膜疊加而成，以H、L表示，S代表了HL的重復(fù)次數(shù)，即反射周期，m代表兩個(gè)反射帶相對(duì)的中心波長(zhǎng)比，最后以非等厚周期方法進(jìn)行優(yōu)化處理，注意修正了反射帶平坦度［4］，得到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為：SUB＼（1.207H 0.978L）＾13（1.405H 1.662L）＾12 1.447H 1.264L 1.354H＼AIR。值得注意的是，中波偏振膜由于單個(gè)膜堆本征偏振分離帶寬度不夠，采用雙帶結(jié)合優(yōu)化的方式，但同時(shí)也成倍增加了膜層數(shù)和制備難度。本征偏振分離帶，設(shè)計(jì)曲線和實(shí)測(cè)光譜圖如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 未經(jīng)設(shè)計(jì)的本征偏振分離帶Fig.4 Intrinsic polarization separation

圖5 中波寬帶偏振分束膜設(shè)計(jì)曲線Fig.5 Spectral of 1311nm reflection

圖6 實(shí)測(cè)光譜曲線Fig.6 Measured spectral curve

樣品膜層在具有擴(kuò)散泵系統(tǒng)、球罩轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和APS離子源的德國(guó)LEYBOLD設(shè)備中鍍制，采用電子槍結(jié)合鉬舟蒸發(fā)材料，石英晶體控制蒸發(fā)速率和膜厚。制備完成后以傅里葉紅外干涉儀（掃描范圍近紅外至1400 nm長(zhǎng)波至25μm，分辨率紫外0.01 μm）進(jìn)行光譜特性測(cè)試。薄膜樣品基底材料選用ZnSe，光學(xué)加工指標(biāo)N＝0.2，ΔN＝0.04，RMS＝0.3 nm，鍍膜前用超聲波弱清洗基片。

4 薄膜的應(yīng)力與吸收降低方法

薄膜應(yīng)力與吸收是一種宏觀現(xiàn)象，然而它卻反映薄膜的內(nèi)部狀態(tài)，是決定薄膜性能的重要因素。中紅外偏振薄膜元件的吸收是其損耗的主要來源之一，這是由于材料本身的純度和折射率消光系數(shù)不同，另外還和清洗、制備工藝與基體的特性有關(guān)，而應(yīng)力涉及膜料成核自應(yīng)力、膜系匹配應(yīng)力以及制備工藝應(yīng)力［5］。應(yīng)力嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致薄膜破裂、脫落，使薄膜損傷，甚至使整個(gè)元件失去功能。應(yīng)力過大導(dǎo)致薄膜損傷如圖7所示。

圖7 應(yīng)力過大導(dǎo)致薄膜損傷Fig.7 Film damage caused by excessive stress

在傳統(tǒng)的蒸發(fā)技術(shù)中，由于凝聚粒子的能量低，熱蒸發(fā)薄膜的堆積密度較低，具有明顯的柱狀結(jié)構(gòu)，造成膜本身不穩(wěn)定，光機(jī)性能的蛻變和降低［6］。

利用高能離子源可在基板和蒸發(fā)源間建立了穩(wěn)定的等離子區(qū)，由于外來離子對(duì)凝聚中粒子的動(dòng)量傳遞，材料原子在通過等離子區(qū)的時(shí)候被加速而獲得能量，從而導(dǎo)致高的堆積密度。高能離子的轟擊使基板得到了清潔，獲得了高溫，促進(jìn)了膜層材料的表面擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，甚至產(chǎn)生了注入效應(yīng)。

離子束輔助沉積技術(shù)，不僅對(duì)薄膜的折射率、吸收形成了有效控制，而且對(duì)薄膜應(yīng)力和抗激光強(qiáng)度提升具有明顯的作用。離子源輔助沉積狀態(tài)如圖8所示。

圖8 離子源輔助沉積狀態(tài)Fig.8 State of the ion source assisted deposition

5 具體應(yīng)用與小結(jié)

采取以上技術(shù)方案，經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，獲得了ZnSe透鏡表面，入射角67°，P光透過率大于90%，S光反射率大于95%（即透過率小于5%），抗激光損傷閾值LDT≥10MW／cm2的中紅外寬帶偏振光分束薄膜。應(yīng)用在中紅外固體激光器中達(dá)到了5 kHz下大于15W的輸出效果。中紅外激光器與偏振膜照片如圖9所示。

圖9 中紅外激光器與偏振膜照片F(xiàn)ig.9 Photos of Mid-infrared laser and a polarizing film

本文討論了中紅外激光寬帶偏振膜的原理、設(shè)計(jì)和制備方法，實(shí)際研制過程中需要持續(xù)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料特性和工藝方式對(duì)于薄膜的偏振度有著明顯的影響。

（2）離子束輔助能量存在著臨界參數(shù)使薄膜性能取得最優(yōu)。

（3）應(yīng)力與吸收持續(xù)降低，同時(shí)偏振分離帶難以展寬的問題有待進(jìn)一步解決。

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Research on coatings of broadband polarized separator in m idd le infrared lasers

YUEWei，WU Shu-ming，HAN Long，HAN Yong-chang，ZHANG Kuo，LIU Lian-ze
（Science and Technology on Solid-State Laser Laboratory，Beijing 100015，China）

Based on thin film optics and laser technology，the use，design and preparationmethods of coatings of broadband polarized separator in middle infrared lasers are reported.Based on the principle ofwave optics，the polarization characteristics of core components ZnSe crystal and difficulties of broadband polarization beam splitter are first analyzed，then themain technical problems in the process of the Brewster angle incidence film selection，pass band broadening，and other studies are discussed.After computer optimization，combined with ion-assisted，low absorption，high polarization ratio，excellent anti-laser performance and adhesion of the coatings are obtained.Related technologies currently used in themid-infrared solid-state lasers have achieved greater than 15W output power under 5kHz.

mid-infrared；optical film；polarization；Brewster

O484

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0192-04

岳 威（1980－），男，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事光學(xué)薄膜技術(shù)研究。E-mail：ywei2008＠gmail.com

2013-08-12；

2013-08-24