500_8nmNd_YAG青光激光器光學(xué)薄膜的設(shè)計(jì)與制備

1、第 35 卷第 1 期光 子 學(xué) 報(bào)Vol. 35 No. 12006 年 1 月ACTA PH OT ON ICA SINICAJanuary 2006500. 8 nmNd B YAG 青光激光器光學(xué)薄膜的設(shè)計(jì)與制備*卜軼坤1, 2鄭 權(quán)1 薛慶華1, 2 亓 言1, 2 錢龍生1( 1 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理所, 長(zhǎng)春 130022) (2 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 北京 100039)摘 要 從雙波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)及和頻的機(jī)理出發(fā), 對(duì) LD 泵浦 Nd B YAG, LBO 腔內(nèi)和頻 500. 8 nm青光激光器所使用的光學(xué)薄膜進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制備1 在激光反射鏡的設(shè)計(jì)上, 為了達(dá)到最佳

2、的和頻輸出, 對(duì)膜系要求進(jìn)行了深入分析. 采用對(duì)諧振腔一端面反射率固定不變并通過對(duì)另一腔鏡基頻光的透射率進(jìn)行調(diào)諧的方法, 在給出合理初始結(jié)構(gòu)后, 利用計(jì)算機(jī)對(duì)膜厚進(jìn)行了優(yōu)化. 并采用雙離子束濺射沉積的方法, 通過時(shí)間監(jiān)控膜厚法成功制備出青光激光器所使用的全介質(zhì)激光反射膜, 在室溫下實(shí)現(xiàn)946 nm 和 1064 nm 雙波長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn), 并通過類臨界相位匹配 LBO 晶體腔內(nèi)和頻在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn) 500. 8 nm 青色激光連續(xù)輸出. 當(dāng)泵浦注入功率為 1. 4 W 時(shí)和頻青光最大輸出達(dá) 20 mW.關(guān)鍵詞 光學(xué)薄膜; Nd B YA G 激光器; LD 泵浦; 腔內(nèi)和頻中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A0

3、 引言Nd B YAG 是一種性能優(yōu)良的激光晶體, 到目前為止已實(shí)現(xiàn)了 20 多條譜線的激光運(yùn)轉(zhuǎn)1 , 其中研究最為廣泛的是 1064 nm、1319 nm 和 946 nm 三條譜線. 目前人們采用激光二極管( LD) 泵浦 Nd B YAG, 通過非線性晶體腔內(nèi)倍頻已獲得綠光( 532 nm) 、紅光( 660 nm) 和藍(lán)光( 473 nm) 三基色激光輸出 2 4 1 由于該類型激光器使用的泵浦波長(zhǎng)與激光晶體的振蕩波長(zhǎng)以及倍頻輸出波長(zhǎng)均不相同, 泵浦方式和使用的激光材料種類繁多, 因此所涉及到的薄膜類型也是多種多樣1 對(duì)該類型激光器所使用的光學(xué)薄膜國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道 5 7 1

4、而對(duì)于波長(zhǎng)為500. 8 nm 的青色激光, 由于缺乏能產(chǎn)生相應(yīng)高效振蕩基頻光的激光晶體, 所以無法通過倍頻轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)1 在全固態(tài)激光器方面, 目前主要是利用雙波長(zhǎng)( 1064 nm和946 nm) 激光器進(jìn)行和頻實(shí)現(xiàn)500. 8 nm的青光輸出1 從雙波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)及和頻理論進(jìn)行分析, 該類型激光器所使用的光學(xué)薄膜與倍頻激光器有很大不同. 膜系類型涉及單點(diǎn)增透, 多點(diǎn)增透, 特殊的截止濾光片等, 尤其是激光反射鏡的設(shè)計(jì), 涉及到對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)反射和透射, 為達(dá)到最優(yōu)化的和頻輸出, 還要對(duì)參與和頻作用的兩基頻光進(jìn)行能量調(diào)諧. 傳統(tǒng)的 K/ 4 反射膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已不能滿足要求, 必須尋求新的膜系設(shè)

5、計(jì)方法和新的制備工藝1* 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2002AA311141) 資助項(xiàng)目Tel: 04315530043Email: buyikun139163. com收稿日期: 20041101本文從雙波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)及和頻機(jī)理出發(fā), 對(duì) LD 泵浦 Nd B YAG 晶體 1064 nm/ 946 nm 雙波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn), LBO 腔內(nèi)和頻輸出 500. 8 nm 青光激光器所使用的光學(xué)薄膜進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制備1 通過采用傳統(tǒng)的解析設(shè)計(jì)法與計(jì)算機(jī)膜系自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的辦法, 設(shè)計(jì)出 500. 8 nm 激光器所使用的激光薄膜, 采用雙離子束反應(yīng)濺射沉積的方法, 運(yùn)用時(shí)間監(jiān)控膜厚法成功制備出 500.

6、8 nm 青光激光器所使用的全介質(zhì)激光反射膜, 實(shí)現(xiàn)了 Nd B YAG 晶體 1064 nm/ 946 nm 雙波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn), 通過 LBO 腔內(nèi)和頻, 在 1. 4 WLD 泵浦功率下獲得 20 mW 500. 8 nm 青色激光輸出11 激光晶體分析NdB YAG晶體主要有1064 nm、1319 nm和946 nm 三條發(fā)射譜線, 分別對(duì)應(yīng)的是4 F3/ 2 4 I9/ 2 、4F3/ 2 4 I11/ 2 、4F3/ 2 4 I13/ 2 的躍遷, 其中 1064 nm 和 1319 nm屬于四能級(jí)系統(tǒng), 而946 nm 屬于準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)1 由于 946 nm 的受激發(fā)射截面最小, 且屬

7、于準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu), 振蕩閾值較高, 不易獲得激光輸出, 在實(shí)現(xiàn)激光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與 1064 nm 和 1319 nm 存在嚴(yán)重的譜線競(jìng)爭(zhēng), 所以常見的雙波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn), 由于激光閾值 P th1064 P th946 , 所以在相同的條件下 1064 nm 譜線優(yōu)先振蕩1 根據(jù)和頻理論, 為達(dá)到最佳的和頻輸出, 不僅要求兩基頻光的功率密度要高, 而且參與和頻作用的兩基頻光 T1064 和 T946 的腔內(nèi)光子數(shù)要達(dá)到大致平衡,即 N 1064 = N 946 , 也就是說 1064 nm 和 946 nm 的腔內(nèi)光功率要滿足分支比 P 1064 B P 946 = 1 B 1. 12 這一條件 9 1 同時(shí)

8、由于激光閾值 P th1319 90%) , 1064 nm/ 946 nmH R( R 99. 9% ) , 1319 nmAR( T 90% ) ,在輸出鏡 C 面上鍍制特殊的全介質(zhì)反射膜, 不僅要保證 946 nm 高反射率要求, 還要通過控制 1064 nm 譜線的透過率來實(shí)現(xiàn)其激光運(yùn)轉(zhuǎn)的增益匹配, 達(dá)到腔內(nèi)光子數(shù)的平衡. 文獻(xiàn) 9 基于最優(yōu)化和頻輸出的理論對(duì) 1064 nm 的最佳透過率進(jìn)行了計(jì)算, 確定在1. 4 W 泵浦功率下 1064 nm 的最佳透過率為 10% , 膜系要求: 500. 8 nmAR( T 98% ) , 946 nmHR( R99. 9%) , 1064

9、nmPT( T= 10% ) , 1319 nm AR( T 9 0% ) . 為保證激光輸出功率的穩(wěn)定, 避免晶體 Nd B YAG 在高功率泵浦下出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象, 對(duì)于晶體的內(nèi)端面 B 面還要鍍制高質(zhì)量的 946 nm/ 1064 nm 寬帶減反膜( 剩余反射率 R 0. 5% )1這里主要給出難度較大的諧振腔激光反射鏡的設(shè)計(jì)過程: 由于在實(shí)際膜系鍍制中存在吸收和散射以及制造誤差的影響, 一般來說理論設(shè)計(jì)值要高于上述所提出的光譜特性要求1 采用傳統(tǒng)的解析設(shè)計(jì)法與計(jì)算機(jī)膜系自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的辦法, 首先提出一個(gè)基本的截止濾光片膜系結(jié)構(gòu), 通過改變膜層的結(jié)構(gòu)參量來設(shè)計(jì)所要求的全介質(zhì)膜系,

10、采用全局搜索和局部?jī)?yōu)化相結(jié)合的方法, 對(duì)常規(guī)的基本膜堆 , 進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)1 高折射率材料為 Ta2 O5 , 其折射率為2 . 0 75 , 低折射率材料為SiO2 , 折射率為1. 452. 對(duì)于晶體入射面 A, 由于 1064 nm 和 946 nm兩點(diǎn)相距較近, 由薄膜光學(xué)理論可知: 對(duì)于介質(zhì)膜系, 反射帶寬主要依賴于介質(zhì)材料高低折射率之比,所以在選擇合適的中心波長(zhǎng)時(shí), 實(shí)驗(yàn)中所使用的高低折射率材料 Ta2 O5 和 SiO2 確定的反射帶寬可以使 1064 nm 和 946 nm 處于一個(gè)反射帶內(nèi). 盡管這兩點(diǎn)無法達(dá)到最高反射率的要求, 但通過適當(dāng)?shù)脑黾臃瓷淠ざ训闹芷跀?shù), 仍可以使兩

11、點(diǎn)同時(shí)滿足所提的反射率要求, 從而降低了膜系設(shè)計(jì)的難度1 設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)為 980 nm, 為滿足短波部分 808 nm 高透過率的要求 , 初始結(jié)構(gòu)為一常規(guī)的短波通,sub/ 0. 5L( H L) 20 H 0. 5L/ Air, sub 代表基底, n= 1. 83( Nd B YAG) . 但該結(jié)構(gòu)無法滿足長(zhǎng)波部分1319 nm的高透射, 所以通過計(jì)算機(jī)膜系優(yōu)化軟件采用模擬退火法與共扼梯度法相結(jié)合的算法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化, 設(shè)計(jì)結(jié)果 10 64 nm理論反射率為R= 99. 9927%, 946 nm 理論反射率為 R= 99. 9959%, 808 nm T= 99. 84% ,

12、1319 nm T= 94. 41% , 所設(shè)計(jì)的曲線在 808 nm 附近保持一個(gè)寬闊平坦的高增透帶. 這種設(shè)計(jì)可以避免因工作溫度變化而造成激光圖 1LD 泵浦的 500. 8 nm 激光器裝置圖 2Nd B YAG 晶體入射面膜系透射曲線Fig. 2Transmission curve of incident face on NdB YAGFig. 1The set up of LD2pumped 500. 8 nm laser1 期卜軼坤等1 500. 8 nmNd B YAG 青光激光器光學(xué)薄膜的設(shè)計(jì)與制備81圖 3相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差 1. 5% 的誤差分布曲線Fig. 3Error dist

13、ribution curves at standard deviation 1. 5%二極管中心發(fā)射波長(zhǎng)漂移的問題, 理論設(shè)計(jì)曲線如圖 2. 對(duì)該膜系的容差特性進(jìn)行分析, 當(dāng)給定 1. 5%的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí), 從圖 3 的十次誤差分布曲線可以看出, 在要求的光譜波段仍具有較好的光譜透反射特性, 808 nm 在Worst case 的情況下透過率仍大于 90% , 滿足設(shè)計(jì)要求, 并且有好的容差特性1對(duì)于輸出鏡的凹面C, 設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)即為946 nm, 以保證在較少層數(shù)下達(dá)到 946 nm 的高反射要求,降低膜系鍍制的成本. 初始結(jié)構(gòu)為 sub/ 0. 5L( H L) 15 H0. 5L/

14、Air, sub 代表基底, n= 1. 52( K9 玻璃) , 該結(jié)構(gòu)只滿足了946 nm 高反射和 500. 8 nm 的高透過,無法滿足 1064 nm 的部分透射和 1319 nm 的高透過,本文通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化, 采用 OPTIMIC 10 的優(yōu)化算法,得出總層數(shù) 35 層的非 K/ 4 膜系結(jié)構(gòu): 在 946 nm 處的反射率 R= 99. 992%, 1319 nm 處的透射率 T = 94. 93%, 500. 8 nm處的透過率T = 99. 69% ; 1064 nm的透過率為: T = 10. 344%, 理論設(shè)計(jì)曲線如圖 4, 與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比, 在滿足膜系光譜特性的條

15、件下, 新的膜系結(jié)構(gòu)大大降低了高折射率膜層的厚度, 從而有效的降低了吸收和散射的損耗, 提高了薄膜的抗激光損傷閾值, 并降低了膜系設(shè)計(jì)難度, 減少了膜系鍍制的生產(chǎn)成本1圖 4平凹輸出鏡左端面膜系透射曲線Fig. 4Transmission curve of left face on out put mirror3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果實(shí)驗(yàn)使用雙離子束濺射沉積薄膜系統(tǒng)1 主、輔離子源采用美國(guó)IonTech Inc生產(chǎn)的 16 cm和 12 cm 射頻離子源, 并分別配有射頻中和器1 離子光學(xué)系統(tǒng)為三柵網(wǎng)型, 離子源的射頻頻率為 13. 56 MH z, 16 cm 離子源為聚焦型, 12 cm 離子源

16、為發(fā)散型1 圖5 是本實(shí)驗(yàn)所使用的雙離子束濺射鍍膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1 如圖 5, 基本工作原理: 主離子源使石英放電室中的 Ar 氣發(fā)生電離, 電離產(chǎn)生的 Ar+ 由屏柵極正電壓聚焦后又經(jīng)加速柵極的負(fù)電場(chǎng)加速, 經(jīng)中和器電子中和后, 以和靶表面的法線成 40b的濺射角轟擊直徑為 141/ 2 英寸的靶材, 濺射出靶材料的分子或原子, 濺射出的粒子沉積到基片上形成薄膜1 12 cm 輔助離子源發(fā)射反應(yīng)氣體 O2 和 Ar 氣的混合氣體離子束轟擊生長(zhǎng)的薄膜, 則沉積在基底表面的金屬原子與反應(yīng)氣體離子發(fā)生化合反應(yīng), 轉(zhuǎn)為形成和生長(zhǎng)化合物薄膜, 同時(shí)在成膜前對(duì)基片進(jìn)行預(yù)清洗并使基片表面活化改善膜基過渡層

17、的結(jié)構(gòu)和性質(zhì), 在沉積過程中對(duì)濺射材料的分子或原子進(jìn)行輔助轟擊, 增加膜層的附著力和堆積密度1 實(shí)驗(yàn)所用材料為高純度的金屬 T a( 純度為 99. 95% ) 和 SiO2 ( 純度為 99. 99%) 靶, 濺射離子源、靶和基板互成直角, 即靶平面和基板平面成 45b, 并在濺射時(shí)靶材以? 3. 5b掃描1圖 5雙離子束濺射沉積薄膜系統(tǒng)Fig. 5Dual2 ion beam sputtering deposition thin film system由于該離子束濺射系統(tǒng)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn) , 離子源工作時(shí)加速電流、加速電壓的變化誤差可控制在 1% 以內(nèi), 薄膜的沉積速率相對(duì)穩(wěn)定, 這

18、使得運(yùn)用時(shí)間來監(jiān)控膜厚成為可能1 以各層膜的沉積時(shí)間作為膜厚控制參量, 而且通過時(shí)間來控制膜厚的一個(gè)最突出的優(yōu)點(diǎn)就是在對(duì)沉積速率進(jìn)行準(zhǔn)確定標(biāo)后可以鍍制任意厚度的非規(guī)整膜系, 尤其對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的青光反射鏡, 為了滿足多個(gè)波段的高反射和高透射以及部分透射的要求, 通過計(jì)算機(jī)對(duì)各82光子 學(xué) 報(bào)35 卷膜層厚度進(jìn)行優(yōu)化后所得的膜系結(jié)構(gòu)為任意膜厚的非規(guī)整膜系, 且層數(shù)較多, 采用傳統(tǒng)的光控法或晶振控制技術(shù)難度較大, 而采用時(shí)間來控制則很容易實(shí)現(xiàn) , 且鍍制的重復(fù)性、穩(wěn)定性及成品率有了很大提高1通過定標(biāo)得到薄膜沉積速率為Ta 2 O5 : 0. 305 nm/ S,SiO2 : 0. 271 nm/

19、 S, 以此計(jì)算出各膜層所需的時(shí)間, 編入薄膜運(yùn)行控制程序 Sourcer Spector 中進(jìn)行鍍制1采用日本島津 UV ) 3100 分光光度計(jì)對(duì)所鍍制的激光反射鏡進(jìn)行了測(cè)試1 由于實(shí)際所鍍制的激光晶體 Nd B YAG 與平凹鏡體積很小, 難以準(zhǔn)確測(cè)量,對(duì)其同時(shí)鍍制的 K9 測(cè)試片進(jìn)行了光譜透過率的測(cè)試, 實(shí)際測(cè)試結(jié)果: B 面基頻光 946 nm R= 99. 97%,1064 nm R= 99. 91% , 1319 nm T = 90. 51% , 808 nm T= 94. 63%, 輸出鏡凹面 C 面實(shí)際測(cè)試曲線向長(zhǎng)波漂移15 nm, 946 nm R= 99. 98% , 1

20、064 nm T= 9. 47%, 1319 nm T = 93. 86%, 和頻光 500. 8 nm 輸出達(dá)95. 89% . 由于背反射的影響實(shí)際透過率要低于理論透過率, 通過計(jì)算機(jī)程序?qū)Ρ撤瓷溥M(jìn)行了修正, 實(shí)際測(cè)試曲線如圖 61 以上測(cè)試結(jié)果和分析表明: 以沉積時(shí)間作為膜厚控制手段的雙離子束濺射沉積系統(tǒng)可以用于鍍制具有特殊光譜要求的激光反射鏡1圖 6輸出鏡凹面實(shí)驗(yàn)透射率曲線Fig. 6Experimental transmittance curve for output mirror4 結(jié)論設(shè)計(jì)出符合要求并具有好的容差特性的膜系,制備出具有優(yōu)良光性能并滿足應(yīng)用要求的激光反射鏡, 用該反

21、射鏡作為激光諧振腔的兩個(gè)腔鏡, 在室溫下實(shí)現(xiàn) 946 nm和 1064 nm雙波長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn), 并通過 類臨界相位匹配 LBO 晶體腔內(nèi)和頻在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn) 500. 8 nm 青色激光輸出, 當(dāng)泵浦注入功率為 1. 8W 時(shí)和頻黃激光最大輸出達(dá) 20 mW, 光光轉(zhuǎn)換效率為 1. 4% , 功率穩(wěn)定性 24 h 內(nèi)優(yōu)于 ? 2. 8%1參考文獻(xiàn)1 Jack Marling. 1. 0521. 44 Lm tenability and performanceof the CW Nd3+ B YAG laser. I EEE J ourna l of Qua ntum Electronics, 19

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27、 of Optics , F ine Mecha nics a nd P hysics, Chinese Academy of Sciences, Cha ng chun 1300222 Grad ua te School of the Chinese Aca demy ofSciences, Beij ing 100039Received date: 20041101Abstr act Based on dual2wavlength action and sum2frequency2mixing theory, a series of optical thin film for LD pum

28、ped Nd B YAG crystal, LBO intr acavity sum2frequency2mixing 500. 8 nm laser are designed and manufactured. T o obtain optimum output power, the coating design of resonator mirr or is analysized. The method that adjusts one resonator facet reflectivity for fundament laser by fixing the other resonator facet reflectivity is used, by computer thin film optimizati