據(jù)悉，來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的一個(gè)研究小組提出了一種具有混合層和新型三明治狀結(jié)構(gòu)界面的新設(shè)計(jì)，可以滿足理想二向色性激光鏡的挑戰(zhàn)性要求。該研究文章發(fā)表于2021年1月27日的Photonics Research上，并被編輯選為雜志重點(diǎn)推薦。
二向色激光鏡通常用作諧波分離器、光束組合器或光束分離器，并在許多激光應(yīng)用中起重要作用，包括慣性約束聚變(inertial confinement fusion,ICF)激光器、拍瓦飛秒激光器、高功率光纖激光器、緊湊型調(diào)激光器或鎖模激光器以及其他新興激光器。用于大功率激光器的理想二向色性激光鏡需要在兩個(gè)不同的波長處具有顯著不同的反射或透射特性以及較高的激光誘導(dǎo)損傷閾值(laser-induced damage threshold,LIDT)。
不幸的是，由交替的高折射率和低折射率（）純材料組成的傳統(tǒng)二向色激光鏡(traditional dichroic laser mirror,TDLM)經(jīng)常難以同時(shí)在兩個(gè)波長下實(shí)現(xiàn)出色的光譜性能和高LIDT。通常，通過交替電子束沉積的HfO2層和SiO2層實(shí)現(xiàn)用于UV-NIR激光應(yīng)用的TDLM。有時(shí)，選擇Al2O3代替HfO2作為高折射率材料，這顯示出改進(jìn)的LIDT，但需要相對較大的涂層總數(shù)。
在所需的光學(xué)性能和LIDT之間需要權(quán)衡，因?yàn)楹线m的候選涂層材料受到限制。近年來，通過共蒸發(fā)或共濺射氧化物混合物擴(kuò)展了可用涂層材料庫。混合材料為研究人員提供了可調(diào)節(jié)的光學(xué)間隙值和光學(xué)常數(shù)，顯示出優(yōu)于純材料的性能，并且對許多應(yīng)用具有吸引力。除了涂料本身之外，還必須考慮傳統(tǒng)離散界面的界面相關(guān)問題，這是影響LIDT的關(guān)鍵因素之一。與傳統(tǒng)的離散界面相比，具有漸變折射率的共蒸發(fā)界面顯示LIDT顯著增加。因此，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)混合材料并優(yōu)化界面，期望實(shí)現(xiàn)適用于高功率激光器的理想的二向色性激光鏡。
在這里，研究人員使用混合材料和新穎的三明治狀界面來滿足二向色性激光鏡的挑戰(zhàn)性要求。首先，將HfO2-Al2O3混合涂層與純HfO2和Al2O3單層涂層以及HfO2-Al2O3納米層壓涂層進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)和機(jī)械性能的比較。然后，設(shè)計(jì)并制備了基于混合的二向色激光鏡(mixture-based dichroic laser mirror, MDLM)，它使用HfO2-Al2O3混合材料作為高折射層，具有可調(diào)節(jié)的折射和光學(xué)帶隙，并使用純SiO2作為低折射材料。
MDLM設(shè)計(jì)的示意圖如圖1所示。SiO2層與HfO2-Al2O3混合層之間的界面為夾心結(jié)構(gòu)界面，可以用“SiO2-HfO2梯度材料|HfO2|HfO2-Al2O3梯度材料”表示。這種安排使MDLM設(shè)計(jì)在兩個(gè)波長下具有出色的光譜性能和高LIDT。研究人員使用電子束蒸發(fā)制備的MDLM設(shè)計(jì)策略顯示出比TDLM更高的性能，并為各種激光鍍膜開辟了新途徑。
圖1. 基于混合膜層和類三明治結(jié)構(gòu)界面的二向色鏡設(shè)計(jì)示意圖
圖2. MDLM涂層沉積過程示意圖
1. 純單層、納米疊層和混合涂層的性能
已經(jīng)制備了HfO2-Al2O3混合涂層，并與HfO2和Al2O3單層涂層以及HfO2-Al2O3納米層壓涂層進(jìn)行了比較。已經(jīng)研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。在HfO2單層涂層的XRD圖譜中獲得了多個(gè)指示結(jié)晶度的尖銳衍射峰。在納米層壓板和混合物涂層中觀察到21.8°和31.4°處的兩個(gè)寬峰，這歸因于非晶態(tài)熔融SiO2基質(zhì)和HfO2。當(dāng)HfO2子層越薄，在2 = 31.4°處的峰越不明顯。
2. 具有類似三明治結(jié)構(gòu)的界面的基于混合物的二向色性激光鏡
MDLM涂層的設(shè)計(jì)是在720±1064 nm的入射角范圍內(nèi)，在527±15 achievenm處的polar偏振反射率（Rs）高于99.5％，在720至1064 nm范圍內(nèi)的偏振透射率（Tp）高于98％。這種MDLM涂層可在聚變級激光器中用作1和2諧波分離器，或者在拍瓦級Ti藍(lán)寶石激光器系統(tǒng)中用作泵浦/信號光束分離器。
▲圖3. TDLM和MDLM設(shè)計(jì)二向色鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。（a）XRD譜；（b）透射光譜（左：0°入射；中：p偏振光，45°入射）和反射光譜（右：s偏振光，45°入射）；（c）鍍膜前后的面形；（d）劃痕測試后的表面和剖面形貌；（e）單脈沖激光損傷概率。
MDLM與TDLM相比，具有出色的光譜性能和更高的性能，具有更好的機(jī)械性能，更低的吸收率和更高的LIDT。對于波長為532 nm的s偏振7.7 ns脈沖和波長為1,064 nm的p極化的12 ns脈沖，LIDT幾乎翻了一番。
▲圖4. 通過SEM成像的損傷形態(tài)和通過FIB測量的標(biāo)記區(qū)域的深度輪廓。（a）和（b）受損區(qū)域的完整視野。（c）–（i）標(biāo)有星號的典型受損部位。（j）–（m）偏振1064 nm激光照射后的損傷形態(tài)示意圖。
▲圖9. EDS表征了1064 nm -偏振激光誘導(dǎo)的TDLM涂層和MDLM涂層受損部位的化學(xué)成分
總而言之，研究人員已經(jīng)提出并通過實(shí)驗(yàn)證明了一種具有混合物層和類三明治結(jié)構(gòu)界面的新型MDLM涂層。在兩個(gè)感興趣的波長下，LIDT幾乎是TDLM涂層的兩倍，原因如下：首先，MDLM涂層中的混合物層具有較大的光學(xué)帶隙和較低的吸收率，從而在相同能量密度的激光照射下，溫度上升幅度較?。坏诙?，類似三明治的結(jié)構(gòu)界面使MDLM涂層具有增強(qiáng)的機(jī)械性能。我們相信，所描述的概念為改進(jìn)二向色鏡涂層和其他激光涂層開辟了新途徑，并且可以使依賴于高質(zhì)量激光涂層的激光技術(shù)的許多領(lǐng)域受益。
本文來源：Tingting Zeng et al. Dichroic laser mirrors with mixture layers and sandwich-like-structure interfaces, Photonics Research (2020).
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