[发明专利]基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法

说明书

一种基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法，基于给定的规整膜系结构，利用折射率大于1.8的单一材料A和光学带隙大于6.0eV的单一材料B分别与单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数a、b，之后确定由材料A和材料B组成的复合材料M与单一低折射率材料C设计激光分束膜时，膜层周期数g的取值范围(agb)，计算实现目标透射率所需的膜系结构参数。本发明利用复合材料的折射率调控优势，根据目标透射率设计具有规整膜系结构的分束膜，降低对膜厚监控的要求；复合材料M的使用，能够在降低膜层中电场分布的同时，充分利用材料A和材料B各自的优势，提升该分束膜的激光损伤阈值。

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术领域，涉及一种基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法。

背景技术

分束镜用于把入射光分离成反射光和透射光两部分，被广泛应用于各类光学系统，是光学研究及使用系统的一个重要元件。常用的分束镜有两种结构：一种是把薄膜沉积在透明的平板上，形成平板型分束镜；另一种是把膜层镀在45°的直角棱镜斜面上，再胶合一个同样形状的棱镜，构成胶合立方体分束镜。

平板型分束镜具有易制备大尺寸、成本低、设计和制作灵活等优点，广泛应用于激光系统，尤其是大型的激光装置。理想的激光分束膜不仅要求将特定入射角度、波段范围和偏振态的入射光，分成具有一定光强比的两束光(透射光束与反射光束)，还要求其具有较高的激光损伤阈值。由于自然界可用的镀膜材料有限，为了实现特定的透射比(透射光束强度T与反射光束强度R的比值)，往往需要设计非规整的膜系结构，增加了薄膜厚度控制的难度。薄膜沉积设备的进步使得通过电子束共蒸发或者离子束共溅射等技术形成均匀的复合材料膜层成为可能。由具有较高折射率的材料和较大光学带隙的材料形成的复合材料膜层能够结合两种材料分别具有的折射率高和光学带隙宽的优势，不仅可以实现折射率和光学带隙的调控(能够获得介于两种材料折射率之间的任意折射率的复合材料膜层)，而且可以优化膜层中电场强度分布。

基于复合材料的激光分束膜能够通过规整膜系结构获得所需的光谱性能：一方面，降低对薄膜厚度监控系统的要求；另一方面，能够提升分束膜的激光损伤阈值。因此，充分利用复合材料的优势进行平板型激光分束膜的设计，具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种基于复合材料的平板型激光分束膜及其设计方法。本发明利用复合材料的折射率调控优势，根据目标透射率设计具有规整膜系结构的分束膜。降低了对薄膜厚度监控的要求，适用于仅能制备规整膜系的镀膜设备。采用由折射率大于1.8的单一材料A和光学带隙大于6.0eV的单一材料B形成的复合材料M作为高折射率膜层，能够在降低膜层中电场分布的同时，充分利用材料A折射率高和材料B光学带隙大的优势，提升分束膜的激光损伤阈值。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于复合材料的平板型激光分束膜，其特征在于，膜系结构为：S|dL(HL)^gHmL|A，其中，S表示基底，H表示光学厚度为λ/4的高折射率层，L表示光学厚度为λ/4的低折射率层，d表示靠近基底的L层的光学厚度系数，0≤d≤8，g表示括号中的膜层周期数，m表示靠近空气的L层的光学厚度系数，m＝0、2或者4，A表示空气。

上述基于复合材料的平板型激光分束膜的设计方法，首先，利用折射率大于1.8的单一材料A和单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数a；然后，利用光学带隙大于6.0eV的单一材料B和单一低折射率材料C设计激光分束膜，计算实现目标透射率所需的膜系结构中膜层周期数b；最后，确定由材料A和材料B组成的复合材料M作为高折射率材料和单一低折射率材料C设计激光分束膜时，膜系结构中膜层周期数g的取值范围(agb)，进而计算实现目标透射率所需的膜系结构参数，包括复合材料M的折射率、复合材料M中材料A的体积占比。

进一步，该设计方法具体包括以下几个步骤：