專(zhuān)利名稱(chēng)：激光器反射鏡的鍍制方法及氦氖激光器反射鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于激光器反射鏡光學(xué)薄膜的鍍制方法及利用此方法制成的氦氖激光器反射鏡產(chǎn)品。
一些激光器中一般都存在幾條可形成激光的譜線，其中一些增益較高，另一些增益相對(duì)較低。為使那些有應(yīng)用價(jià)值低增益波長(zhǎng)形成振蕩，應(yīng)對(duì)高增益波長(zhǎng)進(jìn)行有效的抑制。通常采用的抑制方法有用棱鏡色散，氣體吸收，非均勻磁場(chǎng)等。但這些方法帶來(lái)了一些不利因素，例對(duì)激光損耗加大、加工困難、不易調(diào)節(jié)、成本增加等，使產(chǎn)品的應(yīng)用范圍受到了限制。
以氦氖激光器為例，在氦氖激光器中有許多可形成振蕩的譜線，其中屬波長(zhǎng)為3.39μm的紅外光在腔內(nèi)增益最高，為使象綠光(波長(zhǎng)543nm)、黃光(波長(zhǎng)594nm)、紅光(波長(zhǎng)633nm)等譜線形成激光振蕩，產(chǎn)生激光輸出，應(yīng)對(duì)3.39nm的光進(jìn)行抑制，采用如前所述抑制方法，對(duì)激光功率損耗明顯增加。
根據(jù)日本專(zhuān)利(昭50-37519，昭57-134981)的報(bào)導(dǎo)，他們采用一種具有波長(zhǎng)選擇性介質(zhì)膜對(duì)633nm高反，而對(duì)3.39nm進(jìn)行抑制，其發(fā)明內(nèi)容如下。
兩個(gè)專(zhuān)利基本采用同一膜系結(jié)構(gòu)Sub｜[HL]nH′L′｜Air其中Sub-基片、Air-空氣主反射層材料nH＝2.3 nL＝1.46 nL＝1.38 半反鏡附加層nx＝1.7-2.1 H和L分別是光學(xué)厚度nd＝λo/4高、低折射率鍍膜材料，λo-為中心波長(zhǎng)，n-周期數(shù)。
對(duì)昭50-37519專(zhuān)利全反鏡n＝11，λo＝633nm，nd＝λo/4L′＝6L或L′＝847.5nm，全反層的λo＝670nm，nd＝λo/4H′＝H半反鏡n＝6 ，全反層的λo＝670nm nd＝λo/4L′＝847.5nmH′＝H對(duì)昭57-1341981專(zhuān)利全反鏡n＝9或n＝10L′＝2L，H′＝H，λo＝633nm，nd＝λo/4半反鏡n＝5L′＝2L H′＝X λo＝633nm nd＝λo/4 nxd＝λo/4(nx＝1.7-2.1)X可在膜系中任何位置。
按上述膜系結(jié)構(gòu)，構(gòu)成的多層紅光氦氖激光器介質(zhì)膜片，可把波長(zhǎng)為633nm的反射率保持在較高水平，并對(duì)波長(zhǎng)為3.39um的紅外光有一定的增透作用。然而，由上述多層膜構(gòu)成的氦氖激光器反射鏡有以下一些缺點(diǎn)。
(1)在鍍制高反，半反膜中通常采用高折射率物質(zhì)(nH)與低折射率材料交替組成多層膜，每層膜光學(xué)厚度為λo/4(λo為中心波長(zhǎng))。由于按此種膜系鍍制的高反或半反區(qū)有一定的寬度，所以λo不一定是振蕩波長(zhǎng)λ，但應(yīng)保證λ在λo附近，通常在λo±20nm的范圍內(nèi)。在昭和50-37519專(zhuān)利中λo取670nm，而振蕩波長(zhǎng)λo＝670nm，已離λo較遠(yuǎn)，使633nm的反射率受到影響。
(2)在昭和50-37519專(zhuān)利中所用附加膜層的光學(xué)厚度為nd＝847.5nm≠λ/4m(m為自然數(shù))，按照高反膜理論[2]
因此，nd＝847.5nm將使λ的反射率降低。
(3)兩篇專(zhuān)利都采用同一形式的膜系結(jié)構(gòu)，在全反鏡膜系中，可變量是層數(shù)n，而附加膜層的光學(xué)厚度、位置，及鍍膜材料的折射率為不變量。在半反鏡膜系中，可變量是附加膜層的位置，而附加層的厚度、層數(shù)n，及鍍膜材料的折射率為不變量。由于這兩篇專(zhuān)利提出的各種鍍膜方法的膜系中，都只有一個(gè)變量。因此，給鍍膜工藝、材料的選取帶來(lái)了較多的困難，使鍍出的紅光氦氖激光器膜片的反射率，及其它類(lèi)型激光器膜片的反射率很難同時(shí)滿足振蕩波長(zhǎng)的反射率R→1、抑制波長(zhǎng)的反射率R→0的要求。
兩篇專(zhuān)利中的紅光氦氖激光器反射鏡片的設(shè)計(jì)要求如下波長(zhǎng)反射率R反射率R＊反射率R＊＊633nm≥99.8%99.9%(見(jiàn)圖2)99.9%(見(jiàn)圖3)3.39m≤2%≥3%≥2%＊昭50-37519的反射率＊＊昭57-134981的反射率(4)按昭57-134981專(zhuān)利鍍制的紅光反射鏡片，從紅外波長(zhǎng)區(qū)域測(cè)試結(jié)果看，雖然3.39m處的反射率R＝3%(基本位于曲線最低點(diǎn))，但是它附近的反射率曲線變化較快，從而給鍍膜中控制精度代來(lái)了較高的要求。
(5)在昭50-37519專(zhuān)利中提出，鍍制同一盤(pán)激光器反射鏡需更換中心波長(zhǎng)λo，即由670nm轉(zhuǎn)到847.5nm，這給鍍膜中控制精度及工藝代來(lái)了不便，使膜片的性能穩(wěn)定。
(6)兩篇專(zhuān)利中都沒(méi)有考慮基片對(duì)譜線的吸收。特別是昭50-37519專(zhuān)利中使用的基片是石英材料，使激光器成本增加，并給制作工藝代來(lái)極大的困難。
由于以上原因，雖然兩篇專(zhuān)利都能保證紅光鏡片反射率滿足R＞99.8%和R＝98%但都無(wú)法滿足對(duì)3.39m的反射率R＜2%和功率在1mw以下其它波長(zhǎng)的氦氖反射鏡對(duì)3.39m的反射率R＜1%的設(shè)計(jì)要求。
本發(fā)明的目的在于，消除原技術(shù)中不足之處，提供一種對(duì)常用激光器都適用的據(jù)有波長(zhǎng)選擇功能的激光器反射鏡。本發(fā)明可通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)激光器中對(duì)振蕩波長(zhǎng)反射率R設(shè)計(jì)要求，用N層高、低折射率材料(n和n)交替鍍成高反膜或半反膜，以保證對(duì)R的要求。按照薄膜光學(xué)理論中膜系的特征矩陣公式[2]，對(duì)附加膜層的光學(xué)厚度R(3)＝njd，它在膜系中的位置和它所用鍍膜材料nj的合理選取，使1.整個(gè)膜系(包括全反膜層或半反膜層、附加膜層、基片)對(duì)所需高增透波長(zhǎng)的組合導(dǎo)納Y化為Y＝1的形式。由反射率計(jì)算公式R=(1-Y1+Y)(1-Y1+Y)*⇒C]]>從而達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
2 膜層(包括高反或半反膜層、附加膜層)的光學(xué)厚度Nnd+nd＝0λ′/4(λ′為所需減反的波長(zhǎng)，q為正偶數(shù))，將膜系數(shù)對(duì)波長(zhǎng)λ′的減反轉(zhuǎn)化為基片表面對(duì)λ′減反的問(wèn)題，而解決這一問(wèn)題已有現(xiàn)成的減反理論及數(shù)據(jù)[2]將膜片鍍單層或多層減反膜后，整個(gè)膜系組合導(dǎo)納Y趨于1，從而滿足R=(1-Y1+Y)(1-Y1+Y)*⇒C]]>的設(shè)計(jì)要求。
整個(gè)膜系的結(jié)構(gòu)特征是Sub｜R(1)[HL]mR(2)…[HL]nHR(k)｜AirSub｜R(1)[LH]mR(2)…[LH]nLR(k)｜Air (j＝1，2，…k)對(duì)其它抑制要求不高的波長(zhǎng)λ″可采用在高反或半反射區(qū)內(nèi)適當(dāng)改變振蕩波長(zhǎng)λ的位置，使λ″置于高反、反區(qū)外或落在透射區(qū)的透射峰值處，以達(dá)到抑制λ″振蕩的目的。
將本方法應(yīng)用于氦氖激光器反射鏡，做進(jìn)一步詳述。此種反射鏡特征為nH＝1.8-3.0 nL＝1.2-1.7
(包括所有曾在氦氖激光器反射鏡中的鍍膜材料)nS考慮到對(duì)λ′的吸收應(yīng)取實(shí)際基片測(cè)試值λ在(λo±20nm)范圍內(nèi)取值高反膜或半反膜中的nH和nL層的光學(xué)厚度nd＝λo/4，(λo為中心波長(zhǎng))附加膜層的光學(xué)厚度、位置及膜系結(jié)構(gòu)中m和n，應(yīng)根據(jù)對(duì)全反鏡或半反鏡的設(shè)計(jì)要求以及所需高增透波長(zhǎng)λ而定。
即用公式R＝［1-(nH/nu)N -1(n2H/ns)1+(nH/nu)N-1(n2H/ns)］2(2)]]>定出N＝m+n-和用膜系的特征矩陣公式定njd、nj和R(j)的位置。
以紅光、綠光全反鏡為例設(shè)計(jì)要求波長(zhǎng)反射率方法反射率工藝633nm ≥99.8% 1 ≥99.8% nHZrO nLSiO3.39nm ＜2% ＜2% nS為Kg光學(xué)玻璃(見(jiàn)圖4a，圖4b)λo＝615-630nmSub｜4L[HL]H4L｜Air543nm ≥99.8% 2 ≥99.8% nH、ZrO2nLSiO2，MgF3.39um ＜1% ＜1% nS為Kg光學(xué)玻璃(見(jiàn)圖5a，圖5b)λo＝520-540nmSub｜7L[HL]14H｜Air本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)此方法不僅適用于氦氖激光器件，對(duì)其他有類(lèi)似抑制問(wèn)題的激光器件都適用。
(2)此方法對(duì)鍍膜材料適用范圍較廣，例ZrO2(為高折射率nH＝1.9)，SiO2(為低折射率nL＝1.46)按昭50-37519 昭57-134981的方法，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，但用本發(fā)明可得以實(shí)現(xiàn)，雖然鍍膜層數(shù)較多，由于每層nd＝mλo/4，不僅對(duì)λo的反射率R不會(huì)引起損失，而且用現(xiàn)有工藝、設(shè)備完全可以批量生產(chǎn)。
(3)鍍制的激光器反射鏡具有波長(zhǎng)選擇功能。即不僅對(duì)指定波長(zhǎng)高反射或按最佳反射率反射，還對(duì)抑制波長(zhǎng)有較高的增透，消除了不需要的波長(zhǎng)對(duì)振蕩波長(zhǎng)的干擾，使激光器的性能明顯改善。
(4)鍍膜中只需控制高反膜或半反膜的中心波長(zhǎng)λo，對(duì)其他抑制波長(zhǎng)不必監(jiān)測(cè)，靠膜系設(shè)計(jì)就可滿足對(duì)其增透的目地。
(5)與原鍍膜材料、工藝技術(shù)基本相同。
(6)由測(cè)試曲線(圖5b圖4b在3.39um附近反射率變化平緩，使鍍膜中允許控制的精度范圍較寬，給鍍膜人員帶來(lái)方便。
關(guān)于附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明

圖1為一般激光器反射鏡多層膜系的結(jié)構(gòu)概念圖。1-基片，2-高折射率材料，3-低折射率材料。圖2為昭50-37519專(zhuān)利中對(duì)波長(zhǎng)633nm和3.39um的反射率和透射率測(cè)試曲線(指全反鏡)。圖3為昭57-134981專(zhuān)利中對(duì)波長(zhǎng)633nm和3.39um的透射率和反射率測(cè)試曲線(指全反鏡)。圖4a、圖4b為本發(fā)明中對(duì)波長(zhǎng)633nm和3.39um的透射率和反射率測(cè)試曲線(指全反鏡)圖5a圖5b為本發(fā)明中對(duì)波長(zhǎng)543nm和3.39um的透射率和反射率測(cè)試曲線(指全反鏡)。
參考文獻(xiàn)(1)《激光器件與技術(shù)教程》北京工業(yè)學(xué)院出版社1986.6P27(2)《應(yīng)用薄膜光學(xué)》上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1984.10P51，P115-132，P17權(quán)利要求
1.一種適用于激光器反射鏡光學(xué)薄膜的鍍制方法。對(duì)原有技術(shù)中的膜系結(jié)構(gòu)Sub丨[HL]nH1L1丨Air進(jìn)行了修改和提高。本發(fā)明的特征是用N層高折射率材料(H)與低折射率材料(L)交替組成的高反膜或低反膜(表示成HL…LH或LH…HL)來(lái)保證激光器全反鏡和半反鏡的反射率。在高反膜或半反膜的內(nèi)、外，或者同時(shí)對(duì)內(nèi)外增添附加膜層R(j)=njd(j=1，2，……k)其膜系結(jié)構(gòu)為Sub丨R(1)[HL]nR(2)……[HL]HR(k)｜Air或Sub｜R(1)[LH]nR(2)……[LH]LR(k)｜AirSub-基片，Air-空氣，N=n+m+…。取H和L的膜層厚度nd=λ0/4(λ0為中心波長(zhǎng))，整個(gè)膜系1包括全反膜、半反膜、附加膜層、基片1的材料、附加膜層的光學(xué)厚度及其位置的選取，應(yīng)根據(jù)不同類(lèi)型的激光器、全反鏡和半反鏡，對(duì)振蕩波長(zhǎng)λ的設(shè)計(jì)要求及所需主要增透波長(zhǎng)λ’而確定。通過(guò)這些變量的合理選取，使整個(gè)膜系的組合導(dǎo)納Y趨于1(Y=1)，以滿足膜系對(duì)波長(zhǎng)λ′的反射率R=( (1-r)/(1+r) )·( (1-r)/(1+r) )的值趨于零的設(shè)計(jì)要求。對(duì)其它抑制要求不高的波長(zhǎng)λ″，可采用在高反射區(qū)或半反射區(qū)內(nèi)，適當(dāng)改變振蕩波長(zhǎng)λ的位置，使λ″置于高反射區(qū)外、半反射區(qū)外或透射區(qū)的透射峰值上，以達(dá)到抑制λ″振蕩的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中的設(shè)計(jì)方法，制成的紅、綠、黃、紅外等不同波長(zhǎng)的氦氖激光器反射鏡的特征是鍍膜材料nH＝1.8-3.0 nL＝1.2-1.7(包括了所有曾在氦氖激光器反射鏡鍍膜中采用過(guò)的材料)基片nS考慮基片對(duì)波長(zhǎng)的吸收應(yīng)取實(shí)際測(cè)試值。高反膜或半反膜中H和L的光學(xué)厚度nd＝λ/4。附加層的njd、R(j)的位置、及高反或半反膜中的N，由不同振蕩波長(zhǎng)、全反鏡和半反鏡而確定即用公式R＝［1-(nH/nu)N -1(n2H/ns)1+(nH/nu)N-1(n2H/ns)］2定N]]>用特征矩陣公式[2]定njd、nj和R(j)的位置。
全文摘要
在激光器中為抑制不需要的譜線，使有應(yīng)用價(jià)值的譜線振蕩，常采取在腔內(nèi)加附加元件或用具有一定波長(zhǎng)選擇功能的反射鏡抑制的方法，但都對(duì)激光功率有損失。本發(fā)明是設(shè)計(jì)具有較高波長(zhǎng)選擇性能的反射鏡來(lái)滿足上述要求，即在確保對(duì)振蕩波長(zhǎng)的全反鏡或半反鏡反射率不受影響的條件下，通過(guò)選擇現(xiàn)有鍍膜材料，膜層厚度及其位置，使整個(gè)膜系對(duì)主要抑制波長(zhǎng)的反射率趨于零，從而達(dá)到高增透的目的。本發(fā)明應(yīng)用于氦氖激光器反射鏡，以紅光鏡片為例波長(zhǎng) 設(shè)計(jì)值 測(cè)試值633nm R≥99.8％R＝99.8％3.39umR＜2％ R＜2％
文檔編號(hào)G02B1/10GK1042423SQ8810740
公開(kāi)日1990年5月23日 申請(qǐng)日期1988年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月29日
發(fā)明者張 杰, 魏守安 申請(qǐng)人:張嘉