一種低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于復(fù)合膜領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，尤其是一種低熱噪聲高反射 光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 降低超窄線寬激光器的頻率噪聲對光學(xué)原子鐘、引力波探測和高精密光譜 等高科技領(lǐng)域應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。為了獲得頻率噪聲極低的激光，通常釆用 Pound-Drever-Hall (PDH)技術(shù)將激光頻率精密鎖定在超穩(wěn)光學(xué)參考腔的諧振頻率上。超窄 線寬激光的頻率穩(wěn)定性與光學(xué)參考腔有效腔長的穩(wěn)定性密切相關(guān)。影響光學(xué)參考腔腔長變 化的熱噪聲卻難以抑制和消除，已成為窄線寬激光性能進(jìn)一步提高的主要限制因素之一。
[0003] 目前，降低光學(xué)參考腔熱噪聲的方法包括：降低光學(xué)參考腔溫度、釆用機(jī)械損耗小 的鍍膜及腔體材料、增加參考腔腔長、以及增大鏡面上的光斑半徑等，但都存在一定的局限 性。例如，采用單晶硅材料制作的光學(xué)腔可以實現(xiàn)KT 16量級的超穩(wěn)激光，但硅光學(xué)窗口僅 適用于紅外波段、且損耗較大、需要復(fù)雜的低溫系統(tǒng)。而目前常用的鍍膜材料SiO 2Zta2O5雖 然光學(xué)窗口寬，但其機(jī)械損耗因子大，直接導(dǎo)致了較大的頻率穩(wěn)定度。2014年，美國葉軍小 組通過將GaAs/AlGaAs DBR附著在熔融硅表面，獲得了損耗角為2. 5X 10_5的鍍膜材料，是 常用鍍膜材料SiO2Aa2O 5的1/10,但其通光波段在1000 nm和IlOOnm之間，應(yīng)用范圍受到極 大限制。因此，設(shè)計和研制具有光學(xué)窗口寬，同時具有極低布朗熱噪聲鍍膜材料顯得十分迫 切。
[0004] 藍(lán)寶石具有硬度高、熔點高、透光性好，化學(xué)性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、信 息等高技術(shù)領(lǐng)域。人工生長的藍(lán)寶石具有很好的耐磨性，硬度僅次于金剛石達(dá)到莫氏9級。 折射率為1. 762-1. 77,機(jī)械損耗因子為5. 5X 10Λ藍(lán)寶石單晶的透光范圍為140-6000nm， 覆蓋真空紫外、可見、近紅外到中紅外波段，且在3000-5000nm波段具有很高的光學(xué)透過 率。
[0005] 金剛石及類金剛石的化學(xué)穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率和耐磨性也非常出色。金剛石的機(jī)械 性能可以通過設(shè)計來滿足具體應(yīng)用的要求。此外，金剛石的折射率為2. 417,機(jī)械損耗因子 為2.96ΧΚΓ6。金剛石透光范圍為30-3000nm。
[0006] 綜上所述，藍(lán)寶石和金剛石所具有的物理及光學(xué)性能較為適合發(fā)明以藍(lán)寶石和金 剛石材料為鍍膜材料的低熱噪聲鍍膜層。利用這兩種材料具有的低機(jī)械損耗因子，可以大 大降低鍍膜材料的布朗熱噪聲，同時藍(lán)寶石和金剛石這兩種材料的折射率差距較大，可以 形成高低膜層，實現(xiàn)較高的反射率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合 膜結(jié)構(gòu)及其制備方法。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0009] 這種低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，以超低膨脹光學(xué)材料為基底；在基底上鍍 膜，所述膜由藍(lán)寶石膜層和金剛石膜層交替組成多層膜系，藍(lán)寶石膜層和金剛石膜層之間 通過鍵合或光膠方式結(jié)合而成。
[0010] 進(jìn)一步，所述超低膨脹光學(xué)材料為ULE或者熔融石英。
[0011] 進(jìn)一步，所述的藍(lán)寶石膜層由具有超低機(jī)械損耗因子藍(lán)寶石材料形成。
[0012] 進(jìn)一步，所述的金剛石膜層由具有超低機(jī)械損耗因子金剛石材料或類金剛石材料 形成。
[0013] 進(jìn)一步，所述藍(lán)寶石膜層和金剛石膜層交替組成的多層膜系為藍(lán)寶石膜層和金剛 石膜層兩種膜層交替產(chǎn)生。
[0014] 本發(fā)明還提出一種上述低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的制備方法，具體包括以 下步驟：
[0015] 1)選擇基底
[0016] 將超低膨脹光學(xué)材料制作成鏡片基底，并對其進(jìn)行打磨，保證表面光潔度；
[0017] 2)選擇分子束外延生長或磁控濺射方法進(jìn)行鍍膜；
[0018] 3)膜層尺寸和數(shù)量的確定
[0019] 金剛石膜層即H層的厚度為TH，金剛石膜層即L層的厚度為?Υ，L層的層數(shù)量為m， 那么H層的層數(shù)量為m+1，總膜層的層數(shù)量n = 2m+l ;膜層的層數(shù)量確定按照如下公式計 算：
【主權(quán)項】
1. 一種低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，以超低膨脹光學(xué)材料為基底； 在基底上鍍膜，所述膜由藍(lán)寶石膜層和金剛石膜層交替組成多層膜系，藍(lán)寶石膜層和金剛 石膜層之間通過鍵合或光膠方式結(jié)合而成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述超低膨 脹光學(xué)材料為ULE或者熔融石英。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的藍(lán)寶 石膜層由具有超低機(jī)械損耗因子藍(lán)寶石材料形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的金剛 石膜層由具有超低機(jī)械損耗因子金剛石材料或類金剛石材料形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述藍(lán)寶石 膜層和金剛石膜層交替組成的多層膜系為藍(lán)寶石膜層和金剛石膜層兩種膜層交替產(chǎn)生。
6. -種權(quán)利要求1所述低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包 括以下步驟： 1) 選擇基底 將超低膨脹光學(xué)材料制作成鏡片基底，并對其進(jìn)行打磨，保證表面光潔度； 2) 選擇分子束外延生長或磁控濺射方法進(jìn)行鍍膜； 3) 膜層尺寸和數(shù)量的確定 金剛石膜層即H層的厚度為TH，金剛石膜層即L層的厚度為IV，L層的層數(shù)量為m，那么H層的層數(shù)量為m+1，總膜層的層數(shù)量n= 2m+l;膜層的層數(shù)量確定按照如下公式計算：
上式干K73亢字X甘腴結(jié)構(gòu)的反坍畢，nH73?剛石膜層的折射率，ru為藍(lán)寶石膜層的 折射率，ns為基底的折射率。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)及其制備方法，該低熱噪聲高反射光學(xué)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)以超低膨脹光學(xué)材料為基底；在基底上鍍膜，所述膜由藍(lán)寶石膜層和金剛石膜層交替組成多層膜系，藍(lán)寶石膜層和金剛石膜層之間通過鍵合或光膠方式結(jié)合而成。本發(fā)明以藍(lán)寶石和金剛石材料為鍍膜層，利用這兩種材料具有極低的機(jī)械損耗因子，可以大大降低鍍膜材料的布朗熱噪聲，同時藍(lán)寶石和金剛石這兩種材料的折射率差距較大，可以形成高低膜層，實現(xiàn)較高的反射率。本發(fā)明設(shè)計的復(fù)合膜可以應(yīng)用于光學(xué)參考腔、光學(xué)干涉儀、超窄線寬激光器、光學(xué)原子鐘、引力波探測等高科技領(lǐng)域。
【IPC分類】G02B5-08, G02B1-10
【公開號】CN104698519
【申請?zhí)枴緾N201510141832
【發(fā)明人】劉濤, 許冠軍, 董瑞芳, 張首剛
【申請人】中國科學(xué)院國家授時中心
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月27日