留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

固体介质间隔层激光标准具性能的影响因素研究

刘华松 王利栓 季一勤 刘丹丹 姜玉刚 陈德应

刘华松, 王利栓, 季一勤, 刘丹丹, 姜玉刚, 陈德应. 固体介质间隔层激光标准具性能的影响因素研究[J]. 中国光学, 2015, 8(1): 74-83. doi: 10.3788/CO.20150801.0074
引用本文: 刘华松, 王利栓, 季一勤, 刘丹丹, 姜玉刚, 陈德应. 固体介质间隔层激光标准具性能的影响因素研究[J]. 中国光学, 2015, 8(1): 74-83. doi: 10.3788/CO.20150801.0074
LIU Hua-song, WANG Li-shuan, JI Yi-qin, LIU Dan-dan, JIANG Yu-gang, CHEN De-ying. Study on the influence factors of the characteristic of laser etalon with solid dielectric spacer-layer[J]. Chinese Optics, 2015, 8(1): 74-83. doi: 10.3788/CO.20150801.0074
Citation: LIU Hua-song, WANG Li-shuan, JI Yi-qin, LIU Dan-dan, JIANG Yu-gang, CHEN De-ying. Study on the influence factors of the characteristic of laser etalon with solid dielectric spacer-layer[J]. Chinese Optics, 2015, 8(1): 74-83. doi: 10.3788/CO.20150801.0074

固体介质间隔层激光标准具性能的影响因素研究

doi: 10.3788/CO.20150801.0074
基金项目: 国家自然科学基金项目(No.61405145/61235011);中国博士后科学基金资助项目(2014M560104);国家重大科学仪器专项资助项目(No.2012YQ04016405);天津市自然科学基金资助项目(No.12JCQNIC01200, No.13JCYBJC17300, No.14JCQNJC02400)
详细信息
    通讯作者: 刘华松(1980—),男,辽宁阜新人,博士,研究员,主要从事光学薄膜的设计、制备与表征技术、光学薄膜材料物理方面的研究。E-mail:liuhuasong@hotmail.com王利栓(1985—),男,河北邢台人,博士研究生,工程师,主要从事超低损耗光学薄膜的设计、制备与表征技术方面的研究。E-mail:wanglishuan@hotmail.com季一勤(1965—),男,安徽无为人,研究员,主要从事低损耗光学薄膜的制备、检测技术、红外超硬质光学薄膜、大曲率基底表面薄膜的基础理论与实验等方面的研究。E-mail:ji_yiqin@yahoo.com刘丹丹(1983—),女,河南许昌人,硕士,工程师,主要从事光学薄膜的测试技术方面的研究。E-mail:ldd6162@163.com姜玉刚(1985—),男,安徽霍邱人,博士,工程师,主要从事超低损耗光学薄膜的设计、制备与表征技术方面的研究。E-mail:jiangyg9879@g126.com
  • 中图分类号: O484

Study on the influence factors of the characteristic of laser etalon with solid dielectric spacer-layer

  • 摘要: 针对固体介质间隔层的镀膜标准具, 以1 064 nm激光镀膜标准具为例, 首先研究了反射膜堆数对反射带宽、基底厚度以及对自由光谱区的影响:标准具的带宽随着膜层堆数增加而减小, 自由光谱区随着基板厚度的增加而减小;其次研究了基底误差对标准具中心波长定位和透过率的影响, 通过定量数值计算证明了基底误差可通过标准具的使用角度补偿;针对典型的H(LH)m/Substrate/(HL)mH和L(LH)m/Substrate/(HL)mL两个膜系结构, 研究了入射激光发散角对标准具中心波长偏移、通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率的影响。随着激光发散角的增加, 中心波长向短波方向移动, 通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率呈现下降的趋势, 并且第二个膜系结构的标准具性能优于第一个膜系结构的标准具。
  • 图  1  F-P薄膜标准具示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of F-P film etalon

    图  2  F-P薄膜标准具关键技术参数

    Figure  2.  Key technical parameters of F-P film etalon

    图  3  不同膜层堆数厚度的透过率

    Figure  3.  Transmittance spectra of F-P coating etalon with different stack number

    图  4  不同基板厚度的透过率(m=8)

    Figure  4.  Transmittance spectra of F-P coating etalon with different substrate thickness(m=8)

    图  5  膜层堆数m对中心波长半宽度的影响

    Figure  5.  Influence of the stack numbers on the half width of the center wavelength

    图  6  基底厚度对自由光谱区的影响

    Figure  6.  Influence of the substrate thickness on the free spectral range

    图  7  基板厚度绝对误差对中心波长特性的影响

    Figure  7.  Influence of the substrate thickness absolute deviation on the characteristic of center wavelength

    图  8  F-P镀膜标准具的角度效应

    Figure  8.  F-P coating etalon angle effect

    图  9  基板厚度误差与角度入射的匹配

    Figure  9.  Matching of substrate thickness deviation and incidence angle

    图  10  发散角对激光薄膜标准具性能的影响

    Figure  10.  Influence of the divergence angle on the transmittance of two types of film structure

    图  11  发散角对激光薄膜标准具性能的影响

    Figure  11.  Influence of the divergence angle on the characteristic of the laser coating etalon

  • [1]

    [1] SIEGMAN A E. Lasers[M]. Palo Alto:University Science Books, 1986:457-472
    [2] DANIELMEYER H G. Stabilized efficient single-frequency Nd: YAG laser[J]. Quantum Electronics, IEEE J., 1970, 6(2):101-104.
    [3] MARTIN K I, CLARKSON W A, HANNA D C. High-power single-frequency operation, at 1064 nm and 1061.4 nm of a Nd:YAG ring laser end-pumped by a beam-shaped diode bar[J]. Optics Communications, 1997, 135(1):89-92.
    [4] DREVER R W P, HALL J L, KOWALSKI F V, et al. Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator[J]. Applied Physics B, 1983, 31(2):97-105.
    [5] 薛竣文, 裴雪丹, 苏秉华, 等. 激光器中F-P标准具的研究[J]. 激光与光电子学进展, 2012, 49:031402. XUE J W, PEI X D, SU B H, et al.. Study of F-P etalon using in laser[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2012, 49:031402.(in Chinese)
    [6] 李丽, 王灿召, 谢亚峰, 等. 扫描式测风激光雷达的风场反演[J]. 中国光学, 2013, 6(2):251-257. LI L, WANG C ZH, XIE Y F, et al.. Wind field inversion technique for scanning wind lidar[J]. Chinese Optics, 2013, 6(2):251-257.(in Chinese)
    [7] 李楠, 王卫民, 鲁燕华, 等. 基于F-P标准具的固体激光可调线宽控制技术[J]. 强激光与粒子束, 2013, 25(5):1139-1143. LI N, WANG W M, LU Y H, et al.. Tunable linewidth control technique for solid-state laser based on Fabry-Perot etalon[J]. Hihg Power Laser and Particle Beams, 2013, 25(5):1139-1143.(in Chinese)
    [8] 孙剑, 冯玉涛, 白清兰, 等. 高热稳定性测风Fabry-Perot干涉仪标准具的设计[J]. 光学 精密工程, 2013, 21(5):1167-1173. SUN J, FENG Y T, BAI Q L, et al.. Design of thermal stable Fabry-Perot etalon for wind measurement[J]. Opt. Precision Eng., 2013, 21(5):1167-1173.(in Chinese)
    [9] SADOT D, BOIMOVICH E. Tunable optical filters for dense WDM networks[J]. Communications Magazine, IEEE, 1998, 36(12):50-55.
    [10] ZHANG L, SHAO B B, YANG P L, et al.. Diagnosis of high-repetition-rate pulse laser with pyroelectric detector[J]. Chinese Optics, 2011, 4(4):404-410.
    [11] 王国成, 孙东松, 段连飞, 等. 测风激光雷达法布里-珀罗标准具参数及其性能分析[J]. 光学学报, 2011, 31(3):0301001. WANG G CH, SUN D S, DUAN L F, et al. Analysis and design of fabry-prot etalon of doppler wind lidar[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(3):0301001.(in Chinese)
    [12] 谭中奇, 龙兴武, 黄云, 等. 连续波腔衰荡光谱技术中的标准具效应[J]. 中国激光, 2009, 35(10):1563-1566. TAN ZH Q, LONG X W, HUANG Y, et al.. Etaloning effects continuous-wave cavity ring down spectroscopy[J]. Chinese J. Lasers, 2009, 35(10):1563-1566.(in Chinese)
    [13] 林永昌, 卢维强.光学薄膜原理 [M].北京:国防工业出版社, 1990:289-291. LIN Y CH, LU W Q. Optics Thin-Film Principle[M]. Beijing:National Defence Industry Press, 1990:289-291.(in Chinese)
    [14] 刘华松, 王利栓, 刘丹丹, 等. 光学薄膜特性的锥角效应数值分析[J]. 光学学报, 2011, 31(3): 0131003. LIU H S, WANG L SH, LIU D D, et al.. Numerical analysis of cone angle effect of optical thin film characteristics[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(3):0131003.(in Chinese)

  • [1] 朱绪丹, 张荣君, 郑玉祥, 王松有, 陈良尧.  椭圆偏振光谱测量技术及其在薄膜材料研究中的应用 . 中国光学, 2019, 12(6): 1195-1234. doi: 10.3788/CO.20191206.1195
    [2] 李代林, 杨丹, 崔纪琨, 王宁, 朱化凤.  连续激光辐照下的TiO2薄膜热传导性质 . 中国光学, 2019, 12(3): 628-637. doi: 10.3788/CO.20191203.0628
    [3] 姜玉刚, 刘华松, 王利栓, 陈丹, 李士达, 季一勤.  卫星激光防护薄膜窗口的设计与制备技术研究 . 中国光学, 2019, 12(4): 804-809. doi: 10.3788/CO.20191204.0804
    [4] 董家宁, 范杰, 王海珠, 邹永刚, 张家斌, 侯春鸽.  高反射光学薄膜激光损伤研究进展 . 中国光学, 2018, 11(6): 931-948. doi: 10.3788/CO.20181106.0931
    [5] 王小平, 宁仁敏, 王丽军, 柯小龙, 陈海将, 宋明丽, 刘凌鸿.  蓝区无机薄膜电致发光材料研究进展 . 中国光学, 2017, 10(1): 13-24. doi: 10.3788/CO.20171001.0013
    [6] 贺健康, 张立超, 才玺坤, 时光, 武潇野, 梅林.  离子束溅射制备GdF3光学薄膜沉积速率分布特性 . 中国光学, 2016, 9(3): 356-363. doi: 10.3788/CO.20160903.0356
    [7] 张立超, 才玺坤, 时光.  深紫外光刻光学薄膜 . 中国光学, 2015, 8(2): 169-181. doi: 10.3788/CO.20150802.0169
    [8] 陈凯, 雷枫, 伊藤雅英.  白光干涉测量超薄透明电极ITO薄膜的厚度 . 中国光学, 2015, 8(4): 567-573. doi: 10.3788/CO.20150804.0567
    [9] 武潇野, 张立超, 时光.  应用于高性能光学薄膜表征的光热光声检测技术 . 中国光学, 2014, 7(5): 701-711. doi: 10.3788/CO.20140705.0701
    [10] 张敏, 隋永新, 杨怀江.  提取标记点中心在子孔径拼接检测中的应用 . 中国光学, 2014, 7(5): 830-836. doi: 10.3788/CO.20140705.0830
    [11] 刘淑杰, 张元良, 张洪潮.  透明软质薄膜的表面形貌测量 . 中国光学, 2014, 7(2): 326-331. doi: 10.3788/CO.20140702.0326
    [12] 才玺坤, 张立超, 梅林, 时光.  热蒸发与离子束溅射制备LaF3薄膜的光学特性 . 中国光学, 2014, 7(5): 808-815. doi: 10.3788/CO.20140705.0808
    [13] 时光, 梅林, 张立超.  球面元件表面AlF3薄膜的光学特性和微观结构表征 . 中国光学, 2013, 6(6): 906-911. doi: 10.3788/CO.20130606.906
    [14] 申振峰.  特定折射率材料及光学薄膜制备 . 中国光学, 2013, 6(6): 900-905. doi: 10.3788/CO.20130606.900
    [15] 李灿, 孙强, 宋淑梅, 李淳, 王鹤.  用于检测设备标定的标准头盔瞄准具设计 . 中国光学, 2012, 5(5): 505-511. doi: 10.3788/CO.20120505.0505
    [16] 王晓铭, 郭劲, 郭汝海, 王挺峰.  大功率TEA CO2非稳腔激光器的远场传输特性 . 中国光学, 2012, 5(6): 671-676. doi: 10.3788/CO.20120506.0671
    [17] 赵珂杰, 谢泉, 肖清泉, 余志强.  环境友好半导体Mg2Si薄膜的研究进展 . 中国光学, 2010, 3(5): 446-451.
    [18] 朱放, 肖志松, 周博, 燕路, 张峰, 黄安平.  β-FeSi2薄膜制备与发光研究的进展 . 中国光学, 2009, 2(2): 119-125.
    [19] 张 鹏, 金 光, 石广丰, 齐迎春, 孙小伟, .  空间薄膜反射镜的研究发展现状 . 中国光学, 2009, 2(2): 91-101.
    [20] 张吉英, 蒋大勇, 鞠振刚, 申德振, 姚斌, 范希武.  用于日盲波段的MgZnO薄膜材料和紫外探测器 . 中国光学, 2008, 1(1): 80-84.
  • 加载中
图(11)
计量
  • 文章访问数:  428
  • HTML全文浏览量:  219
  • PDF下载量:  653
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-10-15
  • 录用日期:  2014-12-17
  • 刊出日期:  2015-01-25

固体介质间隔层激光标准具性能的影响因素研究

doi: 10.3788/CO.20150801.0074
    基金项目:  国家自然科学基金项目(No.61405145/61235011);中国博士后科学基金资助项目(2014M560104);国家重大科学仪器专项资助项目(No.2012YQ04016405);天津市自然科学基金资助项目(No.12JCQNIC01200, No.13JCYBJC17300, No.14JCQNJC02400)
    通讯作者: 刘华松(1980—),男,辽宁阜新人,博士,研究员,主要从事光学薄膜的设计、制备与表征技术、光学薄膜材料物理方面的研究。E-mail:liuhuasong@hotmail.com王利栓(1985—),男,河北邢台人,博士研究生,工程师,主要从事超低损耗光学薄膜的设计、制备与表征技术方面的研究。E-mail:wanglishuan@hotmail.com季一勤(1965—),男,安徽无为人,研究员,主要从事低损耗光学薄膜的制备、检测技术、红外超硬质光学薄膜、大曲率基底表面薄膜的基础理论与实验等方面的研究。E-mail:ji_yiqin@yahoo.com刘丹丹(1983—),女,河南许昌人,硕士,工程师,主要从事光学薄膜的测试技术方面的研究。E-mail:ldd6162@163.com姜玉刚(1985—),男,安徽霍邱人,博士,工程师,主要从事超低损耗光学薄膜的设计、制备与表征技术方面的研究。E-mail:jiangyg9879@g126.com
  • 中图分类号: O484

摘要: 针对固体介质间隔层的镀膜标准具, 以1 064 nm激光镀膜标准具为例, 首先研究了反射膜堆数对反射带宽、基底厚度以及对自由光谱区的影响:标准具的带宽随着膜层堆数增加而减小, 自由光谱区随着基板厚度的增加而减小;其次研究了基底误差对标准具中心波长定位和透过率的影响, 通过定量数值计算证明了基底误差可通过标准具的使用角度补偿;针对典型的H(LH)m/Substrate/(HL)mH和L(LH)m/Substrate/(HL)mL两个膜系结构, 研究了入射激光发散角对标准具中心波长偏移、通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率的影响。随着激光发散角的增加, 中心波长向短波方向移动, 通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率呈现下降的趋势, 并且第二个膜系结构的标准具性能优于第一个膜系结构的标准具。

English Abstract

刘华松, 王利栓, 季一勤, 刘丹丹, 姜玉刚, 陈德应. 固体介质间隔层激光标准具性能的影响因素研究[J]. 中国光学, 2015, 8(1): 74-83. doi: 10.3788/CO.20150801.0074
引用本文: 刘华松, 王利栓, 季一勤, 刘丹丹, 姜玉刚, 陈德应. 固体介质间隔层激光标准具性能的影响因素研究[J]. 中国光学, 2015, 8(1): 74-83. doi: 10.3788/CO.20150801.0074
LIU Hua-song, WANG Li-shuan, JI Yi-qin, LIU Dan-dan, JIANG Yu-gang, CHEN De-ying. Study on the influence factors of the characteristic of laser etalon with solid dielectric spacer-layer[J]. Chinese Optics, 2015, 8(1): 74-83. doi: 10.3788/CO.20150801.0074
Citation: LIU Hua-song, WANG Li-shuan, JI Yi-qin, LIU Dan-dan, JIANG Yu-gang, CHEN De-ying. Study on the influence factors of the characteristic of laser etalon with solid dielectric spacer-layer[J]. Chinese Optics, 2015, 8(1): 74-83. doi: 10.3788/CO.20150801.0074
    • 法布里-珀罗(F-P)标准具是一种精密光学元件,广泛应用在激光技术、计量学、原子光谱学、光散射、等离子体诊断学等方面。尤其是在激光技术领域内,F-P标准具可以实现激光振荡、激光选频、激光扫描干涉仪、光束发散角压缩等功能,因此F-P标准具制造是重要的单元技术之一[1,2,3,4,5]。近年来,随着超窄带光波滤波技术的应用,如高功率GHz窄线宽固体激光器、光纤通信、测风激光雷达、物质光谱测量、大气污染监测等技术的发展[6,7,8,9,10,11,12],对F-P标准具的需求越来越广泛,并且对性能指标要求也更高。F-P标准具在原理上基于多光束干涉,实际结构简单,主要有间隔层为空气和固体介质两大类。随着镀膜沉积技术的发展,基于固体介质间隔层的镀膜F-P标准具技术得到应用。本文基于薄膜光学原理,通过数值实验,重点研究了固体介质厚度误差和入射光发散角对1 064 nm激光标准具的性能影响,最后给出了基底厚度误差补偿的定量计算结果。

    • F-P的制作方法一般是选定间隔层,然后在间隔层两侧制备反射率较高的薄膜,通过调整间隔层的光学厚度可实现不同激光波长的选通。间隔层一般为空气或者固体介质:间隔层为空气时,两侧使用镀反射膜的平行平板;间隔层为固体介质时,两侧直接镀制反射膜。不论是何种结构,F-P标准具都是由两个平行的反射面和中间的介质层组成,示意图见图 1。入射光通过薄膜a后在a和b之间多次反射,在薄膜b透射后形成多光束干涉,由于入射光波通过间隔层的相位厚度在不同波长下不同,因此可以实现不同波长的激光透射[13]

      图  1  F-P薄膜标准具示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of F-P film etalon

      图  2  F-P薄膜标准具关键技术参数

      Figure 2.  Key technical parameters of F-P film etalon

      设F-P标准具的折射率为Ns,入射介质和出射介质均为空气,折射率都为1,入射角度为0°。光波在a与间隔层的界面反射振幅为ra、透射振幅为ta、反射相移为φa、透射相移为φa;光波在b与间隔层的界面反射振幅为rb,透射振幅为tb、反射相移为φb、透射相移为φb。间隔层基底折射率为Ns=n-ik,物理厚度为ds,对于不同入射光波的间隔层相位厚度δ为:

      式中,λ为入射光波长,α=2πnds/λ和β=2πkds/λ为等效参数,则光波的相位传递因子记为下式:

      入射光波在间隔层内多次传输的最终电场振幅透射系数为:

      透过率为:

      在此处将界面的光波振幅的反射和透射系数写成下式:

      则式(4)可以写成下式:

      根据三角公式有:

      透过率表达式为:

      对分母进行整理:

      由于Ta=|ta+|2Ra=|ra+|2Tb=|tb+|2ra=|ra+|2,因此透过率可以写成下式:

      在这里记锐度系数F为:

      则有:

      对于特定结构的薄膜F-P标准具,有:

      满足上式的λ记为极值最大波长点,x为干涉级次。标准具透射率曲线是周期性的陡峭波峰,峰值半高度所对应的波长间隔为半宽度,计算方法见式(13)。连续两个透射极大的波长为相邻的干涉级次,连续两个波峰之间的宽度称为自由谱间距(FSR),计算方法见式(14)。

    • 固体间隔层F-P标准具一般采用如下的薄膜-基底-薄膜结构:

      H(LH)m/Substrate/(HL)mH ,

      其中,H和L分别为高折射率和低折射率材料,在下文中的数值实验中折射率分别取为2.10和1.46,其光学厚度为λ0/4,m为高低折射率材料的交替次数,中心波长选择为λ0=1 064 nm;Substrate为固体介质基板,其折射率为1.447。

      首先考虑到基板可加工的几何厚度,根据式(12),在这里选择为1 064 nm波长处x=2 500,几何厚度为0.919 1 mm。模拟计算了当基板厚度一定的情况下,反射膜堆m因子对中心波长λ0附近光谱透过率的影响,见图 3;其次,选择膜层堆数m=8,模拟计算基板几何厚度对中心波长λ0附近的光谱透过率的影响,见图 4

      图  3  不同膜层堆数厚度的透过率

      Figure 3.  Transmittance spectra of F-P coating etalon with different stack number

      图  4  不同基板厚度的透过率(m=8)

      Figure 4.  Transmittance spectra of F-P coating etalon with different substrate thickness(m=8)

      第一种模拟情况:在基板厚度一定的条件下,当膜层堆数增加时,反射膜的反射率增加,影响到标准具中心波长的带宽,对自由光谱区宽度无影响。图 5给出了膜层堆数对中心波长的半宽度影响,随着膜层堆数m的增加,中心波长半宽度呈量级减小,膜层每增加3,中心波长半宽度减小一个量级。从图中可以看出,m数不宜过大,在满足设计的线宽需求前提下尽量选择堆数最少的膜系结构,膜层堆数过多导致薄膜制备的难度增加。

      图  5  膜层堆数m对中心波长半宽度的影响

      Figure 5.  Influence of the stack numbers on the half width of the center wavelength

      第二种模拟情况:在膜层堆数一定的条件下(m=8),基板厚度影响到自由光谱区的宽度。如图 6所示,随着基板厚度的增加,在1 063~1 065 nm之间的透射区增加。两个透射区之间的自由光谱区随着基板厚度的增加而减小。

      图  6  基底厚度对自由光谱区的影响

      Figure 6.  Influence of the substrate thickness on the free spectral range

    • 由于F-P标准具的基底光学厚度决定了中心波长位置和透过率大小,数值模拟计算了基底几何厚度误差对中心波长透过率的影响。如图 7(a)所示,当基底的几何厚度误差范围大时,如果误差为λ0/(2ns),中心波长的透过率极大再次出现,因此中心波长最高透过率是以λ0/(2ns)

      图  7  基板厚度绝对误差对中心波长特性的影响

      Figure 7.  Influence of the substrate thickness absolute deviation on the characteristic of center wavelength

      为周期交替出现的。当基底的几何厚度误差范围很小时,如图 7(b)所示,基底的几何厚度误差势必导致中心波长透过率的大小,当基底厚度超过0.02 μm时,中心波长最大透过率为0。由此可见,基板的加工控制的误差应在纳米量级,如果控制在微米量级,则需要通过对表面进行补偿,校正中心波长的位置达到最大透过率位置。下面讨论如何补偿的问题。

      当基板几何厚度存在误差时,只有改变其等效的光学厚度满足最大透射条件,才能实现中心波长的调整。显然,如果知道了基板的纳米量级的误差,可以通过薄膜进行补偿,如基板材料采用熔融石英,则可以用SiO2薄膜对基板的误差进行补偿。但是纳米量级的厚度误差测量难以精确实现,因此选择间接等效的方式对基板的光学厚度进行补偿。图 8给出了基板和镀膜基板的激光透射角度效应,随着角度的增加,激光透射极大值的角度呈现周期性,并且相邻透射极大的角度间隔逐渐减小,因此通过改变标准具的使用角度,可以实现光学厚度的等效补偿,在不同角度下仍可出现激光透射的最大值。

      图  8  F-P镀膜标准具的角度效应

      Figure 8.  F-P coating etalon angle effect

      根据上述思想,假设基板厚度的绝对误差取值范围为-1~1 μm,入射角度取值范围为0~5°,中心波长为1 064 nm,膜层堆数m=8,基板的厚度分别选择0.735、0.919、1.103和1.287 mm,模拟计算了不同几何厚度的基板在不同误差下的角度补偿效应,结果见图 9。从计算结果可以得到如下的结论:(1)在0度入射时,1 064 nm波长的透过率最大值是以λ0/(2ns)为周期出现;(2)厚度的正、负绝对误差通过入射角度没有对称性,即正向误差和负向误差的补偿角度不同,负向误差比正向误差的补偿角度大;(3)同样误差绝对值下,正向误差补偿角度要大于负向误差补偿角度;(4)随着基板厚度的增加,厚度误差可补偿的角度也增加。

      图  9  基板厚度误差与角度入射的匹配

      Figure 9.  Matching of substrate thickness deviation and incidence angle

    • 激光发散角对标准具性能的影响是不可忽略的,对于光学薄膜元件,可以将发散激光等效具有一定入射角的光锥,光锥的半宽度角即为光束的发散角[14]。在此处以基板厚度0.919 mm、中心波长1 064 nm、入射角度为0°、薄膜结构分别为H(LH)m/Substrate/(HL)mH和L(LH)m/Substrate/(HL)mL,在这里将第一个膜系记为A,第二个膜系记为B,m取值为8。数值计算了光束发散角对标准具性能的影响,图 10给出了激光发散角对1 064 nm附近光谱的影响,发散角分别取为0.025°、0.050°、0.075°、0.1°,在相同发散角作用下,两个膜系的标准具性能变化趋势一致。从透射率光谱上看,随着光束发散角的增加,光谱形状退化方向一致,透射区的中心波长向短波方向平移、中心波长透过率下降、透射区带宽展宽,极大透过率下降等现象。取光束发散角0~0.1°(步长为0.005°),获得发散角对通带半宽度、中心波长偏移、中心波长透过率和最大透过率的影响规律,见图 11

      图  10  发散角对激光薄膜标准具性能的影响

      Figure 10.  Influence of the divergence angle on the transmittance of two types of film structure

      图  11  发散角对激光薄膜标准具性能的影响

      Figure 11.  Influence of the divergence angle on the characteristic of the laser coating etalon

      图 11(a)所示,两个膜系中心波长向短波方向的平移量相同,平移量随着发散角的增加而增加,在0.1°发散角以内,光谱平移量可达到-4×10-4 nm;在通带半宽度性能上,A膜系结构的标准具半宽度变化大于B膜系结构,见图 11(b)。在0.1°发散角内,A膜系结构的通带半宽度由2.6×10-4 nm增加到4.7×10-4 nm,B膜系结构的通带半宽度由5.4×10-4 nm增加到6.8×10-4 nm。图 11(c)和图 11(d)给出发散角对中心波长透过率和通带最大透过率的影响:A膜系结构的透过率下降低于B膜系结构,在0.1°发散角内,A膜系结构的标准具在1 064 nm波长的透过率从100%下降到42.45%,通带最大透过率从100%下降到66.40%。B膜系结构的标准具透过率从100%下降到67.57%,通带最大透过率从100%下降到87.05%。通过对上述4个主要性能的分析,从膜系结构的特点来说,A膜系结构的初始半宽度小于B膜系结构,这是由于两者的反射率不同所导致,可以确定初始带宽越窄,上述4个性能变化就剧烈,从这个方面考虑膜层的反射率不能选择太高,而且膜系最外层最好选择为低折射率膜层。对于发散角的影响,当标准具在激光谐振腔外应用时,必须设法压缩激光的发散角,而在激光谐振腔内使用时,则超窄通带的标准具有助于压缩激光线宽。因此,在使用标准具时首先考虑其使用环境,然后在确定相关的标准具技术指标。

    • 基于多光束干涉理论,针对固体介质间隔层的镀膜标准具,以1 064 nm激光镀膜标准具为例,研究了反射膜堆数对反射带宽、基底厚度对自由光谱区的影响,基底厚度误差对标准具中心波长定位和透过率的影响,定量计算了基底误差与工作角度的补偿效应,发散角对激光标准具中心波长平移、通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率的影响。研究结果表明:标准具的带宽随着膜层堆数增加而减小,自由光谱区随着基板厚度的增加而减小;基底厚度误差存在周期效应,即周期误差为λ0/(2ns)时仍能出现干涉极大值,并且在周期误差以内可以通过工作角度对误差进行补偿;膜系结构H(LH)m/Substrate/(HL)mH与膜系结构L(LH)m/Substrate/(HL)mL的两个标准具相比,随着激光发散角的增加,标准具的中心波长短移,通带半宽度、中心波长透过率和最大透过率下降,第二个结构对激光发散角敏感度较差。通过本文的研究,可以提供标准具的设计准则和对不同应用条件的标准具性能进行判断,通过镀膜技术可实现固体介质间隔层的激光标准具制造。

参考文献 (1)

目录

    /

    返回文章
    返回