用于高功率激光脈沖的介電反射鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要設(shè)及用于激光的光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明特別是設(shè)及用于高功率激光脈沖的 反射并具有高損傷闊值的反射鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于特別在研究、材料加工中的高功率激光系統(tǒng)來說或者對(duì)于核聚變中的應(yīng)用來 說一直都有提高功率的趨勢(shì)。例如設(shè)及化I、Apollon和化tawatt項(xiàng)目。
[0003] 為了始終獲得較高的直至化tawatt范圍的功率，需要增大脈沖能量W及縮短脈 沖持續(xù)時(shí)間。在此典型的脈沖持續(xù)時(shí)間在10-200飛秒的數(shù)量級(jí)。
[0004] 脈沖持續(xù)時(shí)間的脈沖不能直接增強(qiáng)，而是必須例如通過光柵擴(kuò)張至納秒脈沖長 度，W運(yùn)種形式在活性的激光介質(zhì)中增強(qiáng)并且隨后重新壓縮。 陽〇化]此外，運(yùn)些脈沖沒有單一的波長，因而不像通?？吹降睦邕B續(xù)照射的激光那樣 是單色的。與之不同，脈沖由完整的波長光譜構(gòu)成。運(yùn)源自頻率（波長）和脈沖持續(xù)時(shí)間 之間的傅里葉變換W及源自海森堡的不確定性原理。為了使得納秒脈沖在增強(qiáng)之后能夠重 新壓縮或者引起光和材料的相互作用，必須同時(shí)存在脈沖的所有波長。如果缺少最短波長 或最長波長的成分，那么壓縮的脈沖不再具有數(shù)個(gè)飛秒的持續(xù)時(shí)間，而是明顯更長。
[0006] 但是介質(zhì)顯示出色散，也就是說，不同波長的光速一般不同。由此光譜隨時(shí)間和空 間彼此分離并且不同的光譜組分不再能夠共同壓縮成一個(gè)飛秒脈沖。
[0007] 為了使飛秒脈沖保持為運(yùn)樣（由此不會(huì)彼此分離）、能夠?qū)⑤^長的脈沖壓縮到飛 秒脈沖或者能夠使飛秒脈沖在特定位置與材料相互作用，傳輸該激光脈沖的光學(xué)構(gòu)件應(yīng)當(dāng) 在足夠?qū)挼牟ㄩL范圍內(nèi)具有盡可能低的色散，也就是說，光脈沖的組分必須傳輸?shù)赝瑯涌臁?例如短波組分不應(yīng)比長波組分更慢地穿過色散介質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于，提供一種反射鏡，該反射鏡一方面盡可能好地滿足上述在寬 的波長范圍內(nèi)的低的群延時(shí)色散（Group Delay Dispersion-G孤，接下來僅簡單地稱為色 散）的要求，并且另一方面也適合于反射高強(qiáng)度脈沖和超高強(qiáng)度脈沖。該目的通過權(quán)利要 求1的技術(shù)方案得W實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利設(shè)計(jì)和擴(kuò)展方案在各個(gè)從屬權(quán)利要求中給出。
【附圖說明】
[0009] 接下來參照附圖并且更詳細(xì)地闡述本發(fā)明W及本發(fā)明基于的技術(shù)問題。其中：
[0010] 圖1示意性地示出了穿過色散介質(zhì)之前和之后的激光脈沖，
[0011] 圖2示出了具有不同涂層材料的兩個(gè)介電反射鏡的光譜反射率（光譜反射比），
[0012] 圖3和圖4示出了介電反射鏡的涂層順序的實(shí)施例，W及在反射鏡疊層內(nèi)的光強(qiáng) 度（標(biāo)準(zhǔn)化成入射的電場的平方值），
[0013] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的介電反射鏡的疊層的實(shí)施例，W及激光脈沖在疊層中的 光強(qiáng)度分布，
[0014] 圖6和圖7示出了不同材料的激光損傷闊值與折射率相關(guān)的圖，
[0015] 圖8示出了色散體作為根據(jù)圖3至圖5不同疊層的波長的函數(shù)，
[0016] 圖9示出了圖5中所示實(shí)施方式的一個(gè)變體， 陽017] 圖10示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的疊層的截面圖，
[0018] 圖11示出了具有梯度層的一個(gè)實(shí)施例，W及
[0019] 圖12示出了色散體的帶寬作為用于梯度層系統(tǒng)的不同疊層的波長的函數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 圖1的曲線圖再次示意性地說明了色散介質(zhì)對(duì)超短波的、寬帶的激光脈沖的影 響。特別是在圖1中在時(shí)間刻度尺上示出了在穿過色散介質(zhì)之前和之后的激光脈沖2。在 穿過之前（時(shí)間線上顯示在左邊）激光脈沖具有特定的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度。在穿過之后（顯 示在右邊）各光譜組分在時(shí)間刻度尺上分離。例如紅色和藍(lán)色組分用"R"或"B"表示并且 標(biāo)記為陰影面。在所示的實(shí)施例中介質(zhì)運(yùn)樣色散，即，短波的光譜組分比長波的光譜組分更 慢地穿過介質(zhì)，從而在穿過之后藍(lán)色的光譜組分在時(shí)間上落后于紅色的組分。
[0021] 除了吸收損失和散射損失W外，綜合的脈沖能量基本上保留，然而通過激光脈沖2 隨時(shí)間的彼此分離使得最大強(qiáng)度或功率降低。但是恰好脈沖功率對(duì)于高功率激光應(yīng)用來說 通常很重要。
[0022] 為了反射高功率激光脈沖，通常采用介電反射鏡（dielektrische Spiegel,介質(zhì) 反射鏡）。
[0023] 飛秒脈沖反射鏡的典型的、示例性的規(guī)格例如除了尺寸、平面度（反射的波前）、 表面粗糖度之外還能夠包括下述：
[0024] 入射角;： 45。 光板性： S 波長范國； 700 - 900 nm 反射率： >99.5% 色散付、（GDD);最大±50朽2 激光損傷閥值：>0.5 J/cm2(20技脈沖持續(xù)時(shí)間，800 nm波長)。
[0025] 非常簡單的介電反射鏡由具有高的和具有低的折射率的一系列層構(gòu)成，在運(yùn)些層 的分界面上反射一部分光并且與其本身進(jìn)行干設(shè)，其中層厚恰好等于設(shè)計(jì)波長的四分之一 的光路長度。由此運(yùn)種反射鏡可能僅具有受限的帶寬，因?yàn)閷?duì)于明顯不同的波長來說需要 滿足不同的干設(shè)條件。
[00%] 此時(shí)，為了獲得更大帶寬的反射鏡，運(yùn)例如有利于飛秒激光脈沖的反射，能夠采用 兩種手段。
[0027] i)或者提高兩個(gè)層種類之間的折射率差值，即提高高折射的層和低折射的層之間 的折射率差值，或者
[0028] U)采用所謂經(jīng)"調(diào)頻"的（zwitschern，英語"chi巧"，指頻率變化）反射鏡，其 中各個(gè)層厚變化并且一個(gè)波長的光在一個(gè)區(qū)域（例如位于較高的層）中反射而另一波長的 光在另一（垂直的）反射鏡區(qū)域（例如位于較低的層）中反射。
[0029] 圖2根據(jù)兩個(gè)不同介電反射鏡的光譜反射率示出了提高折射率差值的效果。
[0030] 圖2中的虛線是Si化/Hf〇2層系統(tǒng)的反射率，實(shí)線是SiO z/Ti化層系統(tǒng)的反射率。 在Ti〇2層和SiO 2層之間的折射率差值大于HfO 2層和SiO 2層之間的差值。由此如由圖2可 W看出，Si化/Ti化層系統(tǒng)的帶寬明顯更大。另一方面，TiO 2相對(duì)于HfO 2具有明顯更小的激 光損傷闊值。
[0031] 運(yùn)兩種反射鏡種類因此對(duì)于作為高功率超短脈沖反射鏡的應(yīng)用來說都具有 明顯的缺陷（在之后的段落中描述為"窘境值ilemmas)")。在介電反射鏡的層組合 (Schichtpaket)中形成靜止的波，從而在一些位置上形成增大的電場/提高的光強(qiáng)度。最 大值是與激光損傷闊值相關(guān)的預(yù)定斷裂位置。在分界面上的損傷闊值通常低于在層內(nèi)部的 損傷闊值。
[0032] 多光子吸收導(dǎo)致介質(zhì)的能量吸收W及在充足的功率下介質(zhì)的損傷。介質(zhì)的穩(wěn)定性 如何很大程度上取決于介質(zhì)的帶隙。在具有較大帶隙的材料中的損傷闊值通常比在具有較 小帶隙的材料中更高。因此Si化也比具有較高折射率的材料更穩(wěn)定。
[0033] 在較適合于高能飛秒脈沖（或者納秒脈沖，其應(yīng)當(dāng)壓縮至飛秒）的介電反射鏡中 因此也應(yīng)當(dāng)
[0034] -反射率高，
[0035] -反射率的帶寬大，
[0036] -群延時(shí)色散小，
[0037] -群延時(shí)色散的帶寬大，
[0038] -電場的最大值小，
[0039] -材料具有大（寬）的帶隙， W40]-大的電場位于較大帶隙的材料中，
[0041] -大的電場不在分界面上而是在層內(nèi)部。
[0042] 通過上述前提現(xiàn)產(chǎn)生例如高折射材料Ti〇2的數(shù)個(gè)窘境：
[0043] -Ti〇2有利于高的反射率（由于大的折射率）， W44] -Ti〇2因此也有利于大的帶寬，參見圖2， W45] -Ti化有利于小的色散。
[0046] 例如Ti化所具有的高折射率意味著，較少的層參與反射并且由此不同波長的波的 路徑差（色散）較小。
[0047] 但是Ti〇2不利的是因?yàn)閹逗蛽p傷闊值低。 W48]-冊(cè)〇2或Sc 2〇3是有利的，因?yàn)閹逗蛽p傷闊值較大。
[0049] -另一方面Hf 〇2或Sc 2〇3是不利的，因?yàn)檎凵渎瘦^小。
[0050] 通過Si〇2/Ti〇2反射鏡能夠滿足激光損傷闊值的規(guī)格并且通過Si〇2/Hf〇2反射鏡不 能滿足色散帶寬的規(guī)格。
[0051] 圖3為此示出了在由交替的Si〇2/Ti〇2層構(gòu)成的介電反射鏡中電場強(qiáng)度（該電場 強(qiáng)度與光強(qiáng)度成比例）的平方的分布或走勢(shì)6。運(yùn)些層相應(yīng)地用"Si〇2"或"Ti〇2"標(biāo)識(shí)，層 之間的分界面用虛線標(biāo)記。在圖3 W及接下來的圖中給出場強(qiáng)的走勢(shì)6,用于設(shè)計(jì)波長或者 具有激光脈沖的強(qiáng)度最大值的波長。在激光脈沖的光譜上結(jié)合的總強(qiáng)度的走勢(shì)在此沒有明 顯偏差，從而觀察設(shè)計(jì)波長是足夠的。
[0052] 特別是圖3示出了多層Si化/Ti化反射鏡的上面八個(gè)層。反射鏡的表面位于深度 為零處，反射鏡的周圍環(huán)境在零點(diǎn)右側(cè)。在左側(cè)的比900納米更深的深度中（圖3中沒有 示出）還