一种激光和频器件膜层厚度系数的优化方法

技术领域

本申请涉及激光器件技术领域，具体涉及一种激光和频器件膜层厚度系数的优化方法。

背景技术

激光和频技术在拓展激光波长范围方面得到了广泛应用，使激光输出波长种类越来越丰富。激光和频可将两个输入的基频激光通过非线性晶体进行频率变换，获得和频激光输出，非线性转换晶体是实现两束基频光和频的核心器件，为了减少由于菲涅耳反射引起的光能量损耗，提高转换效率，必须在其表面镀制增透膜。

现有技术中，非线性晶体两端面通常镀制两种基频光及和频输出光等激光波长处的增透膜，要求其具有较高的透过率，但在追求高透过率的基础上去设计增透膜中的膜层结构，往往存在高通量激光的能量将和频器件损坏的现象，因此此种激光和频器件抗损能力较差。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种激光和频器件膜层厚度系数的优化方法激光和频器件包括和频晶体，所述和频晶体具有相对的第一侧面和第二侧面；所述第一侧面和第二侧面上均设有增透薄膜结构，所述增透薄膜结构包括四个薄膜层，且四个薄膜层沿远离所述和频晶体方向依次为交替设置的第一薄膜材质和第二薄膜材质，所述第一薄膜材质的折射率高于第二薄膜材质的折射率；

其中，各个所述薄膜层的厚度系数通过以下步骤得到：

获取入射基频光以及各个薄膜层的初始设定厚度系数；

以所述初始设定厚度系数为初始值，优化各个薄膜层的厚度系数，以使所述激光和频器件对入射基频光和出射激光的透过率处于各自的透过率预设范围，且在出射和频激光波长处的吸收率处于第二预设范围，所述出射和频激光由入射基频光照射激光和频器件得到。

根据本申请实施例提供的技术方案，两个增透薄膜结构中各膜层总厚度，均小于所述出射和频激光的输出波长。

根据本申请实施例提供的技术方案，获取入射基频光的方法，具体包括以下步骤：

获取第一基频光和第二基频光，通过耦合镜将所述第一基频光和所述第二基频光整合成一路，进而成为所述入射基频光。

根据本申请实施例提供的技术方案，获取第一基频光的方法，具体包括以下步骤：

将第一LD泵浦源的种子光注入第一非线性晶体，激发得到所述第一基频光。

根据本申请实施例提供的技术方案，获取第一基频光的方法，具体包括以下步骤：

将第二LD泵浦源的种子光注入第二非线性晶体，激发得到所述第二基频光。

根据本申请实施例提供的技术方案，以所述初始设定厚度系数为初始值，优化各个薄膜层的厚度系数的方法，具体包括以下步骤：

获取所述入射基频光和出射激光各自的所述透过率预设范围，以所述透过率预设范围为优化目标，得到各所述薄膜层的第一设定厚度系数；

基于各所述薄膜层的所述第一设定厚度系数，计算所述第一侧面沿着晶体出射方向，在出射和频激光波长处的吸收率；

获取出射和频激光波长处吸收率的所述第二预设范围，以所述第二预设范围为优化目标，得到所述第一侧面的增透薄膜结构的各所述薄膜层的第二设定厚度系数；

基于所述第一侧面的增透薄膜结构的各所述薄膜层的所述第二设定厚度系数，计算所述第二侧面沿着晶体入射或出射方向，在出射和频激光波长处的吸收率；

以所述第二预设范围为优化目标，得到所述第二侧面的增透薄膜结构的各所述薄膜层的第二设定厚度系数。

根据本申请实施例提供的技术方案，晶体出射方向为以和频晶体为入射介质、空气为出射介质；晶体入射方向为以和频晶体为出射介质、空气为入射介质。

根据本申请实施例提供的技术方案，通过耦合镜将所述第一基频光和所述第二基频光整合成一路，再经过第二反射镜折返后成为所述入射基频光。

综上所述，本申请提出一种激光和频器件膜层厚度系数的优化方法，激光和频器件包括和频晶体，其具有相对的第一侧面和第二侧面；第一侧面和第二侧面上均设有增透薄膜结构，增透薄膜结构包括四个薄膜层，且四个薄膜层沿远离和频晶体方向依次为交替设置的第一薄膜材质和第二薄膜材质，第一薄膜材质的折射率高于第二薄膜材质的折射率；各个薄膜层的厚度系数通过以下步骤得到：获取入射基频光以及各个薄膜层的初始设定厚度系数；以初始设定厚度系数为初始值，优化各个薄膜层的厚度系数，以使激光和频器件对入射基频光和出射激光的透过率处于各自的透过率预设范围，且在出射和频激光波长处的吸收率处于第二预设范围，出射和频激光由入射基频光照射激光和频器件得到。

本申请与现有技术相比，有益效果在于：该方法在考虑了透过率达标的基础上，还将整个器件对出射和频激光的吸收率考虑在内，降低了整个器件对和频激光的吸收率，特别是降低了第一侧面，即和频激光出射侧增透膜的吸收率，从而提高和频晶体器件抗激光损伤能力，有效保护和频晶体器件的整体结构，同时也提高了非线性晶体的和频效率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种激光和频器件的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的激光和频器件的使用场景图；

图3为本申请实施例提供的高折射率膜层材料的折射率曲线图；

图4为本申请实施例提供的低折射率膜层材料的折射率曲线图。

1、和频晶体；11、第一侧面；12、第二侧面；2、第一反射镜；3、第二反射镜；4、耦合镜；5、第二非线性晶体；6、第二LD泵浦源；7、第一非线性晶体；81、第一增透薄膜；82、第二增透薄膜；9、第一LD泵浦源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

诚如背景技术中提到的，针对现有技术中的问题。本申请提出了一种激光和频器件膜层厚度系数的优化方法，激光和频器件包括和频晶体1，所述和频晶体1具有相对的第一侧面11和第二侧面12；所述第一侧面11和第二侧面11上均设有增透薄膜结构，所述增透薄膜结构包括四个薄膜层，且四个薄膜层沿远离所述和频晶体1方向依次为交替设置的第一薄膜材质和第二薄膜材质，所述第一薄膜材质的折射率高于第二薄膜材质的折射率；

其中，各个所述薄膜层的厚度系数通过以下步骤得到：

获取入射基频光以及各个薄膜层的初始设定厚度系数；

以所述初始设定厚度系数为初始值，优化各个薄膜层的厚度系数，以使所述激光和频器件对入射基频光和出射激光的透过率处于各自的透过率预设范围，且在出射和频激光波长处的吸收率处于第二预设范围，所述出射和频激光由入射基频光照射激光和频器件得到。

具体地，所述第一侧面的增透薄膜结构为第一增透薄膜81、所述第二侧面的增透薄膜结构为第二增透薄膜82。

具体地，所述和频晶体1为LBO和频晶体1，所述和频晶体1在中间，增透薄膜结构分别设计在所述和频晶体1的两侧，共同形成“薄膜-基板-薄膜”系统，所述第一侧面是和频激光的出射面，两侧面的增透薄膜结构都由以往经验设置为四层薄膜层，但与传统技术不同的是，两侧的各薄膜层厚度系数不同，本方案优化后的第一侧面的增透薄膜结构可以表示为：Sub/x

在一优选实施例中，两个增透薄膜结构中各膜层总厚度，均小于所述出射和频激光的输出波长。

具体地，两个增透薄膜结构中各膜层总厚度均小于出射和频激光的输出波长λ

在一优选实施例中，获取入射基频光的方法，具体包括以下步骤：

获取第一基频光和第二基频光，通过耦合镜4将所述第一基频光和所述第二基频光整合成一路，进而成为所述入射基频光。

在一优选实施例中，获取第一基频光的方法，具体包括以下步骤：

将第一LD泵浦源9的种子光注入第一非线性晶体7，激发得到所述第一基频光。

在一优选实施例中，获取第一基频光的方法，具体包括以下步骤：

将第二LD泵浦源6的种子光注入第二非线性晶体5，激发得到所述第二基频光。

具体地，获取波长为λ

所述第一增透薄膜81对波长λ

具体地，所述第二增透薄膜82对波长λ

在一优选实施例中，以所述初始设定厚度系数为初始值，优化各个薄膜层的厚度系数的方法，具体包括以下步骤：

S1、获取所述入射基频光和出射激光各自的所述透过率预设范围，以所述透过率预设范围为优化目标，得到各所述薄膜层的第一设定厚度系数；

S2、基于各所述薄膜层的所述第一设定厚度系数，计算所述第一侧面沿着晶体出射方向，在出射和频激光波长处的吸收率；

S3、获取出射和频激光波长处吸收率的所述第二预设范围，以所述第二预设范围为优化目标，得到所述第一侧面的增透薄膜结构的各所述薄膜层的第二设定厚度系数；

S4、基于所述第一侧面的增透薄膜结构的各所述薄膜层的所述第二设定厚度系数，计算所述第二侧面沿着晶体入射或出射方向，在出射和频激光波长处的吸收率；

S5、以所述第二预设范围为优化目标，得到所述第二侧面的增透薄膜结构的各所述薄膜层的第二设定厚度系数。

在一优选实施例中，晶体出射方向为以和频晶体1为入射介质、空气为出射介质；晶体入射方向为以和频晶体1为出射介质、空气为入射介质。

在一优选实施例中，通过耦合镜4将所述第一基频光和所述第二基频光整合成一路，再经过第二反射镜3折返后成为所述入射基频光。

整个的优化过程可以理解为：

首先，选定高折射率膜层材料和低折射率膜层材料；并以第一基本膜系结构设计所述第一侧面11的第一基膜，所述第一基本膜系结构为：Sub/x

然后，将所述入射基频光由所述第一基膜射入所述激光和频器件，基于x

接着，将第一初始膜系结构中的各膜层厚度作为第二初始膜系结构中的各膜层厚度，以所述第一初始膜系结构在所述第一侧面11设计第一初始膜，在所述第二侧面12设计第二初始膜；所述第二初始膜系结构为：Sub/x

接着将第一侧面在出射和频激光波长处的吸收率作为控制目标，以晶体为入射介质、空气为出射介质，对第一初始膜系结构中的各膜层厚度优化，得到优化后的第一初始膜系结构中的各膜层厚度，记为x

重点优化第一侧面的吸收率的原理解释：基于对实际工作中光路传输的分析，以及对电场在“薄膜-基板-薄膜”系统中分布情况的计算可知，即便是基板(和频晶体1)两侧薄膜的膜系结构完全相同，电场强度分布也存在较大差异，第一侧面11的电场强度要高于第二侧面12的电场强度，而且和频输出波长更靠近短波方向，根据消光系数色散规律，该波长处吸收率更大，因此，需重点优化和频晶体1第一侧面11的吸收率，即和频激光出射侧增透薄膜的吸收率。

接着，基于所述第二初始膜系结构中的各膜层厚度x

具体地，A1e(λ)为第二吸收率，A1i(λ)为第三吸收率，T1(λ)为第一侧面11的透射率，在出射和入射两方向上相等；A2(λ)为第一吸收率，T2(λ)为第二侧面12的透射率，在出射和入射两方向上相等；膜层材料均为氧化物薄膜材料，波长范围为400nm～1500nm。所述第一吸收率为所述第一初始膜由晶体出射方向对激光的吸收率；所述第二吸收率为所述第二初始膜由晶体出射方向对激光的吸收率，所述第三吸收率为所述第二初始膜由晶体入射方向对激光的吸收率，

针对x

上述获得的x

进一步地，针对x

本方案中涉及的激光和频器件的使用环境具体为：第一LD泵浦源9的种子光注入第一非线性晶体7，激发波长为λ

λ

进一步地，晶体和频过程光路如图2所示，第一反射镜2对于λ

进一步地，LBO晶体两侧的增透薄膜结构的示意图如图1所示，两侧增透薄膜的设计不但要求高透过率，还必须具有较低的吸收率，以降低光热力耦合破坏作用。如图2所示，入射基频光经由第一侧面11的增透薄膜结构入射到LBO晶体，产生的和频激光或在第二侧面12的增透薄膜结构或在第一反射镜2处折返后，再经第一侧面11的增透薄膜结构和第二反射镜3输出。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供一种具体实施的方法，具体过程如下：

1)第一基频光的波长λ

2)所选高、低折射率膜层材料折射率分别如图3和图4所示，Ta

3)对膜系结构Sub/x

4)针对第一初始膜系结构的Sub/0.5704H 0.3230L 1.4825H 1.3544L/Air重点进行吸收率优化，将入射介质改为LBO晶体材料，出射介质改为空气，计算结果为Sub/0.5401H0.3368L 1.4772H 1.3498L/Air，即x

5)针对第二初始膜系结构Sub/0.5704H 0.3230L 1.4825H 1.3544L/Air再次进行吸收率控制优化，将589nm处透射率范围限定在70％～80％之间，采用遗传算法寻优，计算结果为Sub/0.4888H 0.4650L 1.0331H 1.4385L/Air；

6)则最终膜系设计结果为x

最终的实验结果：基频光1064nm和1319nm处，系统整体透过率分别为99.63％和99.60％；第一侧面的和频光589nm处，透过率为99.87％。

整体吸收率由传统设计方法的1327ppm降低到840ppm，第一侧面的第一吸收率由669ppm降低到462ppm，达到了预期效果。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。