基于硒化锌基底激光合束镜的研究_檀承启.pdf

收稿日期：2022-10-28第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022按工作介质不同，激光器分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器等1。其中二氧化碳激光器是较为常见的一种激光器。二氧化碳激光器所用的增益介质是混了氦气和氮气的二氧化碳，可输出中心波长为 9.6 m 和10.6 m的远红外激光。二氧化碳激光器的能量转换率高，输出功率可从几瓦到几万瓦，加上极高的光束质量，使得二氧化碳激光器在材料加工、科研、国防及医学方面均有着广泛应用2。在实际应用中，通常不会仅使用一种激光器进行单独工作，而是采用多波段激光组合使用的方式，使其各司其职，共同实现所需求的技术目标。在通常情况下，由于作用不同，不同激光器所产生的激光应有其各自的光路，但是在一些较小或内部空间较为紧凑的设备中，并不能支持多光路系统的搭建。此时可镀制合束镜，依据其表面薄膜对不同波长的光的透射、反射性能的差异，将两束或更多不同中心波长的激光合为一束，以精简光路，减小光路所占空间，其结构如图1所示3。光学设计 基于硒化锌基底激光合束镜的研究檀承启1，谢欣2，张守立1，孙宏宇1，程伟宁1（1.中国电子科技集团公司光电研究院，天津；2.空军装备部驻天津地区第三军事代表室，天津）摘要：为了满足精简多波段激光设备光路的技术需求，选取ZnS、YbF3两种材料，在ZnSe基底上完成了45入射条件下长、短波红外合束镜的设计。引入修正系数，结合误差分析，解决了测量光谱与设计曲线不吻合的问题。最终制备的合束镜在入射角为45时，在=（10.60.2）m波段透过率95%，在=（78010）nm、（80810）nm、（88010）nm、（91510）nm波段反射率97%，在=630680 nm波段的透过率约为41.825%。所制备的合束镜具有良好的环境适应性，满足系统的技术需求。关键词：光学薄膜；合束镜；分光膜；硒化锌中图分类号：O484文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0013-05Research on Laser Beam Combiner Based on Zinc Selenide SubstrateTAN Chengqi1，XIE Xin2，ZHANG Shouli1，SUN Hongyu1，CHENG Weining1(1.Academy of Opto-Electronics,China Electronics Technology Group Corporation(AOE CETC),Tianjin,China;2.The Third Military Representative Office in Tianjin of The Air Force Equipment Department,Tianjin,China)Abstract:In order to meet the technical requirements of simplifying the laser optical path of multi-band laserequipment,two materials such as ZnS and YbF3are selected to complete the design of long-wave and short-wave infrared beam combiners under the condition of 45 incident on the ZnSe substrate.The correction coefficient is introduced,and the measurement spectrum is analyzed.The reason for the inconsistency with the design curve,and the error is solved in combination.When the incident angle of the final beam combiner is 45,the transmittance in the（10.60.2）m band is more than 95%,and the reflectivity in the（78010）nm,（80810）nm,（88010）nm,（91510）nm bands is more than 97%,the transmittance in the 630680 nm band is about 41.825%.The prepared beamcombiner has good environmental adaptability and meets the technical requirements of the system.Key words:optical Film;beam combiner;spectroscopic film;ZnSe光电技术应用第37卷由图1可见，长波激光器与短波激光器相互垂直放置，合束镜呈45摆放在光路交点处。合束镜的正面镀制一层对长波增透、短波高反的分光膜，使长波激光经过合束镜后与被反射的短波激光合为一束，一同进入工作光路中。同时为了提升长波激光的透过率，合束镜的反面应镀制一层对长波激光具有增透效果的薄膜。且由于长波激光与短波激光均为红外光，不可直接被人眼观察，故为了方便调试，合束镜反面薄膜应同时具备630680 nm波段的分光效果，用以指示光路。1膜系设计1.1技术参数根据长短波激光合束镜的技术需求确定合束镜的技术参数如表1、表2所示。表1 分光膜的技术参数参数入射角度770790 nm798818 nm870890 nm905925 nm10.410.8 m指标45R97%R97%R97%R97%T95表2 减反射膜的技术参数参数入射角度630680 nm10.410.8 m指标453:7T:R99%1.2材料的选取1.2.1基板的选取在红外波段常用的基底材料有 Si、Ge、ZnSe等，其中 Si、Ge 材料的禁带宽度分别为 1.12 eV、0.66 eV，均小于1.61 eV，说明其在可见光波段有吸收，表现为不透光。而实验需要薄膜在630680 nm波段分光，用以指示光路，故选择ZnSe材料作为基底镀制薄膜。硒化锌（ZnSe）是一种多晶材料，杂质含量极低，呈透明淡黄色。其禁带宽度为2.7 eV，透光范围0.515 m，在常用光谱范围内基本无散射现象发生4。由于ZnSe材料在红外波段拥有较低的吸收系数和较高的耐热膨胀系数，通常作为基板，在其上镀制光学薄膜，以制作红外系统中的窗口、透镜等光学器件。由于其对10.6 m附近的长波红外光吸收很小，并且能承受较高强光照射，故ZnSe是制作高功率CO2激光器系统器件的首选材料5。1.2.2镀膜材料的选取在红外光波段内，常用的高折射率材料有ZnSe，ZnS，Ge和Si等6，其中由于吸收问题，可先排除 Ge 与 Si。在 ZnSe 与 ZnS 中，ZnSe 相对较软，而ZnS纯度高、不溶于水、密度适中，是一种折射率均匀性和一致性较好的材料，具有优良的光学、电学、热学特性7，故选择ZnS作为实验的高折射率材料。其折射率随波长的变化如图2所示。常用的红外低折射率材料SrF2，BaF2，CaF2等材料较软，强度较差且易吸潮8。曾有报道，使用ThF4对以上材料进行代替，虽然ThF4的光学性能良好，透射光束输出光束反射光束短波输入光束输入光束长波图1 长短波红外合束镜结构示意图3.02.52.01.51.0Refractive index2 0004 0006 0008 000 10 000Wavelength/nm图2 ZnS的折射率14第6期檀承启等：基于硒化锌基底激光合束镜的研究机械强度较高，但是其具有强放射性9，故不予考虑使用。经查阅资料，可知与 ThF4的折射率较为接近的材料有 YF3和 YbF3，而且其硬度较高，可以满足使用需求。而在同等膜厚下，氟化钇的内应力大于氟化镱，更易导致脱膜的情况发生，故最终实验所用低折射率材料选用材料YbF3。其光学常数如图3所示10。1.3膜系设计依据合束镜工作原理及实际使用需求，分光膜的目标入射角度为45时，在（10.60.2）m波段的透过率95%，在（78010）nm、（80810）nm、（88010）nm、（91510）nm波段的反射率97%，同时为了增加透射光的强度，需在后表面膜层镀制（10.60.2）m波段的减反射膜，且满足630680 nm波段的透反比在3：7与7：3之间。1.3.1分光膜膜系设计使用膜系设计软件Essential Macleod进行辅助优化设计，设定中心波长为 930 nm，入射角度为45。输入基础膜系（0.5H L 0.5H）12，依据技术要求输入光谱目标，设置目标误差0.01、权重为5，对目标进行优化，得到优化后的膜系结构为Sub丨6.5 H1.23 L 2.09 H 0.36 L 3.33 H 0.54 L 1.48 H 0.22 L4.13 H 1.07 L 0.86 H 1.12 L 0.82 H 1.16 L 0.79 H1.16 L 0.81 H 1.14 L 0.83 H 1.1L 0.88 H 1.05 L 0.98 H丨Air，其中Sub代表基板即出射介质ZnSe；Air代表空气即入射介质；H、L分别代表光学厚度为/4的高、低折射率材料ZnS与YbF3。优化后所得膜系共23层，厚度约为4 000 nm，设计光谱如图4所示。当入射角度为 45时，薄膜在（78010）nm、（80810）nm、（88010）nm、（91510）nm波段的平均反射率分别为98.07%、97.39%、97.41%和97.72%，在（10.60.2）m的平均透过率为 95.83%，满足设计指标需求。1.3.2减反射膜膜系设计后表面膜系的基础膜系为（0.5H L 0.5H）8，中心波长750 nm，经过优化后所得膜系为Sub丨0.35 H1.71 L0.72 H1.11 L0.56 H3.54 L0.25 H5.54 L0.22H1.09 L0.42 H1.12 L0.12 H 丨 Air，膜系共 13 层，总厚度约为1 950 nm，其在630680 nm波段的平均透过率为49.9%，在（10.60.2）m波段的平均透过率为99.41%，满足设计指标需求。2薄膜制备实验所使用的镀膜机为ZX1350G型真空镀膜2.01.51.00.50.0Refractive index2 0004 0006 0008 00010 000Wavelength/nm图3 YbF3的折射率100806040200Transmittance/（%）Wavelength/nm2 0004 0006 0008 00010 000（a）透射光谱100806040200Reflectance/（%）Wavelength/nm2 0004 0006 0008 00010 000（b）反射光谱图4分光膜设计光谱15光电技术应用第37卷机，该设备配有三个分子泵、两个e型电子枪、一个Polycold和一个射频离子源。在薄膜的制备过程中，使用晶振法对薄膜的沉积厚度进行监控，通过石英晶振片的振动频率进行监测，即可实时记录已沉积的薄膜厚度。为提升薄膜的牢固度与沉积密度，实验选用射频离子源进行辅助沉积。其具有能量高、能量分布均匀性好、工作时间长、污染小等优点。射频离子源由射频电源供电，并通过匹配器进行自动匹配，产生等离子体，在栅网作用下引出离子束。实验离子辅助沉积工艺参数如表3所示。表3 离子源辅助沉积工艺参数参数Beam Current/mABeam Voltage/VACC Voltage/VRFN FwPw/WRFN Gas/SccmRF