據(jù)悉，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的一個(gè)研究小組提出了一種具有混合層和新型三明治狀結(jié)構(gòu)界面的新設(shè)計(jì)，可以滿足理想二向色性激光鏡的挑戰(zhàn)性要求。該研究文章發(fā)表于2021年1月27日的Photonics Research上，并被編輯選為雜志重點(diǎn)推薦。

二向色激光鏡通常用作諧波分離器、光束組合器或光束分離器，并在許多激光應(yīng)用中起重要作用，包括慣性約束聚變(inertial confinement fusion,ICF)激光器、拍瓦飛秒激光器、高功率光纖激光器、緊湊型調(diào)激光器或鎖模激光器以及其他新興激光器。用于大功率激光器的理想二向色性激光鏡需要在兩個(gè)不同的波長(zhǎng)處具有顯著不同的反射或透射特性以及較高的激光誘導(dǎo)損傷閾值(laser-induced damage threshold,LIDT)。

不幸的是，由交替的高折射率和低折射率（）純材料組成的傳統(tǒng)二向色激光鏡(traditional dichroic laser mirror,TDLM)經(jīng)常難以同時(shí)在兩個(gè)波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)出色的光譜性能和高LIDT。通常，通過(guò)交替電子束沉積的HfO2層和SiO2層實(shí)現(xiàn)用于UV-NIR激光應(yīng)用的TDLM。有時(shí)，選擇Al2O3代替HfO2作為高折射率材料，這顯示出改進(jìn)的LIDT，但需要相對(duì)較大的涂層總數(shù)。

在所需的光學(xué)性能和LIDT之間需要權(quán)衡，因?yàn)楹线m的候選涂層材料受到限制。近年來(lái)，通過(guò)共蒸發(fā)或共濺射氧化物混合物擴(kuò)展了可用涂層材料庫(kù)?；旌喜牧蠟檠芯咳藛T提供了可調(diào)節(jié)的光學(xué)間隙值和光學(xué)常數(shù)，顯示出優(yōu)于純材料的性能，并且對(duì)許多應(yīng)用具有吸引力。除了涂料本身之外，還必須考慮傳統(tǒng)離散界面的界面相關(guān)問(wèn)題，這是影響LIDT的關(guān)鍵因素之一。與傳統(tǒng)的離散界面相比，具有漸變折射率的共蒸發(fā)界面顯示LIDT顯著增加。因此，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)混合材料并優(yōu)化界面，期望實(shí)現(xiàn)適用于高功率激光器的理想的二向色性激光鏡。

在這里，研究人員使用混合材料和新穎的三明治狀界面來(lái)滿足二向色性激光鏡的挑戰(zhàn)性要求。首先，將HfO2-Al2O3混合涂層與純HfO2和Al2O3單層涂層以及HfO2-Al2O3納米層壓涂層進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)和機(jī)械性能的比較。然后，設(shè)計(jì)并制備了基于混合的二向色激光鏡(mixture-based dichroic laser mirror, MDLM)，它使用HfO2-Al2O3混合材料作為高折射層，具有可調(diào)節(jié)的折射和光學(xué)帶隙，并使用純SiO2作為低折射材料。

MDLM設(shè)計(jì)的示意圖如圖1所示。SiO2層與HfO2-Al2O3混合層之間的界面為夾心結(jié)構(gòu)界面，可以用“SiO2-HfO2梯度材料|HfO2|HfO2-Al2O3梯度材料”表示。這種安排使MDLM設(shè)計(jì)在兩個(gè)波長(zhǎng)下具有出色的光譜性能和高LIDT。研究人員使用電子束蒸發(fā)制備的MDLM設(shè)計(jì)策略顯示出比TDLM更高的性能，并為各種激光鍍膜開(kāi)辟了新途徑。

圖1. 基于混合膜層和類三明治結(jié)構(gòu)界面的二向色鏡設(shè)計(jì)示意圖

圖2. MDLM涂層沉積過(guò)程示意圖

1. 純單層、納米疊層和混合涂層的性能

已經(jīng)制備了HfO2-Al2O3混合涂層，并與HfO2和Al2O3單層涂層以及HfO2-Al2O3納米層壓涂層進(jìn)行了比較。已經(jīng)研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。在HfO2單層涂層的XRD圖譜中獲得了多個(gè)指示結(jié)晶度的尖銳衍射峰。在納米層壓板和混合物涂層中觀察到21.8°和31.4°處的兩個(gè)寬峰，這歸因于非晶態(tài)熔融SiO2基質(zhì)和HfO2。當(dāng)HfO2子層越薄，在2 = 31.4°處的峰越不明顯。

2. 具有類似三明治結(jié)構(gòu)的界面的基于混合物的二向色性激光鏡

MDLM涂層的設(shè)計(jì)是在720±1064 nm的入射角范圍內(nèi)，在527±15 achievenm處的polar偏振反射率（Rs）高于99.5％，在720至1064 nm范圍內(nèi)的偏振透射率（Tp）高于98％。這種MDLM涂層可在聚變級(jí)激光器中用作1和2諧波分離器，或者在拍瓦級(jí)Ti藍(lán)寶石激光器系統(tǒng)中用作泵浦/信號(hào)光束分離器。

▲圖3. TDLM和MDLM設(shè)計(jì)二向色鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。（a）XRD譜；（b）透射光譜（左：0°入射；中：p偏振光，45°入射）和反射光譜（右：s偏振光，45°入射）；（c）鍍膜前后的面形；（d）劃痕測(cè)試后的表面和剖面形貌；（e）單脈沖激光損傷概率。

MDLM與TDLM相比，具有出色的光譜性能和更高的性能，具有更好的機(jī)械性能，更低的吸收率和更高的LIDT。對(duì)于波長(zhǎng)為532 nm的s偏振7.7 ns脈沖和波長(zhǎng)為1,064 nm的p極化的12 ns脈沖，LIDT幾乎翻了一番。

▲圖4. 通過(guò)SEM成像的損傷形態(tài)和通過(guò)FIB測(cè)量的標(biāo)記區(qū)域的深度輪廓。（a）和（b）受損區(qū)域的完整視野。（c）–（i）標(biāo)有星號(hào)的典型受損部位。（j）–（m）偏振1064 nm激光照射后的損傷形態(tài)示意圖。

▲圖9. EDS表征了1064 nm -偏振激光誘導(dǎo)的TDLM涂層和MDLM涂層受損部位的化學(xué)成分

總而言之，研究人員已經(jīng)提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了一種具有混合物層和類三明治結(jié)構(gòu)界面的新型MDLM涂層。在兩個(gè)感興趣的波長(zhǎng)下，LIDT幾乎是TDLM涂層的兩倍，原因如下：首先，MDLM涂層中的混合物層具有較大的光學(xué)帶隙和較低的吸收率，從而在相同能量密度的激光照射下，溫度上升幅度較小；第二，類似三明治的結(jié)構(gòu)界面使MDLM涂層具有增強(qiáng)的機(jī)械性能。我們相信，所描述的概念為改進(jìn)二向色鏡涂層和其他激光涂層開(kāi)辟了新途徑，并且可以使依賴于高質(zhì)量激光涂層的激光技術(shù)的許多領(lǐng)域受益。

本文來(lái)源：Tingting Zeng et al. Dichroic laser mirrors with mixture layers and sandwich-like-structure interfaces, Photonics Research (2020).