红光Nd：YAG激光器用光学薄膜的研制

第３１卷第２期　长春理工大学学报（自然科学版）　ＶＯ１＿３１　Ｎｏ．２　２００８年６月　Ｊｏｕｒｎａ１　ｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａ￣ｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｊｕｎ．２００８　红光Ｎｄ：ＹＡＧ激光器用光学薄膜的研制　黄庆新，付秀华　（长春理工大学光电工程学院，长春１３００２２）　摘要：从产生６６０ｎｍ红光Ｎｄ：ＹＡＧ激光器制作机理出发，分析了其使用的几种光学薄膜，采用光学薄膜理论的　矢量合成方法，利用计算机膜系设计软件优化，并经过适当修正后得到便于控制的短波通膜系、－－４ｆ￣高反射膜　．系，选择适当的薄膜材料和工艺参数，制备出与理论计算结果相吻合的几种光学薄膜，满足技术指标要求。　关键词：Ｎｄ：ＹＡＧ激光器；光学薄膜；膜系设计；二倍频　中图分类号：ＴＮ３０４．０５５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９８７０（２００８）０２—００４０—０３　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍｓ　ｆｏｒ　Ｒｅｄ　Ｎｄ：ＹＡＧ　Ｌａｓｅｒ　ＨＵＡＮＧ　Ｑｉｎｇｘｉｎ，ＦＵ　Ｘｉｕｈｕａ　（Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ６６０ｍｎ　ｒｅｄ　Ｎｄ：ＹＡＧ　ｌａｓｅｒ，Ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆｏｐｔｉｃａｌ　ｔｈｉｎ　ｉｆｈｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｕｓｉｎｇ　ｖｅｔｏｒｉａｌ　ｒｅｓｕｌｔａｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｏｐｔｉｍｉｚａ－　ｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｆｔｅｒ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ａｍｅｎｄｍｅｎｔ，ｗｅ　ｈａｖｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ　ｆｉｌｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｐａｓｓ　ａｎｄ　ｄｏｕｂｌｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｈｉｇｈ　ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ，ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｇｏｏｄ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｆｉｌｍｓ　Ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｎｄ：ＹＡＧ　ｌａｓｅｒ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍｓ；ｄｅｓｉｎｇ　ｏｆｆｉｌｍ　ｓｙｓｔｅｍ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｕｂｌｅｄ　６６０ｎｍ红光作为三元色光之一，在激光彩色显　下，Ｎｄ：ＹＡＧ激光器中１０６４ｎｍ波长最先起振，在　示、激光全彩色电影和科学实验中都有重要应用，　激光振荡建立过程中模式问相互竞争，消耗了大量　其在医疗上也有着非常重要的应用，光动力学治疗　反转粒子数，从而削弱了１３１９ｎｍ波长振荡　］。因　恶性肿瘤所要求的光波长一般为６００ｎｍ－８００ｎｍ，其　此，要在Ｎｄ：ＹＡＧ激光器中实现１３１９ｎｍ波长输　原因是长波可以提供治疗窗口，即其光谱介于血红　出，必须采取措施抑制１０６４ｎｍ波的激发，通常是　蛋白吸收和水吸收之间的区域，从而使光在组织结　利用光学薄膜来解决这个难题。　构中的穿透距离更长，而６６０ｎｍ波长的红光，很接　图１是输出６６０ｎｍ激光的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器谐振　近第二代光敏剂的吸收峰（６７０ｒｉｍ或６９０ｎｍ），适　腔示意图，其中Ｍ　为全反射镜，Ｍ　为输出镜，　合作为光动力治疗的光源…。　Ｍ　、Ｍ　为反射镜，材料均采用Ｋ９玻璃。Ｍ　左表　在Ｎｄ：ＹＡＧ激光器中通常采用１３１９ｎｍ激光通　面镀１０６４ｎｍ减反射膜，右表面镀１０６４ｎｍ高透射　过晶体倍频输出６６０ｎｍ红光，这是获得高功率红光　且１３１９ｎｍ高反射膜；Ｎｄ：ＹＡＧ左右两端面均镀　的有效方法。所以，要得到６６０ｎｍ的红光，首先应　１０６４ｒｉｍ和１３１９ｎｍ减反射膜；Ｍ：左表面镀６６０ｎｍ　激发出１３１９ｎｍ波长的光，由于Ｎｄ：ＹＡＧ激光器在　高透射且１３１９ｎｍ高反射膜，右表面镀６６０ｎｍ减反　１０６４ｎｍ波长起振阈值低，介质增益大，一般情况　射膜；Ｍ　左表面镀１０６４ｎｍ减反射膜，右表面镀　收稿日期：２００７－１１—２２　基金项目：国家８６３计划资助项目　作者简介：黄庆新（１９８２一），男，硕士研究生，主要从事平板偏振薄膜的设计与制备的研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇ０５２７＠ｓｉｎａ。ＣＯＮ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

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４２　长春理工大学学报（自然科学版）　２００８正　—　ｆ　近。而折射率在２附近的薄膜材料一般可以使用　ＺｒＯ：、ＨｆＯ：等，考虑到ＨｆＯ：材料的激光损伤阈值　更高，选择它作为第一层材料。设计的膜系结构为　Ｓ／ＨＭＬ／Ａ，Ｈ代表Ｈ　：，Ｍ代表Ａ＿ｌ２Ｏ　，Ｌ代表　　：｛　Ｖ　、　ｌ　…”　“”…“　…＊　……　…　ＳｉＯ：。折射率和膜层厚度的变化对剩余反射率的影　响较大，在制备时应严格控制工艺参数，使其重复　性大，从而得到稳定的折射率，并减少膜层厚度的　图６理论设计光谱曲线　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ　ｃｕｒｖｅ　图７实际测试光谱曲线　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ　ｃｕｒｖｅ　Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　Ｆｉｇ．７　Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　误差。采用光电极值法和石英晶体振荡法同时进行　层没有吸收，即折射率为一实数，二是忽略光的高　监控，ＨｆＯ：采用８ｋＶ电子枪蒸镀，蒸发束流约为　级次相干，即看作是双光束干涉。　９０ｍＡ，速率控制在０．３ｎｍ／ｓ左右，Ａ＿ｌ２Ｏ，采用８ｋＶ　垂直入射时，要达到增透效果，应使水平轴与　电子枪蒸镀，蒸发束流约为１００ｍＡ，速率控制在　垂直轴反射光的合振幅为零，满足以下方程［３　：　０．６ｎｒｎ／ｓ左右，ＳｉＯ：采用８ｋＶ电子枪蒸镀，蒸发束　＝ｒｏ＋∑　ｃｏｓ２∑　＝０　（１）　流约为８０ｍＡ，速率控制在０．５ｎｍ／ｓ左右，制备过　∑ｒ￣ｓｉｎ２∑　＝０　（２）　程中使用离子源，以提高材料的折射率，并使膜层　式中，　为第一层膜的反射系数；　＝（　一　１）／　有更好的致密性。实际镀制结果为　。＜０．３％，　（　１），为第ｉ层膜的反射系数；　ｆ＝　，为第ｉ　Ｒ　＜０．１％，基本满足使用要求，如图９所示。　层膜的位相厚度；ｉ＝１，２，３……。　－，　如果要求在　。与２　处同时增透，则　与２２　对应　的相邻两光束位相差应满足方程（１）和（２），即相邻两　＼　一　●　光束位相差的余弦值必须相等，正弦值相等或互为　相反数，假设　。处对应的相邻两光束位相差为２　／　弓—－．－．一　…………　…………。　，则２　处对应的相邻两光束位相差为２（　一　），　ｋ为正整数，因为ｃｏｓ２＆　＝ｃｏｓ２（ｋ￣－＆．），ｓｉｎ２＆Ｉ＝一　图８二倍频增透膜的矢量图　图９二倍频增透膜测试曲线　Ｆｉｇ．８　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｕｂｌｅｄ　Ｆｉｇ．９　Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｓｉｎ２（ｋ￣一　），可同时满足方程（１）和（２）。　ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｖｅｃｔｏｒ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｕｂｌｅｄ　ａｎｔｉ—　在两个波长同时满足方程（１）和（２）的膜系至少需　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｃｏａｔｉｎｇ　要三层膜，为了便于折射率的选择和镀膜工艺易于　控制，采取三层膜来设计，并假设各膜层的光学厚　４结论　度为设计波长　的１／４，即　＝　：　＝　，　。／４，进一　从激光器的原理出发，分析出几种较难设计与　步转化为　－２。　．＝２２。　：，从而得到　＝２（　一　．）＝刀　制备的光学薄膜，经过理论计算并优化、修改后，　ｏ／２２。，ｋ￣３，６，９……。　得到合理的膜系，选择适当的膜层材料和工艺参数　通常选择厚度较薄的膜系，可取ｋ＝ｌ，即　＝　后，镀制出满足使用要求的各种激光薄膜。所需进　／３，　＝４２。／３，其矢量图如图８所示。　一步克服的技术难点有两个，一是由于所有薄膜均　忽略材料的色散，假设从空气到基底膜层材料　是在激光器中使用，提高其激光损伤阈值是务必解　的折射率依次为　、　：、　将已知量代人方程（１）　决的重要课题；二是在晶体上镀膜，改善基底与膜　式，可以得到三种材料的折射率关系为：（Ｈ２）　＝　层之间的附着力也是所要解决的难点之一。　．　。若选择最外层材料为ＳｉＯ：，取其折射率值　。　参考文献　＝１．４６，基底材料为ＬＢＯ晶体，其折射率范围为　１．５６～１．５９，联立方程（１）和（２），可以得到　：的取值　［１］王勇，李正佳，朱长虹，等．一种高功率红光光动力治疗激　范围为１．６９～１．７５，　的取值范围为１．９６～２．０９。　光器系统［Ｊ］．激光杂志，２００３，２４（５）：８１—８２．　在现有的薄膜材料中，折射率在１．７左右的材　［２］王涛，姚建铨．Ｎｄ：ＹＡＧ激光器多波长输出技术与应用　料很少，如果通过混合蒸镀高低折射率两种材料来　研究［Ｊ］．河北工业大学学报，２００４，３３（３）：１－６．　［３］谭天亚，黄建兵，占美琼，等．ＬＢＯ晶体上１０６４ｒｉｍ，５３２　实现，这样工艺上较难控制，通常使用Ａｌ２Ｏ，代替，　ａｍ二倍频增透膜的设计及误差分析［Ｊ］．中国激光，　经过适当改变工艺参数，可以使得其折射率较为相　２００６，３３（２）：２４２－２４６．