632.8 nm 单色光高反膜设计及性能研究

赵亚丽，孟 宇，赵雁冰，韩建新

（晋中学院α.材料科学与工程系；b.物理与电子工程系，山西 晋中 030619）

将入射光尽可能全部反射的光学多层膜称为高反膜.随着激光器的日趋普及，单层金属膜已不能满足使用需求，如高性能多光束干涉仪中的反射膜和激光谐振腔的反射膜，要求同时具备高反射率和低损失的特征.与单层金属薄膜相比，多介质反射薄膜具有高反射率与低吸收率，已成为高功率激光器谐振腔中反射膜的首选［1］.

在光学仪器研制进程中，光学薄膜的设计与制备占据越来越重要的地位.近几年，人们对各类高反膜的设计与研究从未间断过［2～4］.其中杨帆、路达在《多层介质高反膜理论设计与光学特性分析》中借助膜系设计软件提出了多介质高反膜的膜层厚度的误差控制的参考范围，具有实用性［5］. 严晖在《高反膜的高精度研制研究》中对多层薄膜的反射率变化建立在理论模型的基础上，对薄膜间的损失进行深入探讨，找到了降低膜内损失而提高膜层表面光学性能及品质的方法［6］.他们的研究对本课题的开展打下基础，同时，在研究过程中发现了一些缺陷：如理论上反射率随膜层层数的增添有望达到100%，事实上最高反射率会受到膜层吸收和散射损耗的影响.因此，急需研制一种反射性能优良的介质薄膜体系应用于光学基片上.

针对氦氖激光器中的谐振腔对反射率的要求，本论文旨在设计特定波长（632.8 nm）的单色光高反射光学薄膜. 通过TFCalc 和Origin 软件进行计算和数据分析，对多层介质高反膜组分、膜层厚度和层数等对其反射性能的影响进行计算研究，在此基础上，对膜层结构进行优化，寻求较佳的膜层结构，以实现低损耗和高反射兼容的目的，同时满足激光器膜层高损伤阈值的要求.

1 制定研究方案和方法

1.1 研究对象

目前高反射膜主要有金属反射膜、金属-介质反射膜和全介质反射膜三种，其性能见表1［7］. 单层金属膜损耗较大，不能满足激光使用高反射低损耗双重需求.

表1 高反射膜的种类

通过表1 可得，和含金属薄膜相比，全介质反射膜具有低损耗和高反射的特点，为此，选用全介质膜层结构以达到低损耗和高反射双重需求.根据薄膜干涉知识，选用一种由ZnS 和MgF2构建的λ/4n 膜堆.ZnS 折射率较高，为2.269 4，同时在380 ～25 000 nm 都具有较高透过率（低损耗）［8］；而MgF2的折射率较低，为1.369 8，在140～10 000 nm 区域内具备较高透过率（低损耗）［9］.为此，根据632.8 nm 单色光高反膜设计要求，确立ZnS 和MgF2全介质周期性（HL）S膜堆为研究对象，见图1所示：

图1 ZnS 和MgF2 全介质周期性（HL）S 膜堆

其中H 和L 分别代表高低折射率的膜层，在本文中分别为ZnS 和MgF2膜层. S 为膜堆的周期数.λ/4n 膜堆是由多个高低折射率的膜层周期循环叠加组成［10］.

1.2 研究方法和技术途径

本论文主要是完成ZnS 和MgF2膜厚和膜层层数等参数的优化设计，同时开展其入射角度对其反射率性能影响规律的研究. 在此基础上，筛选出满足632.8 nm 单色光高反膜的膜层结构.

本论文采用TFCalc 光学薄膜设计软件.TFCalc是光学薄膜设计和分析的通用工具，可用于设计各种类型的膜系［11］，支持各种膜系的建模，模拟各种类型的光照（如锥形光束、随机辐射光束等），不仅能对反射率、透过率、吸收率、椭偏参数进行分析，还能对膜系反射和透过颜色进行分析，它集合了各种分析功能，还可以和Matlab 等其他软件一起使用，支持对膜系性能的分析［12～14］.TFCalc 的界面非常人性化，薄膜设计工程师利用菜单、对话框和窗口来输入并显示结果.TFCalc 已成为光学薄膜设计工程师中使用最广泛的软件.同时采用Origin 函数绘图软件对数据进行数据分析.

2 结果和讨论

2.1 膜层厚度对（HL）S 高反射膜反射性能的影响

根据薄膜干涉理论，当高低折射率膜层光学厚度分别为λ/4 时，会产生干涉相长，反射率最大.其中λ 代表波长632.8 nm. 此时，ZnS 和MgF2膜厚分别为67 nm 和115 nm.为了论证这一结论，将（HL）S膜堆的周期数设定为6. 其中HL 是标准λ/4n 膜堆，而H0.8L 代表其ZnS 和MgF2膜厚分别为1 个和0.8 个λ/4n 膜厚，其他依次类推.

当膜层结构分别为HL、1.1H0.9L、1.2H0.8L、1.5H0.5L、1.7H0.3L 时，从图2 发现，当光垂直入射时相邻界面反射光光程差皆为λ.和（HL）相比，1.1H0.9L、1.2H0.8L、1.5H0.5L、1.7H0.3L 的 反 射 率下降，反射频带变窄.且光学厚度愈偏离λ/4，反射率降低越明显，反射带愈窄，当结构分别为：1.1H0.9L 和1.2H0.8L 时，其反射率与λ/4n 膜堆HL 相比拟.但当其周期结构为1.7H0.3L 时，其最高反射率只有85%. 反射带中心波长随ZnS 膜厚增加而相应红移，但红移不明显.和其他几组样品相比，H0.8L 相邻界面反射光光程差为0.9λ，它的反射带发生明显蓝移.可见，反射带中心波长和每周期整体膜厚有关.当光入射时，每周期反射光和入射光光程差满足λ 时，反射最大.而其高低折射率膜厚分别为λ/4n 时，可获得较高的反射率和较宽的反射带.随其膜厚偏离其λ/4n 时，反射性相应降低，反射带也相应变窄.

图2 不同膜层堆的反射率

2.2 层数对其（HL）S 高反射膜反射性能的影响

为了研究其（HL）S层数对其反射率的影响，对不同层数λ/4n 膜堆的反射性能进行计算，见图3所示. 从图3 可得，无论膜层层数是偶数还是奇数，其反射率都随膜层层数增加而相应提高. 当膜层层数从3 层增加到5 层，再到7 层时，反射率从65%增加到85%，再到95%.同样，偶数层的膜层堆也随膜层层数增加而明显增强. 另外，当膜层层数由3 层增加到4 层时其反射率并没有提高，反而从65%降到45%.同样，当膜层层数分别为5层和7 层时，其反射性也分别优于膜层层数为6 层和8 层的膜系.可见其奇数层膜堆反射性能优于偶数层的膜堆.其主要原因是膜层层数为奇数时，膜层最外层为ZnS 膜层.这样，光从空气直接入射到高折射率材料中，反射率相应增强.为此膜层层数选择为奇数层（最外层为高折射率膜层）时，λ/4n全介质膜堆的反射性较好.

图3 不同层数的λ/4n 的（HL）S 的反射性能

为此确立膜层层数为奇数层，随后进一步研究了其膜层层数分别为11、13、15 和17 层时的反射率，如图4，发现随膜层层数增加，其反射率并没有明显增强.为此，膜层层数设定为11 层以上的奇数层对应周期数为5.5，结构为（HL）5.5.

图4 层数为奇数层11、13、15 和17 层光学厚度λ/4 膜堆的反射率

2.3 入射角（HL）S 高反射膜反射性能的影响

下面研究入射角度对（HL）5.5膜层结构反射率性能的影响.

如图5，研究表明：随入射角增加，一方面反射带中心波长发生蓝移；另一方面反射带带宽变窄.这种现象可用薄膜干涉理论来解释，其中心波长对应波长满足式（1）时，发生干涉相长，反射最强［15］.

图5 不同入射角下,11 层λ/4n 的（HL）s 的反射性能

其中n 代表介质ZnS 或MgF2在中心波长处的折射率，而d 为ZnS 或MgF2膜厚，i 为折射角.当入射角增加，折射角i 也会相应增加，在ZnS 或MgF2膜厚一定的条件下，使得各k 级所对应的值也相应减小，从而使得反射峰蓝移.当其入射角为0°时，在550～750 nm 波长范围内，反射率皆大于95%.当其入射角为60°时，在475～575 nm 波长范围内，反射率大于95%.随入射角增大，反射带明显变窄.

为了进一步研究不同入射角度下，其λ/4n 膜堆膜层结构对单波长632.8 nm 反射率的影响规律，采用TFCalc 对不同层数的λ/4n 的（HL）S的性能进行计算，计算结果见图6 所示.发现当入射角在0～40°时，各膜层结构反射率变化平缓.同时，奇数层的632.8 nm 单波长的反射性能也优于相邻的偶数层，其原因是奇数层最外层为高折射率膜层.值得注意的是，随膜层层数增加，λ/4n 的（HL）S获得高的反射率角度越宽.当其膜层层数为11 层，其入射角在小于45°时，反射率降低不明显.

图6 不同入射角下,不同层数的λ/4n 的（HL）s 的632.8 nm 单光波长反射性能

可见，通过采用11 层以上的λ/4n 的（HL）S结构，一方面可获得较高的单波长反射率，另一方面可在较宽的入射角范围内获得较强的反射率.宽角度高反射性对高性能多光束干涉仪中的反射膜和激光谐振腔的反射膜设计具有重要的意义.

3 总结

本论文采用ZnS 和MgF2构建的多层（HL）S介质高反膜，依托薄膜干涉理论，并采用TFCalc 分别计算周期、周期数、奇偶数层、入射角度等对其反射性能的影响.研究结果表明：

（1）当其膜层厚度为λ/4n 的（HL）S时，其反射性能较好，且其反射中心波段与设计频段吻合较好.当ZnS 和MgF2膜层厚度分别偏离λ/4n 时，偏离度越大，其反射性能降低越明显.

（2）当λ/4n 的（HL）S的膜层为奇数层时，即：最外层为高折射率介质膜层ZnS 时，反射性能明显增强.

（3）当λ/4n 的（HL）S的膜层为奇数层时，当膜层层数小于11 层时，随膜层层数增加，其反射率明显增强，而当膜层层数大于11 后，随着膜层层数增加，其反射率不再随膜层层数增加而相应增强.

（4）随入射角增大，11 层的λ/4n 的（HL）S的反射中心波长发生蓝移，带宽相应变窄.随着膜层层数增加，单波长632.8 nm 的反射率增强，高反射对应反射角度变宽.当其膜层层数为11 层时，其入射角在小于45°时，反射率降低不明显.

综上可得，采用11 层的ZnS 和MgF2构建的λ/4n 的（HL）S结构，在入射角小于45 °范围内，单波长632.8 nm 反射率在98%以上，且在此入射角范围内反射率随入射角增加变化很小.