关键词：KTP晶体，光参量振荡器，1.57 μm激光，离子辅助沉积
Abstract：A KTP-OPO system has be used to manufacture 1.57 micron laser which is the safe wavelength of human eye, it has the advantages of low threshold, high conversion efficiency, high repetition frequency, large pulse energy, simple structure and lower cost. It has a great application prospect in military indication, rangefinder, laser radar and remote sensing, and it is expected to replace the 1.064um laser which produced by Nd: YAG. In this paper, we set out from the perspective of KTP-OPO system, the film system design and related technology research of KTP crystal end face coating are analyzed, especially the key test of improving the laser damage threshold is carried out.
Key Words：KTP；Optical Parametric Oscillator；1.57 μm laser；Ion Assisted Deposition
作者简介：黄玲程（1982—）女，硕士，工程师，主要从事激光晶体元件镀膜技术研究等工作。E-mail：hlc2002@163.com
1 引言
自激光问世以来，Nd:YAG固体激光器技术最为成熟，使用最广泛，但是1.064μm激光对于人眼损伤过大，因此世界各国研究团队不约而同的着力于研制人眼安全激光器。其中，一种有效的方法就是利用光学参量振荡器（Optical Parametric Oscillator，简称OPO）可以实现人眼安全激光的输出，KTP-OPO系统能够利用Nd：YAG激光器输出的1.064μm激光转换为1.57 μm人眼安全激光。
人眼在该波段的损伤阈值高于其他波段（其对人眼曝光量是1.064μm激光的40倍，是10.6μm CO2激光的100倍），而且激光辐射处于1.5~1.8 μm大气窗口，对烟雾的穿透能力强，在远程激光武器装备上有很大的优势，具有较强的光电对抗能力。1.57 μm激光使用越来越广泛，有望取代Nd：YAG产生的1.064μm波长激光。随着科学技术的发展，对于人眼安全波长的指标要求也在不断的提升，要求更小的光斑、更大的脉冲能量、更大的输出功率等其他各方面的要求。这就要求其光学元器件的光学膜层指标也要跟上发展的速度，增透膜需要继续减少反射，高反射膜需要增加反射率，同时，随着功率的提升，抗光损伤阈值也要不断地提升，膜层的质量决定了人眼安全激光能走多远的路。因此，对于镀膜的要求是非常严谨苛刻的，任何一个光学元器件达不到指标要求，都会限制到激光的输出使用。
本文从KTP-OPO系统应用角度出发，对于其光学膜层指标进行分析，重点阐述KTP晶体镀膜技术、指标要求及发展趋势等。
2 KTP-OPO系统
光参量振荡器的原理是基于非线性晶体的混频特性来实现频率转换的，一束入射光通过特殊设计的非线性晶体后，能够产生两束新的光波，信号光和空闲光，并且满足：
（1）
其中，p是入射光频率，s和i分别是是信号光频率和空闲光频率。一种常用的非线性晶体KTP（KTiOPO4，磷酸钛氧钾），它具有较大非线性光学及电光系数，较宽的透光波段，且物理化学性质稳定，不容易潮解，生长技术稳定，抗损伤阈值高等诸多优势。优良的特性促使KTP广泛应于激光倍频、光参量振荡及电光调制等激光应用中。实验中KTP晶体采用TypeII 非临界相位匹配，即1.064μm（o）=1.57 μm（o）+3.3μm（e）。当OPO信号光1.57 μm输出时，晶体切割角度：Theta=90o phi=0o 即晶体沿X轴切割。此时，泵浦光1.064μm沿X轴传播，泵浦光（o光）和信号光（o光）的偏振方向沿晶体Y轴，空闲光（e光）偏振方向沿晶体Z轴，此时晶体有效非线性系数最大(deff = -3.40E0 pm/V)且离散效应影响极小。
光学参量振荡器系统，一般包含几方面：非线性晶体，泵浦光源，光学谐振腔，相位匹配和调谐装置等。人眼安全激光使用的非线性晶体为KTP晶体，泵浦光源为Nd：YAG 1.064μm波长激光，最简单的光学谐振腔是由一个高反镜和部分反射镜构成。
图1为一种典型的腔内KTP-OPO系统，激光器采用电光调Q技术。
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图1 KTP-OPO系统
其中，M1镀1.064μm高反膜，M2镀1.064μm增透膜和1.57 μm高反膜，M3镀1.064μm全反膜结合1.57 μm部分透射膜，M4为滤光镜，滤掉除1.57 μm外其余所有的光，整个光路几乎所有的元器件都需要镀膜。M1和M3组成1.064μm激光谐振腔，而M2和M3组成光参量振荡器的谐振腔。非线性晶体KTP，两通光面镀1.064μm和1.57 μm增透膜。其中，M2可以设计为平凸透镜，有研究表明，适当增大曲率半径，能够增大输出激光能量。
但是，元件数量越多，光路越复杂，同时，容易产生一些不必要的吸收和杂散光。因此，结构的轻量化，更有实际应用的意义。根据光路设计，不难发现，我们可以取消M2和M3镜片组合，将M2膜系直接镀制在KTP左端，M3膜系直接镀制在KTP右端，KTP两端分别镀1.064μm高透膜1.57 μm高反射膜和1.064μm全反膜1.57 μm部分透射膜，其激光输出更为有效直接。同时也符合轻量化要求。但是，KTP晶体两端同时镀高反膜，难度大大增加。高反膜的抗光性一直以来就是薄膜领域的难点，研究提升双面高反膜的损伤阈值，是一件非常具有挑战意义的课题 。
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3 膜系研究
本论文讨论在KTP晶体一端镀制1.064μm高透膜，1.57 μm高反射膜，另一端镀制1.064μm高反射膜，1.57 μm部分透射膜。一般来讲，截止带高反射膜的要求比较容易实现。但是对于通带来讲， 由于透射率对膜层的相对厚度十分敏感, 因此在制备中很难把握, 即使一个很小的误差也会引起通带的透射率发生变化。
镀膜材料要考虑成膜后的机械牢固度、应力状况和化学稳定性等因素；对于激光薄膜来说，材料的抗激光损伤性能也尤其重要。因此，综合以上条件，高的折射率材料可选择HfO2、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5，低折射率材料选择SiO2、默克混合料L5，这几种氧化物材料成膜质量好，膜层致密，光学损伤阈值优异，工艺也比较成熟。
本文选择G |(HL)P H| A作为基本周期膜系，G为基片，A为空气，H和L选定的高低折射率材料，为了提高通带透射率及减少膜层厚度，避免应力过大， 采用Macleod膜系设计软件优化后的膜层设计曲线如下图所示：
4 离子束沉积对膜层的影响
本次镀膜工艺使用的日本光驰镀膜机OTFC1300，电子束蒸发离子束辅助沉积技术。选配的RF离子源，三栅结构稳定，无污染，离子束能量均匀，维护简单，保养后使用周期长。普通电子束蒸发工艺的膜层结构为柱状结构，增加离子源辅助沉积工艺后，柱状结构变得更为紧密。分别进行增加离子束辅助与不使用离子束两组镀膜工艺实验，薄膜镀制完成后，送入大气炉高温退火。退火完成后经测试，不加离子束工艺膜层退火前后光谱明显发生偏移，波长温漂约6nm，而采用离子束工艺，退后前后光谱曲线重合，波长几乎“零”漂移。间接证明了离子束辅助镀膜能够改善薄膜膜层堆积致密度，能够有效地降低蒸发镀膜过程产生的柱状生长缺陷。
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图4（a）NON-IAD- HR1.064μm光谱温飘 （b）IAD-HR1.064μm光谱温飘
同时对引入离子束前后同样工艺生产的薄膜进行抗光损伤阈值研究，实验室激光损伤测试系统采用的是1.064μm单脉冲激光器，脉宽10ns，频率1Hz，光斑直径0.8mm。通过实验对比，不加离子源时，薄膜在600MW/cm2被打坏，其坏点如图5（a）所示，增加离子源辅助，薄膜在600MW/cm2没有被打坏，在800MW/cm2出现闪光点。使用蔡司体式显微镜下50倍放大观察，，两组镜片，前者的损伤点破坏面积比较大，坏点直径约2mm，呈现分层破坏结构，似烧蚀状态；而后者损伤点较小，结构整齐剥落式，坏点直径仅约0.4mm。通过激光辐照测试及观测两组镜片损伤点，离子源的使用能够显著提升膜层质量，具体表现为增加膜层附着力及膜层抗激光损伤阈值，较高的膜层表面光洁度水平及较低的膜层温漂等。
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（b）
图5（a）未引入离子源与（b）引入离子源后坏点及其微观结构图
5 退火工艺对膜层损伤阈值的影响
氧化物薄膜在空气中烘烤对于消除缺陷、减小应力、提升损伤阈值有着重要的作用。将KTP晶体高反射膜层及输出面膜层在250度下高温退火后，进行损伤测试对比，结果如下所示：
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经测试验证，退火后的膜层损伤阈值可较退火前提升约20%，因此大气中高温退火工艺是激光膜制备工艺中重要环节。
6 结论和展望
本文介绍了KTP-OPO系统，OPO的能够有效地提升激光波段，其1.57 μm人眼安全激光由于其安全性和处于大气窗口波段，具有极大潜力的应用前景。其输出激光受抽运光的光束质量、非线性晶体的质量、膜层指标和抗损伤阈值等多项因素限制。根据实际应用改良了传统的KTP-OPO系统，在KTP晶体两端直接镀膜，取代其前后高反射镜片，符合轻量化要求。根据光路设计并优化膜系，使其满足使用需求。文中也详细的介绍了引入离子源辅助镀膜及膜后退火工艺后，能够有效的降低膜层内部柱状缺陷，减小膜层应力，提升抗激光损伤阈值。
激光辐射对膜层的引起损伤机制是复杂的，一方面是吸收机制，膜层温度急剧升高而破坏，另一方面是膜层内部强烈的电场效应而使其遭到破坏。一般来说，膜层的缺陷、杂质、膜层组分化学计量比失衡、残余应力、及基板污染等因素都会降低激光膜层损伤阈值。因此后续改进优化工艺细节，继续提升膜层抗激光损伤阈值的研究更为重要。
参考文献
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论文作者: 黄玲程 刘进文 庞家琼 杨波 崔泮冸
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/28
标签：激光论文; 阈值论文; 晶体论文; 损伤论文; 离子束论文; 工艺论文; 激光器论文; 《科学与技术》2019年19期论文;