一種低熱噪聲高反射光學復合膜結構及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于復合膜領域，涉及一種光學復合膜結構，尤其是一種低熱噪聲高反射 光學復合膜結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 降低超窄線寬激光器的頻率噪聲對光學原子鐘、引力波探測和高精密光譜 等高科技領域應用具有至關重要的作用。為了獲得頻率噪聲極低的激光，通常釆用 Pound-Drever-Hall (PDH)技術將激光頻率精密鎖定在超穩光學參考腔的諧振頻率上。超窄 線寬激光的頻率穩定性與光學參考腔有效腔長的穩定性密切相關。影響光學參考腔腔長變 化的熱噪聲卻難以抑制和消除，已成為窄線寬激光性能進一步提高的主要限制因素之一。
[0003] 目前，降低光學參考腔熱噪聲的方法包括：降低光學參考腔溫度、釆用機械損耗小 的鍍膜及腔體材料、增加參考腔腔長、以及增大鏡面上的光斑半徑等，但都存在一定的局限 性。例如，采用單晶硅材料制作的光學腔可以實現KT 16量級的超穩激光，但硅光學窗口僅 適用于紅外波段、且損耗較大、需要復雜的低溫系統。而目前常用的鍍膜材料SiO 2Zta2O5雖 然光學窗口寬，但其機械損耗因子大，直接導致了較大的頻率穩定度。2014年，美國葉軍小 組通過將GaAs/AlGaAs DBR附著在熔融硅表面，獲得了損耗角為2. 5X 10_5的鍍膜材料，是 常用鍍膜材料SiO2Aa2O 5的1/10,但其通光波段在1000 nm和IlOOnm之間，應用范圍受到極 大限制。因此，設計和研制具有光學窗口寬，同時具有極低布朗熱噪聲鍍膜材料顯得十分迫 切。
[0004] 藍寶石具有硬度高、熔點高、透光性好，化學性能穩定，廣泛應用于機械、光學、信 息等高技術領域。人工生長的藍寶石具有很好的耐磨性，硬度僅次于金剛石達到莫氏9級。 折射率為1. 762-1. 77,機械損耗因子為5. 5X 10Λ藍寶石單晶的透光范圍為140-6000nm， 覆蓋真空紫外、可見、近紅外到中紅外波段，且在3000-5000nm波段具有很高的光學透過 率。
[0005] 金剛石及類金剛石的化學穩定性好，熱導率和耐磨性也非常出色。金剛石的機械 性能可以通過設計來滿足具體應用的要求。此外，金剛石的折射率為2. 417,機械損耗因子 為2.96ΧΚΓ6。金剛石透光范圍為30-3000nm。
[0006] 綜上所述，藍寶石和金剛石所具有的物理及光學性能較為適合發明以藍寶石和金 剛石材料為鍍膜材料的低熱噪聲鍍膜層。利用這兩種材料具有的低機械損耗因子，可以大 大降低鍍膜材料的布朗熱噪聲，同時藍寶石和金剛石這兩種材料的折射率差距較大，可以 形成高低膜層，實現較高的反射率。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種低熱噪聲高反射光學復合 膜結構及其制備方法。
[0008] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：
[0009] 這種低熱噪聲高反射光學復合膜結構，以超低膨脹光學材料為基底；在基底上鍍 膜，所述膜由藍寶石膜層和金剛石膜層交替組成多層膜系，藍寶石膜層和金剛石膜層之間 通過鍵合或光膠方式結合而成。
[0010] 進一步，所述超低膨脹光學材料為ULE或者熔融石英。
[0011] 進一步，所述的藍寶石膜層由具有超低機械損耗因子藍寶石材料形成。
[0012] 進一步，所述的金剛石膜層由具有超低機械損耗因子金剛石材料或類金剛石材料 形成。
[0013] 進一步，所述藍寶石膜層和金剛石膜層交替組成的多層膜系為藍寶石膜層和金剛 石膜層兩種膜層交替產生。
[0014] 本發明還提出一種上述低熱噪聲高反射光學復合膜結構的制備方法，具體包括以 下步驟：
[0015] 1)選擇基底
[0016] 將超低膨脹光學材料制作成鏡片基底，并對其進行打磨，保證表面光潔度；
[0017] 2)選擇分子束外延生長或磁控濺射方法進行鍍膜；
[0018] 3)膜層尺寸和數量的確定
[0019] 金剛石膜層即H層的厚度為TH，金剛石膜層即L層的厚度為?Υ，L層的層數量為m， 那么H層的層數量為m+1，總膜層的層數量n = 2m+l ;膜層的層數量確定按照如下公式計 算：
【主權項】
1. 一種低熱噪聲高反射光學復合膜結構，其特征在于，以超低膨脹光學材料為基底； 在基底上鍍膜，所述膜由藍寶石膜層和金剛石膜層交替組成多層膜系，藍寶石膜層和金剛 石膜層之間通過鍵合或光膠方式結合而成。
2. 根據權利要求1所述的低熱噪聲高反射光學復合膜結構，其特征在于，所述超低膨 脹光學材料為ULE或者熔融石英。
3. 根據權利要求1所述的低熱噪聲高反射光學復合膜結構，其特征在于，所述的藍寶 石膜層由具有超低機械損耗因子藍寶石材料形成。
4. 根據權利要求1所述的低熱噪聲高反射光學復合膜結構，其特征在于，所述的金剛 石膜層由具有超低機械損耗因子金剛石材料或類金剛石材料形成。
5. 根據權利要求1所述的低熱噪聲高反射光學復合膜結構，其特征在于，所述藍寶石 膜層和金剛石膜層交替組成的多層膜系為藍寶石膜層和金剛石膜層兩種膜層交替產生。
6. -種權利要求1所述低熱噪聲高反射光學復合膜結構的制備方法，其特征在于，包 括以下步驟： 1) 選擇基底 將超低膨脹光學材料制作成鏡片基底，并對其進行打磨，保證表面光潔度； 2) 選擇分子束外延生長或磁控濺射方法進行鍍膜； 3) 膜層尺寸和數量的確定 金剛石膜層即H層的厚度為TH，金剛石膜層即L層的厚度為IV，L層的層數量為m，那么H層的層數量為m+1，總膜層的層數量n= 2m+l;膜層的層數量確定按照如下公式計算：
上式干K73亢字X甘腴結構的反坍畢，nH73?剛石膜層的折射率，ru為藍寶石膜層的 折射率，ns為基底的折射率。
【專利摘要】本發明公開了一種低熱噪聲高反射光學復合膜結構及其制備方法，該低熱噪聲高反射光學復合膜結構以超低膨脹光學材料為基底；在基底上鍍膜，所述膜由藍寶石膜層和金剛石膜層交替組成多層膜系，藍寶石膜層和金剛石膜層之間通過鍵合或光膠方式結合而成。本發明以藍寶石和金剛石材料為鍍膜層，利用這兩種材料具有極低的機械損耗因子，可以大大降低鍍膜材料的布朗熱噪聲，同時藍寶石和金剛石這兩種材料的折射率差距較大，可以形成高低膜層，實現較高的反射率。本發明設計的復合膜可以應用于光學參考腔、光學干涉儀、超窄線寬激光器、光學原子鐘、引力波探測等高科技領域。
【IPC分類】G02B5-08, G02B1-10
【公開號】CN104698519
【申請號】CN201510141832
【發明人】劉濤, 許冠軍, 董瑞芳, 張首剛
【申請人】中國科學院國家授時中心
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月27日