据悉，来自中国科学院上海光学精密机械研究所的一个研究小组提出了一种具有混合层和新型三明治状结构界面的新设计，可以满足理想二向色性激光镜的挑战性要求。该研究文章发表于2021年1月27日的Photonics Research上，并被编辑选为杂志重点推荐。

二向色激光镜通常用作谐波分离器、光束组合器或光束分离器，并在许多激光应用中起重要作用，包括惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)激光器、拍瓦飞秒激光器、高功率光纤激光器、紧凑型调激光器或锁模激光器以及其他新兴激光器。用于大功率激光器的理想二向色性激光镜需要在两个不同的波长处具有显著不同的反射或透射特性以及较高的激光诱导损伤阈值(laser-induced damage threshold,LIDT)。

不幸的是，由交替的高折射率和低折射率（）纯材料组成的传统二向色激光镜(traditional dichroic laser mirror,TDLM)经常难以同时在两个波长下实现出色的光谱性能和高LIDT。通常，通过交替电子束沉积的HfO2层和SiO2层实现用于UV-NIR激光应用的TDLM。有时，选择Al2O3代替HfO2作为高折射率材料，这显示出改进的LIDT，但需要相对较大的涂层总数。

在所需的光学性能和LIDT之间需要权衡，因为合适的候选涂层材料受到限制。近年来，通过共蒸发或共溅射氧化物混合物扩展了可用涂层材料库。混合材料为研究人员提供了可调节的光学间隙值和光学常数，显示出优于纯材料的性能，并且对许多应用具有吸引力。除了涂料本身之外，还必须考虑传统离散界面的界面相关问题，这是影响LIDT的关键因素之一。与传统的离散界面相比，具有渐变折射率的共蒸发界面显示LIDT显着增加。因此，通过适当地设计混合材料并优化界面，期望实现适用于高功率激光器的理想的二向色性激光镜。

在这里，研究人员使用混合材料和新颖的三明治状界面来满足二向色性激光镜的挑战性要求。首先，将HfO2-Al2O3混合涂层与纯HfO2和Al2O3单层涂层以及HfO2-Al2O3纳米层压涂层进行微观结构、光学和机械性能的比较。然后，设计并制备了基于混合的二向色激光镜(mixture-based dichroic laser mirror, MDLM)，它使用HfO2-Al2O3混合材料作为高折射层，具有可调节的折射和光学带隙，并使用纯SiO2作为低折射材料。

MDLM设计的示意图如图1所示。SiO2层与HfO2-Al2O3混合层之间的界面为夹心结构界面，可以用“SiO2-HfO2梯度材料|HfO2|HfO2-Al2O3梯度材料”表示。这种安排使MDLM设计在两个波长下具有出色的光谱性能和高LIDT。研究人员使用电子束蒸发制备的MDLM设计策略显示出比TDLM更高的性能，并为各种激光镀膜开辟了新途径。

图1. 基于混合膜层和类三明治结构界面的二向色镜设计示意图

图2. MDLM涂层沉积过程示意图

1. 纯单层、纳米叠层和混合涂层的性能

已经制备了HfO2-Al2O3混合涂层，并与HfO2和Al2O3单层涂层以及HfO2-Al2O3纳米层压涂层进行了比较。已经研究了涂层的微观结构和光学性质。在HfO2单层涂层的XRD图谱中获得了多个指示结晶度的尖锐衍射峰。在纳米层压板和混合物涂层中观察到21.8°和31.4°处的两个宽峰，这归因于非晶态熔融SiO2基质和HfO2。当HfO2子层越薄，在2 = 31.4°处的峰越不明显。

2. 具有类似三明治结构的界面的基于混合物的二向色性激光镜

MDLM涂层的设计是在720±1064 nm的入射角范围内，在527±15 achievenm处的polar偏振反射率（Rs）高于99.5％，在720至1064 nm范围内的偏振透射率（Tp）高于98％。这种MDLM涂层可在聚变级激光器中用作1和2谐波分离器，或者在拍瓦级Ti蓝宝石激光器系统中用作泵浦/信号光束分离器。

▲图3. TDLM和MDLM设计二向色镜的结构和光学特性。（a）XRD谱；（b）透射光谱（左：0°入射；中：p偏振光，45°入射）和反射光谱（右：s偏振光，45°入射）；（c）镀膜前后的面形；（d）划痕测试后的表面和剖面形貌；（e）单脉冲激光损伤概率。

MDLM与TDLM相比，具有出色的光谱性能和更高的性能，具有更好的机械性能，更低的吸收率和更高的LIDT。对于波长为532 nm的s偏振7.7 ns脉冲和波长为1,064 nm的p极化的12 ns脉冲，LIDT几乎翻了一番。

▲图4. 通过SEM成像的损伤形态和通过FIB测量的标记区域的深度轮廓。（a）和（b）受损区域的完整视野。（c）–（i）标有星号的典型受损部位。（j）–（m）偏振1064 nm激光照射后的损伤形态示意图。

▲图9. EDS表征了1064 nm -偏振激光诱导的TDLM涂层和MDLM涂层受损部位的化学成分

总而言之，研究人员已经提出并通过实验证明了一种具有混合物层和类三明治结构界面的新型MDLM涂层。在两个感兴趣的波长下，LIDT几乎是TDLM涂层的两倍，原因如下：首先，MDLM涂层中的混合物层具有较大的光学带隙和较低的吸收率，从而在相同能量密度的激光照射下，温度上升幅度较小；第二，类似三明治的结构界面使MDLM涂层具有增强的机械性能。我们相信，所描述的概念为改进二向色镜涂层和其他激光涂层开辟了新途径，并且可以使依赖于高质量激光涂层的激光技术的许多领域受益。

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