一种用于镀制梯度反射率镜的遮蔽挡板的设计

　　1　引　言

　　早在30年前,国外就有理论提出采用反射率沿径向呈梯度分布的谐振腔腔镜可有效地消除硬锐边界腔镜的边缘衍射问题[1]。与均匀反射率镜(URM)谐振腔相比,以梯度反射率镜(GRM,也称变反射率镜)为输出镜的非稳定谐振腔以光滑的软边界腔镜代替了硬锐边界腔镜,可有效地消除边界衍射光的干扰,获得准几何近似的共振光场,大大改善共振光场的场强分布,提高腔的选模能力,增大基模体积,获得较高质量的激光光束[2-5]。梯度反射率镜之所以能沿径向改变反射率,主要是因为膜厚沿径向的改变,要改变膜层沿径向的厚度,则必须通过特定的遮蔽挡板来实现,而不同的激光器结构对谐振腔镜的梯度分布的要求也不同,因此,针对不同谐振腔对反射率分布的设计要求,各种相对应的遮蔽挡板的设计也成为镀制梯度反射率镜的关键因素。

　　2　梯度反射率镜膜系结构对遮蔽挡板的设计要求

　　针对我们所制作的Nd∶YAG固体激光器,为了获得单横模激光光束,谐振腔所要求梯度反射率镜的径向尺寸为20mm,反射率沿半径方向的分布为

　　其中,基片Substrate选用K9玻璃,折射率为1. 52,高折射率膜料H的折射率为1. 95,低折射率膜料L的折射率为1. 45,air的折射率为1,参考波长为1064nm, v为变膜厚层H的光学厚度,它是一个沿径向改变的变量。在梯度反射率镜的镀制过程中,先不加遮蔽档板在基片上镀制增透膜系(1. 5293H 0. 7709L),再增加遮蔽挡板镀制变膜厚层H。为了获得(1)式所示的反射镜沿径向的高斯反射率分布,在此膜系设计中要求变膜厚层H沿基片半径方向的光学厚度(也即是v的大小)的变化如图1所示。为了在被镀基片上实现图1中的径向膜厚分布,就有必要改变基片上的膜厚均匀性。在镀膜机内增加一块特殊的遮蔽挡板以实现膜系中变膜厚层沿基片径向的变化。

　　一般情况下,遮蔽挡板是用来修正镀膜机内基片边缘的膜厚不均匀性,用以改善成膜的有效面积[6]。在这里则是要求在径向尺寸仅为20mm的基片上精确实现图1所示的径向膜厚分布。由图1中曲线可见膜厚变化的范围非常窄,仅在基片上0~3mm的径向范围内要求如此光滑细致的膜厚分布,而在变化范围以外,基片上膜厚全部为零。因此,相应的遮蔽挡板的设计就要求非常精确,大大增强其复杂程度。

　　3　镀制梯度反射率镜的遮蔽挡板的设计

　　3. 1　建立设计遮蔽挡板的数学模型

　　对于旋转平面转盘镀膜机(如德国莱宝的APS1104),在增加了遮蔽挡板后的膜层厚度分布随基片半径方向的变化可通过建立数学模型来求解。为便于分析,不失一般性,先假定遮蔽挡板为圆形孔径(如图2所示),孔径的半径为a,遮蔽挡板到基片的距离为b,基片到蒸发源底板的距离为h,蒸发源S到底板中心(基片圆心在底板上的投影)的距离为l。基片高速旋转,挡板固定不动。