光纤的高损伤阈值随机抗反射(RAR)纳米结构能够替代抗反射膜

2018-08-22

作者:Devinder Saini

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介绍

在激光加工和焊接、组织消融、去除纹身、防御等多类应用中,对于通过光纤获得高光功率输出的需求越来越多。光纤输出的峰值功率水平从十几千瓦增至兆瓦。但光纤端面的反射是个大问题,会破坏光源,并且可能导致连接器和光纤发射器的损坏。

诸如窗、激光晶体和高功率激光系统中的光学器件等光学元件表面的光反射是个普遍问题,会导致泵浦二极管和其他组件的各种故障。这些反射由空气和玻璃之间的折射率不匹配造成,通常为4%。但这些反射会减少传输的光量,并且可能损坏光源及其周围元件,因此,我们不希望有这些反射。通常我们可以使用由分层沉积的多种介电材料制成的抗反射(AR)膜来减少这些不需要的反射。

抗反射膜

               图1 典型的单层干涉抗反射膜

 

瑞利爵士(Lord Rayleigh)最先于1886年发现抗反射膜,他发现有污点的旧玻璃比干净的新玻璃具有更好的透光率,这是由于玻璃上的污点的折射率介于空气和玻璃之间。自此,在使用镀膜来减少反射并增加透光率方面获得了很大进展,通过使用干涉镀膜,利用其厚度制造干涉效应,以此抵消反射光(图1)。这些镀膜很好用,但也有诸多不足,很容易受到机械损坏,以及损伤阈值相对较低,限制了光纤系统中可以使用的能量。当将光射入光纤中时,这个问题会进一步凸显,由于光纤尺寸小,需要将发射光聚焦到一个小光斑以实现有效耦合,这一光斑中的能量密度会非常高,很容易损坏抗反射膜。

影响高激光功率光学元件使用抗反射膜的其中一个主要原因在于其耐用性。因其所用材料,抗反射膜的性能有限、损伤阈值较低。熔融石英的激光损伤阈值比制造抗反射膜所用材料的损伤阈值更高,后者的损伤阈值仅是无涂层硅石的损伤阈值的一半不到[1]。最近发布的研究结果显示,抗反射膜的激光损伤阈值约为60-70J/cm2[2]。抗反射膜还有其他问题,如接受角度非常有限,波长工作范围非常窄,以及由于吸收高能量,容易导致降解、破裂和烧蚀。通过在光纤端部接上端帽可以在一定程度上缓解这些问题,因为这样做可以扩大光斑,减少空气和玻璃交界面的能量密度。对于通过光纤传输越来越高激光功率的需求不断增加,这使得所需端帽尺寸随之不断增大。但是由于尺寸不合适,大尺寸端帽很难接入光纤端部(通常熔接的端帽和光纤的比例为3:1)。因此,很显然,我们需要解决抗反射膜的低损伤阈值和耐用性问题。

蛾眼结构

蛾和其它昆虫的眼睛有个有趣的特性——没有任何反射。用电子显微镜观察可以发现,它们的眼睛有纳米级的微小结构(图2)。

    

图2 昆虫眼部特写

这些结构小于光的波长,并具有抗反射特性。本文中,我们讨论了在光纤上使用基于蛾眼纳米结构的随机抗反射(RAR)结构[2]来抗反射。

随机抗反射表面(RAR)

通过在玻璃表面使用反应离子等离子蚀刻技术来制造随机纳米结构(图3)。这些结构模拟蛾眼结构,并具有抗反射特性。

        

图3 熔融石英上的等离子蚀刻随机抗反射表面

纳米级粗糙表面的高度和间距小于要使用的光的波长,当光进入散装物料时,光通过纹理表面,折射率会逐渐变化。这种逐渐变化减少了反射光量。结构尺寸决定了抗反射的波长下限,深度决定了波长上限。这一技术如今应用于光纤领域,利用等离子蚀刻技术在光纤端部打造随机抗反射表面(图4)。

图4 图为SMA连接器中的一根经过蚀刻的光纤

光纤端部200nm以上的宽阔波段上,已经可以实现低于0.3%的反射率。

图5 一根经处理的光纤两端(A和B)的反射率

我们对蚀刻前后的光纤在多个波长下的传输能力进行了测试,发现后者的传输能力得到显著提升(图6)。

图6 蚀刻前后的传输能力

我们用Quantel激光器对于这些光纤的激光损伤阈值进行测试,使用1064nm的脉冲激光,脉冲宽度为16.4ns,重复率为20Hz,光斑尺寸为40um。测试结果显示,损伤阈值大于130 J/cm2或7540 MW/cm2,几乎是最好的抗反射膜的损伤阈值的两倍。

总结

结果显示,随机抗反射纳米结构赋予光纤抗反射特性,与大多数抗反射膜性能相当,但具有更宽的范围。这些结构的损伤阈值高于抗反射膜的损伤阈值,因此适合替代用于体光学和光纤的高能量激光应用中的抗反射膜。

参考文献

[1] Stolz, C. J., Adams, J., Shirk M. D., Norton, M. A., Weiland, T. L. “Engineering meter-scale laser resistant coatings for near IR (LLNL),” Proc. SPIE 5963, (2005)
[2] Caspar Clark et al “Comparison of Single-Layer and Double-Layer Anti-Reflection Coatings Using Laser-Induced Damage Threshold and Photothermal Common-Path Interferometry” Coatings 2016, 6(2), 20
[3] Hobbs, D. S., MacLeod, B. D., Riccobono, J. R. “Update on the development of high performance anti-reflecting surface relief micro-structures” Proc. SPIE 6545-34 (2007)