高对比度高损伤阈值XUV/可见光二向色镜
摘要：日本NTT-AT公司研制了一种用于高次谐波光与泵浦光分离和组合的高对比度XUV/可见光二向色镜。这种掠入射的AR涂层的二向色镜在极紫外波段的P偏振反射率大于40%，同时在800nmNIR的反射率小于1%。这种二向色镜的对比度与传统方法如金属薄膜滤光片和基于布鲁斯特角的分束器相当，且它的损伤阈值原则上高于其他方法。这种易于定制的光学元件将适用于VUV和软X射线波段的高次谐波光源。
高次谐波（HH）是一种强大的光源，可用于多种研究应用，如VUV、XUV和软X射线波段的光谱学、显微学、超快动力学测量。该系统主要由泵浦激光、高次谐波发生器、光谱滤光片、光束转向镜、聚焦镜和光谱仪等组成。此外，有些系统还会有一个相互作用腔体。在这个腔体内，聚焦的高次谐波束与气体、液体、固体表面、薄膜、粒子和团簇等多种样品相互作用。
为了观察HH光束与样品作用的微弱信号，提高信噪比是这一领域最重要的技术之一，同时考虑到泵浦光到HH光束的低转换效率，高性能的XUV滤光片是必不可少的。长期以来，金属薄膜滤片是这个领域的唯一解决方案[1]，但是在2004年，Brewster角束分离器被设计并应用于该领域[2-4]。与金属薄膜滤片相比，这种光束分离器体积大、对比度高、损伤阈值高，在该领域已大量应用。然而，由于大功率紧凑型HH源系统的最新发展，需要更高的辐照损伤阈值的滤光片。典型的分束器通常采用Si或SiC板，它们对光的吸收有时会引起形状变形或损坏。
本文提出并演示了一种用于XUV和可见激光的二向色镜。这种镜子是基于熔融硅衬底的AR涂层，不吸收可见光，涂层适用于高强度飞秒脉冲激光。另外，XUV光从涂层的表层全部反射出来的。该技术已经在学术领域提出[5]，但仅限于学术研究。目前NTT-AT已经开发了商业化的标准和定制型二向色镜。需要注意的是，该技术不仅适用于XUV波段，也适用于VUV或软X射线波段。
NTT-AT分别计算了标准的二向色镜P/N DM-13.5/800-2002在NIR和XUV波段的反射率曲线图（分别如图1a和1b）。计算假设入射角是12度和P偏振。结果表明：NIR反射率小于1%，XUV反射率大于40%。需要注意的是，计算没有考虑到层间粗糙度和表面粗糙度，但实测的反射率与计算值几乎相同。
为了了解二向色镜的详细特性，图2a和2b中分别展示了在不同的偏振和入射角情况下的NIR反射率。结果表明，二向色镜对偏振的高依赖性和对入射角的宽带展宽（broadband）能力。此外，图3展示了型号为P/N DM-29.6/800-2002的二向色镜反射能力，具体规格如表1所示。
图1. 计算的DM-13.5/800-2005的反射率，（a）可见光波段（b）XUV波段；假设入射角为12度，P偏振
图2. （a）DM-13.5/800-2005不同入射角的反射率（b）s/p偏振的反射率
图3. 计算的DM-29.6/800-2005的反射率，（a）可见光波段（b）XUV波段；假设入射角为12度，P偏振
在表2中，NTT-AT公司展示了定制的二向色镜的能力。该二向色镜基于介质多层AR涂层技术，可根据需要方便设计，如XUV/NIR/可见光波段等，同时可以设计入射角。比如，较小的入射角可以获得较高的XUV反射率，但在可见光/NIR的反射率会随着入射角的减少而增大。这可以根据客户的需要进行取舍。在图4a和4b中，NTT-AT公司展示了定制的二向色镜的计算结果。可以看出，它们不仅适用于XUV波段，还适用于VUV和软X射线波段。
虽然没有损伤阈值的实验数据，但原则上这种二向色镜的损伤阈值高于传统的滤片/光束分离器。这是因为所有的涂层材料对可见光/NIR没有吸收，而且衬底材料质量足够好，可以接受高强度的光束照射。
总之，与传统的滤光片和光束分离器相比，二向色镜具有光学性能好、易定制、损伤阈值高等优点。这种新型光学器件将用于所有宽波长范围的HH光源。特别是它将成为研制高强度高次谐波源的有力工具。
图4. 定制的二向色镜示例，(a)，在入射角为3度情况下的反射率，在1030nm下反射率小于20%，（b）在入射角为10度情况下的反射率，在345nm下反射率小于1%
参考文献：
[1] F. R. Powell et. al., Opt. Eng. 26, 614 (1990).
[2] E. J. Takahashi et. al., Opt. Lett. 29, 507 (2004).
[3] Y. Nagata et. al., Opt. Lett. 31, 1316 (2006).
[4] S. Ichimaru et. al., Appl. Opt. 55, 984 (2016).
[5] H. Carstens et. al., Optica 3, 366 (2016).