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电场评估

电场(Electric Field)窗口在选定波长下,将镀膜内部的场相对深度绘制成图。它显示场在堆栈内部的集中位置,这是激光损伤工作的关键信息,因为承载最高场强的层通常是高功率光束下最先失效的层。它还能清楚地说明为什么某一层的厚度对性能如此重要。

在每个深度处,窗口将前向与后向行波叠加,并在各层边界处匹配。在高反射镜中,第一表面之外的场可达入射振幅的两倍,因为入射波与反射波几乎同相叠加。

波长(Wavelength):计算驻波分布所用的单一波长,单位为 nm。默认取设计的参考波长。

AOI:入射角,单位为度。

偏振(Polarization):s、p 或二者的平均。在斜入射时 s 与 p 给出不同的分布,因此在斜入射下工作时应将二者对比。

物理量(Quantity):纵轴所表示的量。

  • 入射 1 W/m² 的幅值,单位 V/m。这是绝对场强,对应每平方米一瓦的入射光束。换算到实际光束只需一次乘法,而这正是判断某一层能否承受一个脉冲时所需要的。此为默认值。
  • 平方,占入射比例,即相对入射 |E|² 的百分比。这是纯比值,适合比较不同设计而非不同光束。
  • 平方,绝对值,单位 (V/m)²,同样对应 1 W/m² 入射。吸收估算需要这种形式,因为吸收功率随场的平方变化。

两种绝对形式都与入射介质有关,因为在光密介质中,给定辐照度的光束所携带的场更弱:对于折射率为 n 的介质中的辐照度 I,|E| = sqrt(2I / (ε₀cn))。1 W/m² 的光束在空气中幅值为 27.4492 V/m,在其他介质中则为该值除以折射率的平方根。

分量(Component):所绘制的场的分量。

  • 总场,即合成场。除非专门需要某个分量,应读取这条曲线。
  • 沿膜层方向,即平行于层边界的分量。
  • 垂直于膜层,即与之垂直的分量。

在正入射时,以及 s 偏振在任意角度时,场完全沿膜层方向,因此垂直分量为零,总场与之相等。只有 p 偏振在斜入射时才分为两个分量,而此时材料所感受到的是二者的合成。

深度坐标轴(Depth axis):横轴所度量的量。

  • 物理深度,单位 nm,自外表面算起。此为默认值。
  • 光学厚度 (nm),即穿过堆栈时 n·d 的累加值。
  • 光学厚度 (QWOT) 与 (FWOT),即同一光学厚度除以参考波长,以四分之一波或全波计。

λ₀:度量光学单位所用的波长。它不参与场的计算,只决定曲线在深度方向上的落点,因此当坐标轴按物理深度显示时该设置不起作用。取自设计采用设计自身的参考波长,也就是膜层编辑器厚度列所用的波长,因此坐标轴与膜层表给出相同的数值:在膜层表中读作 0.25 FWOT 的一层,在该坐标轴上也恰好跨越 0.25,峰值可以直接对应到表中的某一行。取消勾选可另行输入 λ₀,用于按并非该膜系所依据的波长来查看堆栈。无论采用哪一种,坐标轴标题都会写明当前所用的波长;坐标轴描述的是堆栈本身:改变计算场所用的波长只会移动曲线,不会移动层边界。

面(Side):绘制**前(front)镀膜还是后(back)**镀膜的剖面。每一侧都显示该镀膜在基底上的驻波,从其自身的入射介质评估;基底为出射介质。

横轴自入射介质伸向基底;竖直虚线与彩色条带标出层边界与材料。一条水平虚线标出入射光束自身的水平,因此高于该线的场是被镀膜集中起来的,而不只是穿过而已。峰值为场反节点(anti-node),谷值为节点(node)。

在光学坐标轴上,四分之一波堆栈的节点在其调谐波长处恰好相隔半个全波,比物理坐标轴更便于目视检查:各层折射率不同时,物理坐标轴上的节点间距并不均匀。

对于激光损伤工作,承载最高场强的层是瓶颈,降低该处的场强可提高损伤阈值。在精心设计的反射镜中,反节点优先落在更坚固的材料中,这正是反射镜能承受高功率的部分原因。为此应读取总场,而不是某个单独分量:在斜入射时,p 偏振场的切向分量可能在某个深度出现节点,而该处的合成场并不小,因为垂直分量在那里承载了场。

数据表以与图相同的深度坐标列出屏幕上各曲线的场强,每个列标题都带有单位,并可导出为 CSV。将场强与折射率分布对照阅读,可看出驻波峰值落在哪一层。

  • H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 5th ed., Ch. 3(式 3.5–3.6),薄膜中的场。
  • H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 5th ed., Admittance Loci 一节给出由入射辐照度确定的绝对场强,Laser Damage 一节说明为何场的平方才是关键。