高次諧波（HH）是一種強(qiáng)大的光源，可用于多種研究應(yīng)用，如VUV、XUV和軟X射線波段的光譜學(xué)、顯微學(xué)、超快動力學(xué)測量。該系統(tǒng)主要由泵浦激光、高次諧波發(fā)生器、光譜濾光片、光束轉(zhuǎn)向鏡、聚焦鏡和光譜儀等組成。此外，有些系統(tǒng)還會有一個(gè)相互作用腔體。在這個(gè)腔體內(nèi)，聚焦的高次諧波束與氣體、液體、固體表面、薄膜、粒子和團(tuán)簇等多種樣品相互作用。

為了觀察HH光束與樣品作用的微弱信號，提高信噪比是這一領(lǐng)域最重要的技術(shù)之一，同時(shí)考慮到泵浦光到HH光束的低轉(zhuǎn)換效率，高性能的XUV濾光片是必不可少的。長期以來，金屬薄膜濾片是這個(gè)領(lǐng)域的唯一解決方案[1]，但是在2004年，Brewster角束分離器被設(shè)計(jì)并應(yīng)用于該領(lǐng)域[2-4]。與金屬薄膜濾片相比，這種光束分離器體積大、對比度高、損傷閾值高，在該領(lǐng)域已大量應(yīng)用。然而，由于大功率緊湊型HH源系統(tǒng)的最新發(fā)展，需要更高的輻照損傷閾值的濾光片。典型的分束器通常采用Si或SiC板，它們對光的吸收有時(shí)會引起形狀變形或損壞。

本文提出并演示了一種用于XUV和可見激光的二向色鏡。這種鏡子是基于熔融硅襯底的AR涂層，不吸收可見光，涂層適用于高強(qiáng)度飛秒脈沖激光。另外，XUV光從涂層的表層全部反射出來的。該技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域提出[5]，但僅限于學(xué)術(shù)研究。目前NTT-AT已經(jīng)開發(fā)了商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)和定制型二向色鏡。需要注意的是，該技術(shù)不僅適用于XUV波段，也適用于VUV或軟X射線波段。

NTT-AT分別計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)的二向色鏡P/N DM-13.5/800-2002在NIR和XUV波段的反射率曲線圖（分別如圖1a和1b）。計(jì)算假設(shè)入射角是12度和P偏振。結(jié)果表明：NIR反射率小于1%，XUV反射率大于40%。需要注意的是，計(jì)算沒有考慮到層間粗糙度和表面粗糙度，但實(shí)測的反射率與計(jì)算值幾乎相同。

為了了解二向色鏡的詳細(xì)特性，圖2a和2b中分別展示了在不同的偏振和入射角情況下的NIR反射率。結(jié)果表明，二向色鏡對偏振的高依賴性和對入射角的寬帶展寬（broadband）能力。此外，圖3展示了型號為P/N DM-29.6/800-2002的二向色鏡反射能力，具體規(guī)格如表1所示。

圖1. 計(jì)算的DM-13.5/800-2005的反射率，（a）可見光波段（b）XUV波段；假設(shè)入射角為12度，P偏振

圖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

圖3. 計(jì)算的DM-29.6/800-2005的反射率，（a）可見光波段（b）XUV波段；假設(shè)入射角為12度，P偏振

在表2中，NTT-AT公司展示了定制的二向色鏡的能力。該二向色鏡基于介質(zhì)多層AR涂層技術(shù)，可根據(jù)需要方便設(shè)計(jì)，如XUV/NIR/可見光波段等，同時(shí)可以設(shè)計(jì)入射角。比如，較小的入射角可以獲得較高的XUV反射率，但在可見光/NIR的反射率會隨著入射角的減少而增大。這可以根據(jù)客戶的需要進(jìn)行取舍。在圖4a和4b中，NTT-AT公司展示了定制的二向色鏡的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，它們不僅適用于XUV波段，還適用于VUV和軟X射線波段。

雖然沒有損傷閾值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但原則上這種二向色鏡的損傷閾值高于傳統(tǒng)的濾片/光束分離器。這是因?yàn)樗械耐繉硬牧蠈梢姽?NIR沒有吸收，而且襯底材料質(zhì)量足夠好，可以接受高強(qiáng)度的光束照射。

總之，與傳統(tǒng)的濾光片和光束分離器相比，二向色鏡具有光學(xué)性能好、易定制、損傷閾值高等優(yōu)點(diǎn)。這種新型光學(xué)器件將用于所有寬波長范圍的HH光源。特別是它將成為研制高強(qiáng)度高次諧波源的有力工具。

圖4. 定制的二向色鏡示例，(a)，在入射角為3度情況下的反射率，在1030nm下反射率小于20%，（b）在入射角為10度情況下的反射率，在345nm下反射率小于1%

參考文獻(xiàn)：

[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).