储存环自由电子激光器与KrF激光驱动器的激光谐振腔光学膜系实验研究

惯性约束核聚变氟化氪激光驱动器与储存环自由电子激光器,虽然其激光产生机理完全不同,但是它们对于激光谐振腔光学膜系的要求却几乎完全相同.新研制的Al₂O₃/SiO₂/MgF₂“双氧化物+单氟化物”紫外光学膜系,在248nm中心波长处,它的光学透射率测量值为0.27%—0.71%,反射率的计算值为96.5%,其光谱带宽为22.6nm.在脉冲宽度为23ns的KrF激光照射下,它的抗激光损伤阈值达到(5.36±0.30)J/cm²,是可用于储存环紫外波长自由电子激光研究与数千焦耳数量级高能、高功率KrF激光驱动器研究的高破坏阈值紫外光学膜系.     

高损伤阈值三倍频分离膜

 设计了Nd：YAG激光用三倍频分离膜,膜层材料为SiO₂和HfO₂。经过优化,膜系在355 nm处的反射率在99%以上,在532 nm和1 064 nm处透射率也在99%以上。采用电子束蒸发技术,在熔融石英基底上制备了样品,经测量,制备的分离膜光学性能与设计值接近。分离膜在355 nm激光辐照下的损伤阈值为5.1 J/cm²,并用微分干涉显微镜表征了薄膜损伤形貌。     

波长1064nm脉冲激光高阈值反射膜的研制

 研究HfO₂/SiO₂高反射膜的制备工艺及其激光诱导损伤阈值的比较测试,分别采用了反应蒸镀HfO₂、反应离子辅助蒸镀HfO₂、反应离子辅助蒸镀金属Hf的源材料形成HfO₂薄膜。采用这三种工艺制备了HfO₂/SiO₂高反射膜,在中心波长1064nm处,反射率 R≥99.5%,其中反应蒸镀HfO₂/SiO₂高反射膜损伤阈值最高,可达60J/cm²(1064nm,5ns)。     

紫外波段SiO2/Si3N4介质膜分布式布拉格反射镜的制备与研究

采用光学传递矩阵方法设计了紫外波段SiO₂/Si₃N₄介质膜分布式布拉格反射镜, 并利用等离子体增强化学气相沉积技术在蓝宝石(0001)衬底上制备了SiO₂/Si₃N₄介质膜分布式布拉格反射镜. 光反射测试表明, 样品反射谱的峰值波长仅与理论模拟谱线相差10 nm, 并随着反射镜周期数的增加而蓝移. 由于SiO₂与Si₃N₄具有相对较大的折射率比, 因而制备的周期数为13的样品反射谱的峰值反射率就已大于99%. 样品反射谱的中心波长为333 nm, 谱峰的半高宽为58 nm. 样品截面的扫描电子显微镜和表面的原子力显微镜测量结果表明, 样品反射谱的中心波长蓝移是由子层的层厚和界面粗糙度的变化引起的. X射线反射谱表明,子层界面过渡层对于反射率的影响较小, 并且SiO₂膜的质量比Si₃N₄差, 也是造成反射率低于理论值的原因之一.     

表面层对1 064 nm高反射镜损伤阈值影响

 采用电子束蒸发的方法制备了３种具有不同表面层材料及结构的中心波长为1 064 nm的零度高反镜,３种膜系表面层分别为1/4波长光学厚度的HfO₂,1/2波长光学厚度的SiO₂,以及1/4波长光学厚度的SiO₂。光谱测试表明：三者在1 064 nm处均有较高的反射率（高于99.8%）,利用热透镜的方法测量得到３个膜系辐照激光正入射情况下,薄膜对光的吸收比例分别为3.0×10^-6,5.0×10^-6和6.5×10^-6,其损伤阈值分别为32.5,45.2和28.4 J/cm²。并在膜层内部电场分布和膜层材料物理特性的基础上分析了３种不同表面层膜系吸收和损伤阈值差别的原因。     

波长1315nm的石英窗口增透膜

 用Ta₂O₅/SiO₂膜系镀制了石英窗口增透膜。并在优化膜系,改进膜厚控制后,使得1315nm波长单面剩余反射率降到0.05%。     

短波段光学减反膜的溶胶-凝胶法制备及性能分析

 随着大型激光器的发展，对短波段减反膜的要求日益提高，其中钕玻璃激光三倍频（355nm）的减反射成为新的技术要点。采用溶胶-凝胶工艺合成SiO₂溶胶，采用提拉镀膜法制备纳米多孔SiO₂薄膜，薄膜厚度为75nm，折射率控制在1.22，镀制在石英基底上的薄膜其355nm波长的反射率仅为0.2%。通过氨处理工艺和薄膜的表面修饰，薄膜的抗磨擦性能和疏水性能大大提高，薄膜经过蘸有灰尘、乙醇的棉花球擦洗20次和50次后，透射率最大值仅分别降低0.13% 和 0.39%，与水珠的接触角达到110°。     

基于等离子体增强化学气相沉积技术的光电子器件多层抗反膜的设计和制作

针对光电子器件端面抗反镀膜的要求,研究了基于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术的多层抗反膜的设计和制作.首先,对影响SiN_x折射率的因素进行了实验研究,确定了具有大折射率差的SiO₂/SiN_x材料的PECVD沉积条件.根据理论计算分析,设计了四层SiO₂/SiN_x抗反膜结构,能够在70 nm的波长范围内实现低于10^-4的反射率     

基于LED光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术探测HONO和NO2

介绍了基于近紫外发光二极管LED (中心波长约372 nm,半高宽13 nm) 光源的非相干宽带腔增强吸收光谱技术,同时用于探测痕量气体HONO和NO₂. LED出射光经准直后耦合进入长度为70 cm,由两块高反射率镜片组成的高精密光学腔内. 分别测量了氮气消光谱和氦气消光谱,通过两者瑞利散射截面的差异而引起光谱强度的变化来标定镜片反射率.在360—390 nm反演波段内,镜片反射率在390 nm处最大且为0.99962, 对应测量NO₂/HONO混合物时的最大光程约1.71 km,并利用最小二乘拟合反演出了 HONO和NO₂的浓度值.当光谱采集时间为1000 s时, HONO和NO₂的探测灵敏度(1σ) 分别为0.6 ppbv和1.9 ppbv.实验结果表明,该技术为实现大气痕量气体的高灵敏度在线监测提供了另一种可能的途径.     

光纤白光干涉法与膜厚纳米测量新技术研究

运用薄膜光学干涉原理、光纤技术和干涉光谱分析技术,用光纤反射式干涉光谱仪(Reflectromic Interference Spectroscopy)直接测试宽带入射光在单晶硅表面超薄SiO₂膜层前后界面反射形成的干涉光谱曲线,并用专业软件对被测光谱信号数据处理后,可直接用公式准确计算出SiO₂氧化膜的厚度和光学折射率通过对单晶硅片表面超薄SiO₂氧化膜的实测,并与成熟的椭圆偏振仪测试结果相比,测试误差≤2nm但该方法测试简单、快速,精度高,不需要制定仪器曲线和数表,可对薄膜任意位置的厚度在线测试经过对不同厚度聚苯乙烯薄膜的厚度测试表明,该方法适合0.5～20μm薄膜厚度的精确在线测量,测量误差小于7nm.     

940nm垂直腔面发射激光器的设计及制备

利用PICS3D计算得到InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱的增益特性,得到量子阱的各项参数,再通过传输矩阵理论和TFCalc膜系设计软件分别仿真出上下分布式布拉格反射镜的白光反射谱.采用金属有机化合物气相沉积技术外延生长了垂直腔面发射激光器结构,之后通过干法刻蚀、湿法氧化以及金属电极等芯片技术制备得到8μm氧化孔径的VCSEL芯片.最终,测试得到其光电特性实现室温下阈值电流和斜效率分别为0.95 mA和0.96 W/A,在6 mA电流和2 V电压下输出功率达到4.75 mW,并测试了VCSEL的高温特性.     

高速850 nm垂直腔面发射激光器的优化设计与外延生长

利用传输矩阵理论和TFCalc薄膜设计软件分析了分布布拉格反射镜和垂直腔面发射激光器(VCSEL)的反射率谱特性,对比了从谐振腔入射与从表面入射时反射率谱的差异,为白光反射谱表征VCSEL外延片提供了依据.利用Crosslight软件模拟了InGaAs/AlGaAs应变量子阱的增益谱随温度的变化特性及VCSEL器件内部温度分布,设计了增益-腔模调谐的VCSEL.采用金属有机物化学气相淀积设备外延生长了顶发射VCSEL,制作了氧化孔径为7.5μm的氧化限制型VCSEL器件,测试了器件的直流特性、光谱特性和眼图特性;6 mA,2.5 V偏置条件下输出光功率达5 mW,4级脉冲幅度调制传输速率达50 Gbit/s.     

InGaAs/GaAs应变量子阱结构在1054nm激光器中的应用

采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法生长了InGaAs/GaAs应变量子阱,通过优化生长条件和采用应变缓冲层结构获得量子阱,将该量子阱结构应用于1 054 nm激光器的制备。经测试该器件具有9 mA低阈值电流和0.4 W/A较高的单面斜率效率,在驱动电流为50 mA时测得该应变量子阱光谱半宽为1.6nm,发射波长为1 054 nm。实验表明:通过优化工艺条件和采用应变缓冲层等手段,改善了应变量子阱质量,该结果应用于1 054 nm激光器的制备,取得了较好的结果。     

非对称结构大功率940nm量子阱激光器

为改善940 nm大功率InGaAs/GaAs半导体激光器输出特性,通过模拟计算了非对称波导层及限制层结构的光场分布,并参照模拟制作了非对称结构半导体激光器器件。采用低压金属有机物气相沉积(LP-MOCVD)生长技术,获得了低内吸收系数的高质量外延材料,通过实验数据计算得到激光器材料内吸收系数仅为0.44mm~(-1)。进而通过管芯工艺制作了条宽100μm、腔长2000μm的940 nm半导体激光器器件。25℃室温10 A直流连续(CW)测试镀膜后器件阈值电流251 mA,斜率效率1.22 W/A,最大输出功率达到9.6 W,最大光电转化效率超过70%。     

高温稳定25 Gbit/s 850 nm垂直腔面发射激光器

通过在N型分布布拉格反射镜(DBR)中采用高热导率AlAs材料,且增加AlAs层所占的厚度比例,在保持DBR反射率基本不变的情况下,大幅度增加了N型DBR的热导率,提高了器件高温工作性能。制作了氧化限制型顶发射VCSEL器件,不同温度条件下的直流测试结果表明:25℃时热反转功率超过8 mW;85℃时热反转电流为11 mA,功率达5 mW,表现出较好的高温工作特性。远场发散角小于17°。0～70℃的温度条件下眼图都较清晰,表明器件满足高温25 Gbit/s工作要求。     

XeCl（308nm）脉冲准分子激光淀积类金刚石薄膜

利用ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）脉冲准分子激光淀积技术在功率密度５×１０８Ｗ／ｃｍ２、室温、真空度１０－３Ｐａ的条件下，制备出不含氢成分的类金刚石薄膜，研究了类金刚石薄膜的特性及其随制备工艺条件的变化规律。研究了激光诱导的碳等离子体发射光谱，探讨了类金刚石薄膜的形成机理。     

可见光波段及1064nm波长处用于Glan-Taylor棱镜减反射膜

为了提高Glan-Taylor棱镜的透射率,研究了Glan-Taylor棱镜在可见光波段及1064nm波长处减反射膜膜的设计和制备．为提高薄膜和冰洲石晶体的附着力,采用沉积Al2O3为过渡层,ZrO2作缓冲层的方法,用单纯形优化的方法进行膜系优化设计．用电子束沉积和离子柬辅助沉积的方法制备了多层减反射膜,并采用石英晶体振荡法监控膜厚和沉积速率．测量结果表明,在可见光波段及1064nm波长处的剩余反射率均小于0．5％经测试薄膜与冰洲石晶体的附着力性能良好．     

可见光波段及1 064 nm波长处用于Glan-Taylor棱镜减反射膜

为了提高Glan-Taylor棱镜的透射率,研究了Glan-Taylor棱镜在可见光波段及1 064 nm波长处减反射膜膜的设计和制备.为提高薄膜和冰洲石晶体的附着力,采用沉积Al2O3为过渡层,ZrO2作缓冲层的方法,用单纯形优化的方法进行膜系优化设计.用电子束沉积和离子束辅助沉积的方法制备了多层减反射膜,并采用石英晶体振荡法监控膜厚和沉积速率.测量结果表明,在可见光波段及1 064 nm波长处的剩余反射率均小于0.5%经测试薄膜与冰洲石晶体的附着力性能良好.     

Assembling 100 nm Scale Particles by an Electrostatic Potential Field

The assembly of particles is one of the many methods for the fabrication of organized structures in the range of micro- to nanometer sizes. These structures have potential applications in the electronic, optical and biochemical fields. Recently, many papers have reported the patterning of particles using patterned SAM (self-assembly monolayer) films and micro molding methods. We have been developing a new technique to assemble particles using an electrostatic field. This paper describes a new technique to fabricate two-dimensional microstructures assembled from 100 nm particles. Spherical silica of 900 nm diameter and aluminum of 100 nm diameter were used as the model particles. An electrostatic image was formed on an insulating substrate by drawing a focused electron beam at 10 keV. Both types of particles were deposited on the electrostatic images. In this process, the dielectrophoretic (DEP) force plays an important role in depositing particles on the electrostatic images. The DEP forces for particles in a suspension were calculated using numerical analysis. The result showed that the DEP force above the electrified region on the substrate is larger than disturbing forces, such as Brownian motion.     

808 nm大功率半导体激光器腔面膜的制备

采用等离子体辅助电子束蒸发方法在808 nm大功率量子阱半导体激光器腔面设计镀制了HfO₂/SiO₂系前后腔面膜. 用直接测量法测量并比较了各种常用膜系的相对损伤阈值. 增透膜的反射率为12.2％,高反膜的反射率为97.9％. 对于100 μm条宽、1000 μm腔长的条形结构通过器件测量结果是出光功率提高79％、外微分量子效率提高80％、功率效率由没镀膜之前的22.2％提高到镀膜之后的39.8％.