双离子束溅射沉积HfO­­2光学薄膜的研究

 用双离子束溅射沉积氧化铪光学薄膜，并对此工艺下制备的氧化铪薄膜进行了光学性质、残余应力、结构特性以及激光损伤特性的研究。实验结果表明，用双离子束溅射沉积的氧化铪薄膜不仅结构均匀,膜层致密,无定形结构，而且具有极低的散射和吸收,均匀的非晶结构,杂质缺陷少,激光损伤阈值高。     

离子束溅射氧化铪薄膜的能带特性

氧化铪是高激光损伤阈值薄膜领域内一种重要的高折射率材料,其禁带宽度和Urbach带尾宽度直接影响到薄膜的吸收和激光损伤阈值。针对离子束溅射沉积法制备的氧化铪薄膜,以基板温度、离子束电压、离子束电流和氧气流量为主要制备参数,提出了基于正交实验的光学带隙调整方法,并采用Cody-Lorentz介电常数模型表征了薄膜的禁带宽度和带尾宽度。研究结果表明,当置信概率为90%时,在影响氧化铪薄膜禁带宽度的制备因素中,影响权重从大到小依次为基板温度、离子束电流和氧气流量,采用低基板温度、中等离子束电流和低氧气流量制备参数组合,可以获得高禁带宽度的氧化铪薄膜;对带尾宽度影响最大的制备参数是基板温度,其他参数影响不显著,在高基板温度下可以获得较低的带尾宽度,这表明氧化铪薄膜的无序度较低。     

离子束辅助反应制备的氧化铪薄膜特性

 采用电子束直接蒸发氧化铪、无辅助电子束反应蒸发和离子束辅助反应蒸发金属铪3种沉积方式制备了单层HfO₂薄膜，对样品的光学性能、结构特性以及激光损伤特性进行了研究。实验结果表明：通过反应沉积的方法可以有效减少缺陷产生并改善均匀性，施加离子辅助可以提高薄膜的折射率，在一定条件下还可以有效地降低吸收，但激光损伤阈值仍未达到直接采用氧化铪制备的水平；晶体结构方面，离子辅助条件下可以获得单斜相氧化铪薄膜，并且随着轰击能量的提高由(002)面的择优取向向(-111)面转变。     

HfO2薄膜的结构对抗激光损伤阈值的影响

利用蒸发氧化铪和离子辅助蒸发金属铪反应沉积氧化铪薄膜，对两种工艺下制备的氧化铪薄膜进行光学和结构以及激光损伤特性的研究. 实验结果表明，用金属铪反应沉积的氧化铪薄膜不仅结构均匀，并且具有较高的激光损伤阈值. 文章对损伤阈值和薄膜的结构及光学特性之间的关系进行了讨论.     

原子层沉积HfO_2薄膜的激光损伤特性分析

以目前激光惯性约束聚变中应用最广泛的高折射率材料二氧化铪(HfO2)为研究对象,在熔石英基底上分别采用TEMAH和HfCl4前驱体制备了HfO2薄膜,沉积温度分别为100,200和300℃。采用椭偏仪和激光量热计对薄膜的光学性能进行了测量分析,采用X射线衍射仪(XRD)对薄膜的微结构进行了测量。最后在小口径激光阈值测量平台上按照1-on-1测量模式对薄膜的损伤阈值进行了测试,并采用扫描电子显微镜(SEM)对损伤形貌进行了分析。研究表明,用同一种前驱体源时,随着沉积温度升高,薄膜折射率增加,吸收增多,损伤阈值降低。在相同温度下,采用有机源制备的薄膜更容易在薄膜内部形成有机残留,导致薄膜吸收增加,损伤阈值降低。采用HfCl4作为前驱体源在100℃制备氧化铪薄膜时,损伤阈值能够达到31.8J/cm2(1064nm,3ns)。     

制备工艺对HfO_2薄膜抗激光损伤能力的影响

采用反应蒸镀法镀制了单层ＨｉＯ２薄膜,观察了薄膜表面主要的微结构缺陷, 研究了基片清洗工艺对薄膜损伤阈值的影响。测量了薄膜沉积前后表面粗糙度变化。结果表 明：沉积工艺可以改变粗糙度,并对薄膜抗激光损伤能力有较大的影响。     

制备工艺对HfO2薄膜抗激光损伤能力的影响

采用反应蒸镀法镀制了单层HfO2薄膜,观察了薄膜表面主要的微结构缺陷,研究了基片清洗工艺对薄膜损伤阈值的影响。测量了薄膜沉积前后表面粗糙度变化。结果表明：沉积工艺可以改变粗糙度,并对薄膜抗激光损伤能力有较大的影响。     

离子束清洗在激光薄膜中的应用

介绍了在激光薄膜中End Hall型离子源离子束清洗的应用。通过实验验证了基片的二次污染和离子束的清洗效果,观测了离子束清洗前后基片的表面形貌变化。研究了用离子束清洗基片时对薄膜抗激光损伤阈值的作用。分析了用离子束清洗基片时其基片表面的性质,如清洁度、表面能、接触角、表面形貌的变化机理。指出了杂质微粒的去除和附着力的增加是如何使薄膜抗激光损伤阈值显著提高的。     

二氧化钛薄膜表面粗糙度研究

为了探究二氧化钛(TiO₂)薄膜表面粗糙度的影响因素, 利用离子束辅助沉积电子束热蒸发技术对不同基底粗糙度以及相同基底粗糙度的K9玻璃完成二氧化钛(TiO₂)光学薄膜的沉积。采用TalySurf CCI非接触式表面轮廓仪分别对镀制前基底表面粗糙度和镀制后薄膜表面粗糙度进行测量。实验表明, TiO₂薄膜表面粗糙度随着基底表面的增大而增大, 但始终小于基底表面粗糙度, 说明TiO₂薄膜具有平滑基地表面粗糙的作用; 随着沉积速率的增大, 薄膜表面粗糙度先降低后趋于平缓; 对于粗糙度为2 nm的基底, 离子束能量大小的改变影响不大, 薄膜表面粗糙度均在1.5 nm左右; 随着膜层厚度的增大, 薄膜表面粗糙度先下降后升高。     

薄膜光学 薄膜光学理论与膜系设计

O484．4 2005042867 离子束清洗在激光薄膜中的应用=Application of ion beam cleaning to the laser films[刊,中]／张大伟(中科院上海光机所,上海(201800)),张东平…／／光学技术,-2005, 31(2),-238-240 介绍了在激光薄膜中End-Hall型离子源离子束清洗的应用。通过实验验证了基片的二次污染和离子束的清洗效果,观测了离子束清洗前后基片的表面形貌变化。研究了离子束清洗基片时对薄膜抗激光损伤阈值的作用。分析了用离子束清洗基片时其基片表面的性质,如清洁度、表面能、接触角、表面形貌的变化机理。指出了杂质微粒的去除和附着力的增加是如何使薄膜抗激光损伤阈值显著提高的。图5参6(杨妹清)     

二氧化锆薄膜表面粗糙度的研究

采用电子束蒸发工艺,利用泰勒霍普森相关相干表面轮廓粗糙度仪,研究了不同基底粗糙度、不同二氧化锆薄膜厚度以及不同的离子束辅助能量下所沉积的二氧化锆薄膜的表面粗糙度。结果表明：随着基底表面粗糙度的增加,二氧化锆薄膜表面粗糙度呈现出先缓慢增加,当基底的粗糙度大于10nm后呈现快速增加的趋势;随着二氧化锆薄膜厚度的增加,其表面均方根粗糙度（RMS）先减小后增大;随着辅助沉积离子能量的增加,其表面粗糙度呈现出先减小后增加的趋势。     

光学薄膜抗激光损伤研究发展

随着大能量/高功率激光器的发展需求日益突出,光学薄膜的激光损伤阈值逐步成为激光器发展的瓶颈,受到国内外高能激光器研究领域的广泛关注。阐述了光学薄膜激光的损伤机理、激光损伤阈值测试平台及方法,结合自身研究成果,综述性分析了国内外光学薄膜抗激光损伤技术与手段研究的发展情况,主要包括离子束预处理、离子束与退火后处理、虚设保护层等;重点提出了磁过滤结合激光沉积的复合沉积技术,并建议加速推动无缺陷沉积的原子层沉积技术,为大幅提高光学薄膜抗激光损伤能力、满足当前需求提供了理论基础。     

电子束、离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响

 运用电子束、离子辅助和离子束溅射三种镀膜工艺分别制备光学薄膜，包括单层氧化物薄膜和增透膜，然后采取一系列测试手段，如Zygo轮廓仪、原子力显微镜、表面热透镜技术和X射线衍射等技术，来分析和研究不同的工艺对这些薄膜性能的不同影响，以判断合理的沉积工艺。     

类金刚石薄膜及其进展

为了使研究者能更详细地了解类金刚石（DLC）薄膜的研究现状,综述了类金刚石薄膜的特性及应用,分析对比了目前常用的一些类金刚石薄膜的制备方法,包括物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）,并对类金刚石薄膜的抗强激光损伤特性以及提高其激光损伤阈值的方法进行了论述。结果发现,利用PVD法制备的DLC膜的硬度可以达到40 GPa~80 GPa,且薄膜的残余应力可以达到0.9 GPa~2.2 GPa之间,而CVD法则由于反应气体的充入导致类DLC薄膜的沉积速率大大降低,故使用率不高。同时,优化膜系的电场强度设计,采用合理的制备工艺,进行激光辐照后处理,施加外界电场干预均可有效地提高DLC薄膜的抗激光损伤能力, 且目前的DLC薄膜的激光损伤阈值可达到2.4 J/cm2。     

Brillouin scattering study on the wave properties in thin SiC films

The modified Rayleigh wave velocities on the SiC hetero-epitaxial films have been investigated using a Brillouin scattering technique. The SiC nanoscopic films were formed on clean surface of Si substrates by the molecular ion beam technique or Ion beam induced chemical vapor deposition. Back scattering geometry was used to obtain the ripple Brillouin scattering from the film surface. Owing to the high stability of the measurement system, the precise velocity measurement was performed. As a result, Rayleigh wave velocity showed a clear dependence on the crystalline structure of SiC film, indicating that the shear moduli of very thin epitaxial films shows similar tendency with those of SiC bulk sample.     

Electron beam evaporated LaF3 thin films prepared by different temperatures and deposition rates

LaF₃ thin films were prepared by electron beam evaporation with different temperatures and deposition rates. Microstructure properties including crystalline structure and surface roughness were investigated by X-ray diffraction (XRD) and optical profilograph. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was employed to study the chemical composition of the films. Optical properties (transmittance and refractive index) and laser induce damage threshold (LIDT) at 355 nm of the films were also characterized. The effects of deposition rate and substrate temperature on microstructure, optical properties and LIDT of LaF₃ thin films were discussed, respectively.     

Investigation of interface roughness cross-correlation properties of optical thin films from total scattering losses

The interface roughness and interface roughness cross-correlation properties affect the scattering losses of high-quality optical thin films. In this paper, the theoretical models of light scattering induced by surface and interface roughness of optical thin films are concisely presented. Furthermore, influence of interface roughness cross-correlation properties to light scattering is analyzed by total scattering losses. Moreover, single-layer TiO₂ thin film thickness, substrate roughness of K9 glass and ion beam assisted deposition (IBAD) technique effect on interface roughness cross-correlation properties are studied by experiments, respectively. A 17-layer dielectric quarter-wave high reflection multilayer is analyzed by total scattering losses. The results show that the interface roughness cross-correlation properties depend on TiO₂ thin film thickness, substrate roughness and deposition technique. The interface roughness cross-correlation properties decrease with the increase of film thickness or the decrease of substrates roughness. Furthermore, ion beam assisted deposition technique can increase the interface roughness cross-correlation properties of optical thin films. The measured total scattering losses of 17-layer dielectric quarter-wave high reflection multilayer deposited with IBAD indicate that completely correlated interface model can be observed, when substrate roughness is about 2.84 nm.     

45°高反膜中节瘤缺陷的电场增强效应及损伤特性

研究设计和制备了中心波长为1064 nm的45°多层膜反射镜,通过数值仿真结合实验,对薄膜中节瘤缺陷引起的电场增强效应及其对薄膜抗激光损伤性能的影响进行了研究。结果表明:当1064 nm激光从右至左45°斜入射时,电场增强效应主要出现在节瘤缺陷的表层及其左侧轮廓中部,电场增强效应随节瘤缺陷尺寸增大而增强。实验上,在清洁的基板表面喷布单分散SiO2微球作为人工节瘤种子,采用电子束蒸发制备法完成多层全反膜的制备,采用R-on-1方式对薄膜样品进行激光损伤测试。结果表明,薄膜的损伤阈值随着节瘤缺陷尺寸增加而减小。通过综合分析电场增强效应、薄膜损伤测试结果及损伤形貌特征得出,薄膜损伤阈值降低是由于节瘤缺陷和薄膜中微缺陷共同作用的结果。     

Design of optical system for flattop beam shaper based on the measurement of laser induced damage threshold of thin films

To solve the problem of large error when measure the laser induced damage threshold of thin films in the case of Gaussian distribution beam induced damage thin films, optical system of flattop beam shaper which is capable of redistributing a beam with a Gaussian profile to a flattop profile was designed with optical design software ZEMAX. The Fermi-Dirac beam model was chosen as the distribution function of the flattop beam in this paper, the mapping formula of the input Gaussian beam and the output flattop beam was establish, the surface coefficient of aspheric was given. The energy conversion efficiency was 95.33% and the flattened degree was 93.66% in this design. The accuracy of measurement has been improved when measure the laser induced damage threshold of thin films by the flattop beam.     

离子束流后处理对类金刚石薄膜激光损伤特性的影响

类金刚石薄膜激光损伤阈值低,已经严重制约其在红外激光系统中的应用。基于非平衡磁控溅射技术,在硅基底上沉积类金刚石薄膜;采用离子束流后处理技术,用正交实验法确定影响处理效果的主要因素,对已沉积完成的DLC薄膜进行离子束轰击;在不同处理工艺下,观测薄膜样品的光学常数及拉曼光谱,最后进行了激光损伤测试。从测试结果可知,离子束流后处理参数:离子能量1000eV、放电电流30~40mA、轰击时间8min时,透射率由原来的60.65%提高到了65.98%;消光系数在900nm后明显降低,DLC薄膜的激光损伤阈值从0.69J/cm2提高到1.01J/cm2。