ZrO2薄膜的改性与抗激光损伤研究

 采用水热合成技术，制备了ZrO₂胶体，用旋涂法镀制了单层ZrO₂介质膜以及添加了有机粘合剂PVP的复合ZrO₂-PVP薄膜。采用X射线衍射(XRD)、椭偏仪、红外分光光度计（FTIR）、原子力显微镜（AFM）等仪器对干凝胶及薄膜进行了性能测试和表征，并用输出波长为1.064 μm、脉宽为10 ns的电光调Q激光系统产生的强激光测试其激光损伤阈值。测得ZrO₂和ZrO₂-PVP薄膜在300 ℃热处理60 min后的激光损伤阈值分别为24.5 J/cm²和37.8 J/cm²。研究表明：添加有机粘合剂后的复合薄膜具有平整的表面结构；有机粘合剂的添加有助于提高薄膜的折射率和激光损伤阈值，其中，ZrO₂-PVP 复合薄膜的折射率可高达1.75，激光损伤阈值达到37.8 J/cm²，比ZrO₂单层膜的激光损伤阈值提高50%。     

物理法和化学法制备的单层ZrO2膜的激光损伤行为差异

 分别采用电子束热蒸发技术和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了光学厚度相近的ZrO₂单层薄膜,测试了两类薄膜的激光损伤阈值。分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、孔隙率、微观表面形貌、激光辐照前薄膜的杂质和缺陷状况以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：两类薄膜的不同损伤形貌与薄膜的热吸收与微观结构有关， 物理法制备的ZrO₂膜结构致密紧凑，膜层的杂质和缺陷多；化学法制备的ZrO₂膜结构疏松多孔，膜层纯净杂质少，激光损伤阈值达26.9 J/cm²；因物理法制备的ZrO₂膜拥有更大的热吸收(115.10×10^-6)和更小的孔隙率(0.20)，其激光损伤阈值较小(18.8 J/cm²)，损伤主要为溅射和应力破坏，而化学法制备的ZrO₂膜的损伤主要为剥层。理论上对实验结果进行了解释。     

溶胶-凝胶法制备高折射率TiO2薄膜

 采用溶胶- 凝胶法制备了TiO₂纳米晶溶胶,并以旋涂法（spin-coating）镀制了高折射率光学薄膜。借助光散射技术和透射电镜研究了溶胶的微结构。采用原子力显微镜、场发射扫描电镜、紫外-可见-近红外光谱仪、椭偏仪、漫反射吸收光谱及强激光辐照实验,对膜层的结构、光学性能及抗激光损伤性能进行了系统的表征。结果显示:纳米晶薄膜的折射率达到了1.9,而传统的溶胶-凝胶薄膜折射率只有1.6;同时纳米晶薄膜的抗激光损伤阈值与传统的溶胶-凝胶薄膜相差不大,在1 064 nm处分别为16.3 J/cm²(3 ns脉冲) 和16.6 J/cm²(3 ns脉冲);纳米晶溶胶薄膜可以在保持较高抗激光损伤阈值情况下,大幅度提高薄膜折射率。     

化学法制备的HfO2薄膜的激光损伤阈值研究

 采用化学法制备了HfO₂介质膜，研究了热处理、紫外辐照以及Al₂O₃复合对HfO₂介质膜激光损伤阈值的影响。采用红外光谱（FTIR）和X射线衍射仪对薄膜进行了表征，并用输出波长为1.064 μm、脉宽为10 ns的电光调Q激光系统测试薄膜的激光损伤阈值。实验结果表明：采用150 ℃左右的温度对薄膜进行热处理可以提高薄膜的激光损伤阈值，所获得的薄膜的激光损伤阈值高达42.32 J/cm²，比热处理前的激光损伤阈值提高了82%；无机材料Al₂O₃的适量添加能够提高薄膜的激光损伤阈值，其中HfO₂与Al₂O₃的最佳质量配比约为95∶5；另外，对薄膜进行适当的紫外辐照也可改善HfO₂ 薄膜以及HfO₂-Al₂O₃复合薄膜的抗激光损伤性能。紫外辐照对提高HfO₂-Al₂O₃复合薄膜的激光损伤阈值效果尤为显著，辐照40 min后的激光损伤阈值达到44.33 J/cm²，比紫外辐照前的激光损伤阈值提高了90%。     

用1064nm激光增强HfO2/SiO2薄膜的抗激光损伤能力的实验研究

 用1 064nm激光实验研究了HfO₂/SiO₂薄膜的激光损伤增强效应，实验以薄膜激光损伤阈值70%的激光能量开始，采用N-ON-1方式处理薄膜，激光脉冲的能量增量为5J/cm²。实验结果表明，激光处理薄膜表面能使激光损伤阈值平均提高到3倍左右，并且薄膜的损伤尺度也明显减小。对有缺陷的薄膜，其缺陷经低能量激光后熔和消除，其抗激光损伤能力得到增强，但增强得并不显著，而薄膜本身的激光预处理，可以使其激光损伤阈值大大提高。     

高折射率光学薄膜的化学法制备研究

 报道了一种以ZrOC₁₂·8H₂O为源,溶胶-凝胶法制备高激光负载高折射率薄膜的新方法。薄膜采用旋转镀膜法制备,对薄膜的结构、光学特性及激光损伤阈值进行了测量,有机粘接剂对薄膜折射率及机械强度的影响也作了探讨。以该薄膜与SiO₂溶胶凝胶膜交替涂覆制成的多层高反膜,剩余透过率仅0.98%,激光损伤阈值达16J/cm²（3ns）。     

酸碱分步催化对溶胶-凝胶ZrO2膜光学性能的影响

 以丙醇锆作为前驱体,利用酸碱分步催化法制备了ZrO₂溶胶,用粒度仪检测胶体粒度;用N₂吸脱附表征凝胶的结构;采用旋转镀膜法在K9基片上镀制单层ZrO₂薄膜;用分光光度计和椭偏仪检测膜层的透过率、折射率及膜层厚度;用红外光谱仪检测胶体内部粒子间化学键状态。实验结果发现,在脉宽1 nm,波长1 064 nm时,采用此种胶体镀制的单层ZrO2膜层折射率达到1.74,单层膜损伤阈值为9.0 J/cm²,表明该方法集中了酸与碱两种催化方式的优点,一定程度上提高了膜层的光学性能。     

溶胶-凝胶法MgF2紫外增透膜的制备和性能研究

 采用溶胶-凝胶法,以醋酸镁和氟化氢为原料,以甲醇为溶剂制备了MgF₂溶胶,利用浸渍提拉法在洁净石英基片上镀膜,考察了反应温度对溶胶微结构、薄膜结构和性能的影响。样品采用激光动态光散射、透射电镜、X射线粉体衍射仪、紫外-可见光谱仪、原子力显微镜进行表征。结果表明：通过该方法制备的表面平整的低折射率MgF₂薄膜,在紫外区具有很好的增透性能,同时在紫外波长355 nm激光的辐照下（脉宽6 ns）,薄膜具有较高的抗激光损伤性能,激光损伤阈值达10.85 J·cm^-2。     

层间热处理对SiO2/ZrO2双层膜的影响

 以正硅酸乙酯和丙醇锆为前驱体,用溶胶-凝胶法在K9基片上提拉镀制SiO₂/ZrO₂双层膜。采用不同实验步骤制备了2个样品,样品1镀完SiO₂后直接镀ZrO₂ ,样品2镀完SiO₂经热处理后再镀ZrO₂。采用原子力显微镜、椭偏仪、紫外-可见分光光度计对薄膜进行表征。针对SiO₂/ZrO₂双层膜,考虑到膜间渗透的影响,采用３层Cauchy模型进行椭偏模拟,椭偏参数的模拟值曲线与椭偏仪的测量值曲线十分吻合,进而发现热处理可以使SiO₂/ZrO₂双层膜之间的渗透减少近23 nm,从而提高其峰值透射率。利用输出波长1.064 mm,脉宽8.1 ns的激光束对样品进行了损伤阈值的测试,用光学显微镜观察损伤形貌,结果发现两者损伤阈值分别为13.6 J/c2和14.18 J/cm²,均为膜的本征损伤。     

电子束蒸发法制备ZrO2薄膜的相变模型分析

 用电子束蒸发方法制备了纯的ZrO₂薄膜和含Y₂O₃摩尔分数为7%和13%的ZrO₂薄膜,即YSZ薄膜,通过测定薄膜的损伤阈值来验证温度诱导相变模型;并用X射线衍射（XRD）来测定ZrO₂和YSZ镀膜材料和薄膜的结构特征。结果表明：ZrO₂镀膜材料和薄膜室温下都表现为单斜相,YSZ镀膜材料和薄膜室温下都以立方相存在;YSZ薄膜的损伤阈值远高于ZrO₂薄膜的损伤阈值,这是因为添加Y₂O₃后的YSZ材料的相比较稳定,在蒸发过程中不会发生相变,而ZrO₂材料则发生相变,产生缺陷,缺陷在激光作用下成为吸收中心和初始破坏点,导致ZrO₂薄膜的损伤阈值降低。     

辐照激光能量对SiO2薄膜特性及结构的影响

 为了认识SiO2薄膜在激光辐照下的变化,本文以K9玻璃为基底,采用电子束热蒸发方法制备了SiO2薄膜,并将此组在相同实验条件下制备的薄膜加以不同能量的激光辐照,研究在激光辐照前后样片的透射率、折射率、消光系数、膜厚、表面形貌及激光损伤阈值（LIDT）的变化。结果表明,样片膜厚随激光能量的增加而减小,辐照激光能改善薄膜表面形貌,并使样片LIDT值提高,最终能使样片的LIDT值从16.96 J/cm2提高至18.8 J/cm2。     

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.     

Laser-induced damage of high reflectors for Ti:sapphire laser system

A broadband (～ 176 nm, R ＞ 98%, λ0 = 800 nm) and high laser-induced damage threshold (LIDT =2.4 J/cm2) TiO2/HfO2/SiO2 high reflector (HR) for Ti:sapphire chirped-pulse amplification (CPA) laser system is fabricated by the electron beam evaporation. The refractive index and extinction coefficient of TiO2 and HfO2 films are calculated from single-layer films' transmittance spectra. The properties of HR are mainly determined by the high refractive index material. The high refractive index leads to wide bandwidth. A low extinction coefficient indicates low absorption and high LIDT. The possible damage mechanism of HR is discussed.     

Characterization of LaF3 coatings prepared at different temperatures and rates

LaF₃ thin films were prepared by thermal boat evaporation at different substrate temperatures and various deposition rates. X-ray diffraction (XRD), Lambda 900 spectrophotometer and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were employed to study crystal structure, transmittance and chemical composition of the coatings, respectively. Laser-induce damage threshold (LIDT) was determined by a tripled Nd:YAG laser system with a pulse width of 8 ns. It is found that the crystal structure became more perfect and the refractive index increased gradually with the temperature rising. The LIDT was comparatively high at high temperature. In the other hand, the crystallization status also became better and the refractive index increased when the deposition rate enhanced at a low level. If the rate was super rapid, the crystallization worsened instead and the refractive index would lessen greatly. On the whole, the LIDT decreased with increasing rate.     

532 nm激光辐照下ZnSe薄膜光学特性研究

采用电子束热蒸发技术制备了ZnSe薄膜,研究了532 nm波长的不同能量(2.0 mJ、2.5 mJ、3.0 mJ)、不同脉冲数(3、10、15)激光诱导前后,ZnSe薄膜的透射率、折射率、消光系数、损伤阈值(LIDT)的变迁。研究结果显示,在能量为2.0 mJ激光辐照后,ZnSe薄膜折射率提高,透射率下降。相比较能量为2.5 mJ、3.0 mJ激光辐照,在能量为2.0 mJ激光辐照后折射率提高最明显,由2.489 4提高到2.501 6。薄膜损伤阈值从0.99 J/cm2提高到1.39 J/cm2(10脉冲辐照);薄膜的损伤经过了无损伤到严重损伤突变的损伤演变过程。采用原子力显微镜对预处理后薄膜表面粗糙度进行检测,发现激光预处理后的薄膜表面粗糙度Ra有所下降,从0.563 nm降低到0.490 nm(15脉冲激光辐照)。     

高功率脉冲电子束辐照SiO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;的光学和激光损伤性能

研究了不同剂量的60 kW高功率脉冲电子束辐照对高纯熔石英玻璃的微观结构、光学性能和激光损伤特性的影响规律. 光学显微图像表明, 辐照后熔石英样品由于热效应导致表面破裂, 裂纹密度和尺寸随辐照剂量增加而增大, 采用原子力显微镜分析表面裂纹的微观形貌, 裂纹宽度约1 um, 同时样品表面分布着大量尺寸约0.1–1μm的碎片颗粒. 吸收光谱测试表明, 所有样品均在394 nm处出现微弱的吸收峰, 吸收强度随着电子束辐照剂量增大呈现先增加后减小的趋势. 荧光光谱测试发现辐照前后样品均有3个荧光带, 分别位于460, 494和520 nm, 荧光强度随辐照剂量的变化趋势与吸收光谱一致. 利用355 nm激光研究了不同剂量电子束辐照对熔石英激光损伤阈值的影响, 结果表明熔石英的损伤阈值随着辐照剂量的增加而降低. 在剂量较低时, 导致熔石英激光损伤阈值下降的原因主要是色心缺陷; 剂量较高时, 导致损伤阈值降低的原因主要是样品表面产生的大量微裂纹和碎片颗粒对激光的调制和吸收. 关键词： 熔石英 电子束辐照 色心 激光损伤阈值     

缺陷对HfO2薄膜的激光弱吸收与损伤阈值的影响

激光弱吸收是导致光学薄膜损伤的重要原因。在(5~43)mPa的氧分压下制备并测试了一组HfO2薄膜。实验发现,当氧分压小于20mPa时,薄膜弱吸收越大,损伤阈值越低;当氧分压大于20mPa时,薄膜的损伤阈值与弱吸收并不一一对应,具有较高弱吸收的薄膜可能同时具有较高的损伤阈值。建立了缺陷模型,采用有限元法模拟了缺陷对弱吸收测量和损伤阈值测量的影响,分析了缺陷尺寸、密度、吸收系数对弱吸收和损伤阈值的影响。研究结果显示,吸收系数高于薄膜1 000倍的缺陷可以降低薄膜的损伤阈值1 000倍,却并不影响薄膜的弱吸收。缺陷对HfO2薄膜的激光弱吸收与损伤阈值测试有完全不同的影响,是导致某些薄膜弱吸收与损伤阈值背离的原因。     

紫外Sc_2O_3薄膜的光学和结构性能表征及其激光作用下的损伤机理

利用电子束蒸发方法,在不同沉积温度(50~350℃)下制备了Sc2O3薄膜。分别用分光光度计,小角掠入射X射线衍射仪和轮廓仪测试了薄膜样品的光谱、微结构和表面粗糙度信息,并用薄膜分析软件Essential Macleod计算了Sc2O3薄膜的折射率和消光系数。结果表明:随着沉积温度升高,Sc2O3薄膜结晶程度增强,晶粒尺寸增大,且较高的沉积温度有利于获得较高的折射率。最后用355 nm,8 ns的三倍频Nd:YAG激光器测试了其激光损伤阈值(LIDT),最大值为2.6 J/cm2,且阈值与薄膜的消光系数、表面粗糙度、光学损耗均呈现相反的变化趋势。用光学显微镜和扫描电子显微镜表征了该薄膜的破坏形貌,详细分析了薄膜在不同激光能量作用下破坏的发展过程,以及Sc2O3薄膜在355 nm紫外激光作用下LIDT与制备工艺的关系,重点分析了355 nm激光作用下薄膜的破坏机理。     

两种后处理方法对HfO2薄膜性能的影响

利用电子束蒸发和光电极值监控技术制备了氧化铪薄膜,并分别用两种后处理方法(空气中退火和氧等离子体轰击)对样品进行了处理.然后,对样品的透过率、吸收和抗激光损伤阈值进行了测试分析.实验结果表明,两种后处理方法都能不同程度地降低了氧化铪薄膜的吸收损耗、提高了抗激光损伤阈值.实验结果还表明,氧等离子体轰击的后处理效果明显优于热退火,样品的吸收平均值在氧等离子体后处理前后分别为34.8 ppm和9.0 ppm,而基频(1 064 nm)激光损伤阈值分别为10.0 J/cm2和21.4 J/cm2.     

Effects of deposition parameters on laser-induced damage threshold of Ta2O5 films

Ta₂O₅ films were deposited on BK7 substrates by e-beam evaporation with different deposition parameters such as substrate temperature (323-623 K), oxygen pressure (0.5-3.0×10⁻² Pa) and deposition rate (0.2-0.5 nm/s). Absorption, scattering and chemical composition were investigated by surface thermal lensing (STL) technique, total integrated scattering (TIS) measurement and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. The laser-induced damage threshold (LIDT) was assessed using pulsed Nd:YAG 1064 nm laser at a pulse length of 12 ns. The results showed that optical properties, absorption and LIDT were influenced by the deposition parameters and annealing. However, scattering was little correlated with the deposition parameters. On the whole, the LIDT increased with increasing substrate temperature and oxygen pressure, whereas it increased firstly and then decreased upon increasing deposition rate. After annealing at 673 K for 12 h, the LIDT of films improved significantly. The dependence of possible damage mechanism on deposition parameters was discussed.