二氧化硅增透膜微观结构与激光损伤阈值的调控

采用溶胶-凝胶技术制备了二氧化硅增透膜,通过向溶胶中添加高分子聚乙烯醇缩丁醛（PVB）,调控胶体的粒径,进而控制膜层微观结构,研究膜层微观结构与激光损伤阈值的关系。纳米粒度仪和扫描探针显微镜测试表明:PVB加入溶胶后,控制了二氧化硅胶粒的生长,使二氧化硅胶粒生长更均匀,因而膜层的微观结构更均匀。当PVB质量分数为1%时,胶体粒径为15 nm,分散系数小于0.1。用该胶体镀膜,膜层均匀,表面粗糙度小于3.25 nm。并且PVB加入后增加了膜层胶粒间的黏附性,使得膜层强度增大。PVB加入使膜层的激光损伤阈值有所增加。当PVB的添加量为1%时,膜层的激光损失阈值从30.0 J/cm2增加到40.1 J/cm2。膜层激光损伤阈值的增加与膜层微观均匀性和物理强度的增加有关。     

HfO_2单层膜的吸收和激光损伤阈值测试

薄膜吸收是降低膜层激光损伤阈值的重要原因,为了研究薄膜吸收对激光损伤阈值的影响,对HfO2单层膜在1 064 nm处的吸收及其在不同波长激光辐照下的损伤阈值进行了测试和分析。研究结果表明:薄膜的激光损伤阈值由薄膜吸收平均值(决定于薄膜中缺陷的种类和数量)和吸收均匀性(决定于薄膜中缺陷的分布)共同决定;根据HfO2单层膜在1064 nm波长处的吸收值,不但可以定性判断薄膜在1 064 nm波长,而且还可以判断在其它波长激光辐照下的抗激光损伤能力。     

高反射光学薄膜激光损伤研究进展

激光诱导损伤阈值是大功率光学系统中重要参数,其数值大小对激光系统的输出功率与稳定性具有重要影响。为了突破损伤阈值对激光光学系统输出功率的限制,科研人员主要从制备薄膜工艺、激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺等方面开展研究。本文介绍了高反膜理论、制备工艺;综述了近十年来国内外对高反膜损伤研究的成果;阐述了激光特性、薄膜特性以及薄膜后工艺对薄膜损伤阈值的影响。在此基础上,对提高高反膜损伤阈值的研究和发展趋势进行了分析与展望。     

聚乙二醇对溶胶-凝胶SiO2增透膜激光损伤行为的影响

 采用溶胶-凝胶工艺制备了聚乙二醇（PEG）改性SiO₂单层增透膜，用输出波长1.06 μm，脉宽3 ns的调Q激光系统产生的强激光进行辐照实验。观察了添加PEG前后的膜层的微结构、表面形貌以及激光损伤行为的变化，讨论了PEG对薄膜激光损伤行为产生影响的机制。结果表明：添加的PEG可以修饰、导向溶胶簇团的生长和交联，并使之有序，由此制备的薄膜结构规整，微缺陷减少，这就提高了膜层的激光损伤阈值；在激光辐照过程中，膜料吸收激光能量，膜层温度升高，膜层的PEG分子受热逐步分解挥发，膜层产生损伤。     

超高阈值Pick-off反射镜的研制

 采用水中抛光技术抛制了90mm×60mm×10 mm的K₉玻璃基片,表面粗糙度达1nm。在APS1504镀膜机上,摸索了电子束蒸发镀膜的最佳工艺条件,较稳定地在该超光滑玻璃表面上镀制了对波长1054 nm、入射角45°、反射率R≥99.5%的反射膜。膜层的抗激光损伤阈值可达26 J/cm²(1054nm, 1ns),镀膜后该玻璃基片反射波前可达l /10(p-v),最终制备了超高阈值Pick-off反射镜。     

减反膜的梯度化与激光损伤阈值之间的关系研究

光学减反膜是激光系统的重要组成部分，也是在激光照射下最容易发生损伤的部分，如何提高减反膜的激光损伤阈值是研究的热点之一。在保持目标透射光谱要求和膜系总光学厚度不变的前提下，研究了不同梯度化减反膜与激光损伤阈值之间的关系。首先采用混合渐变膜系设计方法设计了一种渐变减反膜系，G/H₁→H/L/A；其次通过渐变折射率分层等效方法将渐变减反膜系进行不同的梯度化，并利用PECVD技术，在K9玻璃上沉积了满足光学性能指标要求的不同渐变减反膜系(多层梯度渐变膜系和相应的坡度渐变膜系)；最后进行了激光损伤阈值(LIDT)测量。研究结果表明:在保持目标透射光谱要求和膜系总光学厚度不变的前提下，渐变减反膜系相比于传统减反膜系，抗激光损伤阈值有明显的提高；随着梯度化层数的增加，渐变减反膜系的激光损伤阈值呈减小的趋势；对于相同膜层的渐变折射率薄膜，采用坡度法制备的样片抗激光损伤阈值均优于采用梯度化制备的样片。     

氧化物薄膜抗1064nm脉冲激光损伤的特性研究

对向种氧化物介质膜料的单层膜、增透膜及高反膜的激光损伤特性进行了实验研究,分别测试了单脉冲和多脉冲１０６４ｎｍ激光的损伤阈值,分析和讨论了实验的物理现象及其结果。研究表明ＳｉＯ２、Ｇｄ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３具有激光损伤阈值高、损伤程度轻的特点,特别对１０Ｈｚ激光而言,更是明显;增透膜及高反膜加λ／２层ＳｉＯ２对其激光损伤程度和损伤几率。     

光学玻璃基底原子层同质材料沉积薄膜光谱及激光诱导损伤特性研究

通过原子层沉积技术在熔石英玻璃表面制备了同质材料的单层SiO₂薄膜,对光学薄膜的物理化学性质和强激光辐照下的激光诱导损伤性能进行了深入研究。实验中采用双叔丁基氨基硅烷（BTBAS）和臭氧（O₃）作为反应前驱体,在熔石英光学元件表面进行了SiO₂薄膜的原子层沉积工艺研究,以不同沉积温度条件制备了一系列膜样品。首先对原子层沉积特性和薄膜均匀性展开了研究,发现薄膜生长厚度与沉积循环次数之间符合线性生长规律,验证了制备薄膜的原子级逐层生长特性,并且表面沉积膜层的均匀性很好,其测得膜厚波动不超过2%。然后针对不同温度条件下沉积的SiO₂薄膜,对其粗糙度及各类光谱特性展开了研究,对比结果表明：样品的表面粗糙度在镀膜后有轻微的降低;薄膜样品在200～1 000 nm范围内具有出色的透过率,均超过90%并逐渐趋近于93.3%,且其透射光谱与在裸露熔石英衬底上测得的光谱没有明显差异;镀膜前后荧光光谱和傅里叶变换红外光谱的差异证实了原子层沉积SiO₂膜中点缺陷（非桥键氧、氧空位、羟基等）的存在,这将会影响薄膜耐损伤性能。最后对衬底和膜样品进行了紫外激光诱导损伤测试,损伤阈值的变化表明熔石英元件表面沉积薄膜后的激光损伤性能有所降低,其零概率损伤阈值从31.8 J·cm-2减小到20 J·cm-2左右,与光谱缺陷情况表征相符合。薄膜中点缺陷部位会吸收紫外激光能量,导致局域温度升高,进而出现激光诱导损伤现象并降低抗激光损伤阈值。在选定的沉积温度范围内,较高温度条件下沉积的SiO₂薄膜其激光诱导损伤性能更好,可以控制沉积温度条件使得元件的抗损伤性能更为接近衬底本身,后续有望通过其他反应参数的优化来获得薄膜抗损伤性能的进一步提升。     

化学增透膜激光疲劳损伤效应

疲劳效应是诱导高功率固体激光装置中光学元件激光损伤的因素之一，目前对SiO₂化学增透膜激光诱导疲劳损伤的研究鲜见报道。基于此，本文采用单一激光能量多发次辐照和多梯度激光能量多发次辐照两种不同的激光辐照方式，研究1064 nm化学增透膜层的激光疲劳损伤效应及特征。研究结果表明，在单一激光能量多发次脉冲激光辐照下，膜层最易发生疲劳损伤; 采用多梯度激光能量多发次辐照的方式，可以有效地提升膜层的损伤阈值，进而提升膜层的抗激光疲劳损伤性能。     

多重分形谱研究溶胶-凝胶SiO2疏水减反膜的激光预处理作用

采用溶胶-凝胶提拉技术制备了SiO₂疏水减反膜.使用Nd：YAG激光（波长为1064nm,脉宽为7.5ns）采用“R on 1”方式对所得膜层进行了激光预处理.在预处理前后采用“1 on 1”方式考察了薄膜的激光损伤阈值的变化,使用原子力显微镜（AFM）观察了薄膜的表面形貌的变化,并使用多重分形谱（MFS）方法分析了薄膜分形结构的变化.结果表明经过激光预处理后薄膜的抗激光损伤阈值有了明显提高,均方根表面粗糙度（R_q）稍有减小,膜面变平整,多重分形谱宽度收缩,分形区间的分布均匀性改善.这说明经过激光预处理后薄膜表面微结构趋向规整,使之能够承受更强的激光的辐照.同时也说明借助多重分形谱可以获得更多薄膜表面结构变化的信息,多重分形谱是探索强激光对光学薄膜辐照作用机理的一个十分有用的方法. 关键词： 2疏水减反膜')" href="#">SiO₂疏水减反膜 激光预处理 多重分形谱 激光损伤阈值     

溶胶-凝胶SiO2酸性膜与碱性膜的激光损伤行为

 采用溶胶-凝胶技术分别在K9基片上镀制了光学厚度相近的单层SiO₂酸性膜和碱性膜。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、扫描电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：相对于碱性膜，酸性膜有更大的热吸收和更小的孔隙率，因此其激光损伤阈值较小；两类薄膜不同的损伤形貌与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。     

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。     

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。     

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。     

1 064 nm激光对氧化铟锡薄膜的损伤研究

 液晶光学器件在激光光束精密控制上具有重要应用前景,氧化铟锡（ITO）薄膜作为液晶光学器件的透明导电电极,是液晶器件激光损伤的薄弱环节。为此,建立了ITO薄膜激光热损伤物理模型。理论计算结果表明：1 064 nm激光对ITO薄膜的损伤主要为热应力损伤;连续激光辐照下,薄膜损伤始于靠近界面的玻璃基底内;脉冲激光辐照下,温升主要发生在光斑范围内的膜层,薄膜损伤从表面开始。利用泵浦探测技术,研究了ITO薄膜的损伤情况,测量了不同功率密度激光辐照后薄膜的方块电阻,结合1-on-1法测定了ITO薄膜的50%损伤几率阈值。实验结果表明：薄膜越厚,方块电阻越小,激光损伤阈值越低;薄膜未完全损伤前,方块电阻随激光功率密度的增加而增大。理论计算与实验结果吻合较好。设计液晶光学器件中的ITO薄膜电极厚度时,应综合考虑激光损伤、透光率及薄膜电阻的影响。     

UV-laser ablation of ductile and brittle metal films

Single-shot laser damage of Ni and Cr films on fused silica substrates has been studied as a function of film thickness, utilizing 248 nm/14 ns pulses and detection by probe beam deflection. Threshold fluences for visible damage and vaporization are compared to predictions of the heat diffusion model. The model fits thresholds for visible damage well and identifies their origin, which is melting for Ni films and brittle-to-ductile phase transition for Cr films. When predicting thresholds for vaporization, the diffusion model is of limited success in case of Ni films but fails completely for Cr films, indicating that transient thermal properties of the material should be taken into account. Microscopic inspection shows that Cr films rupture at low fluences before entering the common sequence of melting and vaporizing with increasing fluence. 17 December 1996/Accepted: 17 December 1996     

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。     

CO2激光和等离子体清洗提高石英基片损伤阈值

 采用连续CO₂激光和真空等离子体相结合的方法对石英基片进行清洗。通过光学显微图、水接触角、透过率和损伤阈值测量分别表征了CO₂激光和等离子体对真空硅脂蒸发物污染过的石英基片的清洗效果。研究表明：对于真空硅脂蒸发物污染后的石英基片，可以先采用低能量的CO₂激光进行大面积清洗，再用真空等离子体进行精细清洗。光学显微图像表明：清洗后的基片表面的油珠被清除干净；水滴接触角由63°下降到4°；在400 nm附近，基片透过率由92.3%上升到93.3%；损伤阈值由3.77 J/cm²上升到5.09 J/cm²。     

Experimental research of laser-induced damage of the monolayer ZrO2 PVD and sol–gel films

Monolayer zirconia physical vapor deposition (PVD) and sol–gel films on K9 glass substrates were prepared by electron beam evaporation and spin coating methods, respectively. The laser-induced damage threshold (LIDT) of each film was measured. Properties of the films were analyzed using Stanford photo-thermal solutions (SPTS), ellipsometry, atomic force microscopy (AFM) and optical microscopy to study the damage mechanism of films under laser irradiation. The experimental results showed that, compared with the monolayer zirconia sol–gel film, the monolayer zirconia PVD film had larger absorption and smaller porous ratio, and that it had smaller LIDT. The different damage morphologies of films were influenced by their different absorption and microstructure characteristics. The zirconia sol–gel film is more suitable for applications involving high-power lasers.     

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。