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%。     

氧分压对ZrO2薄膜激光损伤阈值的影响

 在不同的氧分压下用电子束热蒸发的方法制备了ZrO₂薄膜。分别通过X射线衍射、光学光谱、热透镜技术、抗激光辐照等测试，对所制备样品的微结构、折射率、吸收率及激光损伤阈值进行了测量。实验结果表明，薄膜中晶粒主要是四方相为主的多晶结构，并且随着氧分压的增加，结晶度、折射率以及弱吸收均逐渐降低。薄膜的激光损伤阈值开始随着氧分压增加从18.5J/cm²逐渐增加，氧分压为9×10^-3Pa时达到最大，值为26.7 J/cm²，氧分压再增加时则又降低到17.5 J/cm²。由此可见，氧分压引起的薄膜微结构变化是ZrO₂薄膜激光损伤阈值变化的主要原因。     

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。     

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%。     

SiO2内保护层对LiB3O5晶体倍频增透膜损伤阈值的影响

 利用离子辅助电子束沉积方法在LiB₃O₅基底上镀制了不加SiO₂内保护层和加SiO₂内保护层的倍频增透膜，测量了两类薄膜在波长1 064 nm多脉冲辐照下的激光损伤阈值，获得了两种不同的损伤形貌，并对损伤原因作了初步探讨。实验结果表明：保护层的加入把由基底膜层界面缺陷吸收所决定的阈值改变到由HfO₂膜层内缺陷吸收所决定的阈值，显著提高了倍频增透膜的抗激光损伤能力。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

铜膜和铁膜污染物诱导熔石英表面损伤行为的对比研究

采用人工溅射的方式分别在熔石英基片上镀制了光学厚度相近的铜膜和铁膜污染物。研究了熔石英基底在355nm波长的激光损伤阈值。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、膜层厚度、表面微观形貌以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：熔石英表面的金属膜状污染物均导致基片损伤阈值下降,位于前表面的污染物引起的损伤阈值下降更为严重,约为23％。两种污染物薄膜引起基底的损伤形貌、基底损伤阈值的下降幅度与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。从热力学响应角度,结合损伤形貌对污染物诱导熔石英表面形貌的损伤机理进行了讨论。     

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.     

Laser-induced damage of Ta2O5/SiO2 narrow-band interference filters under different 1064 nm Nd:YAG laser modes

The laser-induced damage (LID) behavior of narrow-band interference filters was investigated with a Nd:YAG laser at 1064 nm under single-pulse mode and free-running mode. The absorption measurement of such coatings was performed with surface thermal lensing (STL) technique. The damage morphologies under the two different laser modes were also studied in detail. It was found that all the filters exhibited a pass-band-center-dependent absorption and laser-induced damage threshold (LIDT) behavior, but the damage morphologies were diverse. The explanation was given with the analysis of the electric field distribution and the operational behavior of the irradiation laser.     

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)。     

溶胶-凝胶光学薄膜的激光损伤研究

 采用溶胶-凝胶工艺制备了SiO₂与ZrO₂单层介质膜，用输出波长1.06μm，脉宽15ns的电光调Q激光系统产生的强激光进行辐照实验。观察了光学薄膜经强激光辐照后的损伤情况，讨论了溶胶 凝胶光学薄膜在强激光照射下的损伤机理，提出了溶剂替换、紫外光处理、添加有机粘接剂等提高溶胶 凝胶光学薄膜激光损伤阈值的方法。     

熔石英表面铜膜污染物诱导损伤实验研究

 在熔石英元件表面溅射一层厚度小于10 nm的金属铜膜污染物,并测试元件的透过率。测试355 nm熔石英元件的激光损伤阈值,并用光学显微镜观测损伤形态。实验结果表明：污染后的熔石英元件的损伤阈值降低20%左右,元件表面的金属污染物薄膜经强激光辐照,在熔石英表面形成很多坑状微损伤,分布不均的热应力导致表面起伏,并有明显的烧蚀现象,导致基底损伤阈值下降。建立的光吸收和热沉积传输模型初步解释污染物膜层导致熔石英元件损伤的机理。     

Damage investigations of AR coating under atmospheric and vacuum conditions

The damage characteristics of anti-reflection films exposed to 1064 nm nanosecond laser pulses in vacuum and air were investigated. The laser-induced damage thresholds (LIDT) in vacuum and air environments were compared. The damage morphologies were locally analyzed using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). The depth of the damage sites in the two environments was analyzed by Alpha2Step 500 m. The differences between the damage observed in the two environments were discussed based on the temperature distribution, absorption and vacuum gaseous composition measurements and gas pressure influence analysis. Increased coupling of the plasma shock wave and adsorbing water in the coating layer may be considered as the primary cause of the low LIDT observed in vacuum.     

应用离子后处理技术提高薄膜激光损伤阈值

利用电子束热蒸发方法在K9玻璃基底上沉积氧化锆薄膜，并对其中一些样品用低能O2+进行了后处理。采用表面热透镜技术测量薄膜样品表面弱吸收，采用显微镜观察样品离子后处理前后的显微缺陷密度。测试结果表明:经离子后处理样品表面的缺陷密度从18.6/mm2降低到6.2/mm2，且其激光损伤阈值从15.9 J/cm2提高到23.1 J/cm2，样品的平均吸收率从处理前的1.147×10-4降低到处理后的9.56×10-5。通过对处理前后样品的表面微缺陷密度、吸收率及损伤形貌等的分析发现:离子后处理可以降低薄膜的显微缺陷和亚显微缺陷，从而降低薄膜的平均吸收率，同时增强了薄膜与基底的结合力，提高了薄膜的激光损伤阈值。     

表面Al膜污染物诱导熔石英表面损伤特性

在熔石英表面人工溅射一层Al膜污染物,分别测试污染前后熔石英基片在355 nm波长激光辐照下的损伤阈值,并采用透射式光热透镜技术、椭偏仪和光学显微镜研究了污染物Al膜的热吸收、厚度以及激光辐照前后熔石英的损伤形貌。用355 nm波长的脉冲激光分别辐照位于污染的熔石英和洁净的熔石英前后表面的损伤点,并用显微镜在线采集损伤增长图样,测试损伤点面积。实验表明:熔石英前表面的金属Al膜污染物导致基片损伤阈值的下降约30%,后表面的污染物导致基片下降约15%,位于熔石英样片后表面损伤点面积随激光辐照次数呈指数增长,而位于前表面的损伤点面积与激光脉冲辐照次数呈线性增长关系;带有污染的熔石英样片的增长因子比洁净的熔石英样片的增长因子高30%。