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。     

光学膜层激光预处理过程研究

 光学元件经过激光预处理后，其抗激光破坏能力最大提高2倍以上，系统研究激光预处理机理和工艺，能安全可靠地提高光学元件损伤阈值，提升高功率激光系统的能量密度。研究了几种sol gel膜、PVD膜在预处理前后膜层表面的变化（损伤形貌）以及损伤阈值的增幅，发现预处理过程膜层仍然发生了一定程度的轻微损伤，这种损伤和膜层本身缺陷、激光参数密切相关，预处理过程可逐步消除膜层缺陷。     

沉积温度对热舟蒸发MgF2薄膜性能的影响

 采用热舟蒸发方法沉积了氟化镁(MgF₂)材料的单层膜,沉积温度从200 ℃上升到350 ℃,间隔为50 ℃。测量了样品的透射率和反射率光谱曲线,进行了表面粗糙度的标定,并在此基础上进行了光学损耗及散射损耗的计算。同时对355 nm波长处的激光诱导损伤阈值进行了测量。结果表明:随着沉积温度的升高,光学损耗增加;在短波长范围散射损耗在光学损耗中所占比例很小,光学损耗的增加主要由吸收损耗引起;在355 nm波长处的损伤阈值变化与吸收损耗的变化趋势相关,损伤机制主要是吸收起主导作用。样品的微缺陷密度也是影响损伤阈值的一个重要因素,损伤阈值随缺陷密度的增加而降低。     

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。     

溶胶-凝胶ZrO2-TiO2高折射率光学膜层的抗激光损伤性能研究

采用溶胶-凝胶方法制备了ZrO2-TiO2(Ti含量为0-100 mol%)高折射率光学薄膜.借助激光动态光散射技术研究溶胶微结构.采用傅里叶变换红外光谱、原子力显微镜、薄膜光学常数分析仪、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表征.结果显示,溶胶-凝胶工艺可以在部分牺牲折射率的情况下,使膜层的抗激光损伤性能得到大幅度提升.随Ti含量从0mol%增加至100 mol%,膜层的平均损伤阈值呈下降趋势,当Ti含量从0mol%增加至60mol%时,平均损伤阈值从57.1 J/cm2下降到21.1 J/cm2(辐照激光波长为1053 nm,脉冲宽度为10 ns,"R/1"测试模式),当Ti含量从60mol%增加至100mol%时,平均损伤阈值变化很小.综合溶胶微结构、膜层光学性能和损伤实验结果可以推断,强激光诱导多光子吸收是引起膜层损伤的主要原因.不同配比的复合膜之间光学带隙的显著差异导致相同辐照激光情况下多光子吸收的概率发生变化,从而导致损伤阈值的规律性变化.     

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。     

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。     

单层SiO2物理膜与化学膜激光损伤机理的对比研究

采用离子束溅射沉积技术和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了厚度相近的SiO₂单层介质膜，用表面热透镜技术对两类膜层分别进行了热吸收及实时动态热畸变实验测试，结合散射光阈值测试及实验前后膜层的显微观测，对相同基底、相同膜层材料而采用不同方法镀制的光学膜层，发现化学膜的强激光损伤阈值远高于相应物理膜；从热力学响应及膜层特性差异的角度揭示了化学膜层的强激光损伤阈值远高于相应物理膜层的微观机理，即物理膜具有高吸收下的致密膜层快传导的基底热冲击效应，而化学膜则有低吸收下的疏松空隙填充慢传导的延缓效应，大量的实验数据及现象都证实了这一结论. 关键词： 强激光辐照损伤 损伤形貌 热冲击 热吸收     

溶胶-凝胶ZrO2-TiO2高折射率光学膜层的抗激光损伤性能研究

采用溶胶-凝胶方法制备了ZrO₂-TiO₂(Ti含量为0—100mol%)高折射率光学薄膜. 借助激光动态光散射技术研究溶胶微结构. 采用傅里叶变换红外光谱、原子力显微镜、薄膜光学常数分析仪、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表征. 结果显示，溶胶-凝胶工艺可以在部分牺牲折射率的情况下，使膜层的抗激光损伤性能得到大幅度提升. 随Ti含量从0mol%增加至100mol%，膜层的平均损伤阈值呈下降趋势，当Ti含量从0mol%增加至60mol%时，平均损伤阈值从57.1J/cm²下降到21.1J/cm²(辐照激光波长为1053nm，脉冲宽度为10ns，“R/1”测试模式)，当Ti含量从60mol%增加至100mol%时，平均损伤阈值变化很小. 综合溶胶微结构、膜层光学性能和损伤实验结果可以推断，强激光诱导多光子吸收是引起膜层损伤的主要原因. 不同配比的复合膜之间光学带隙的显著差异导致相同辐照激光情况下多光子吸收的概率发生变化，从而导致损伤阈值的规律性变化. 关键词： 2-TiO₂薄膜')" href="#">ZrO₂-TiO₂薄膜 溶胶-凝胶 激光诱导损伤 光学带隙     

单层SiO2物理膜与化学膜激光损伤机理的对比研究

采用离子束溅射沉积技术和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了厚度相近的SiO2单层介质膜,用表面热透镜技术对两类膜层分别进行了热吸收及实时动态热畸变实验测试,结合散射光阈值测试及实验前后膜层的显微观测,对相同基底、相同膜层材料而采用不同方法镀制的光学膜层,发现化学膜的强激光损伤阈值远高于相应物理膜;从热力学响应及膜层特性差异的角度揭示了化学膜层的强激光损伤阈值远高于相应物理膜层的微观机理,即物理膜具有高吸收下的致密膜层快传导的基底热冲击效应,而化学膜则有低吸收下的疏松空隙填充慢传导的延缓效应,大量的实验数据及现象都证实了这一结论.     

Effect of Process Parameters on Laser Damage Threshold of TiO2 Coatings

We investigate the laser damage behaviour of an electron-beam-deposited TiO2 monolayer at different process parameters. The optical properties, chemical composition, surface defects, absorption and laser-induced damage threshold （LIDT） of films are measured. It is found that TiO2 films with the minimum absorption and the highest LIDT can be fabricated using a TiO2 starting material after annealing. LIDT is mainly related to absorption and is influenced by the non-stoichiometric defects for TiO2 films. Surface defects show no evident effects on LIDT in this experiment.     

真空环境下光学薄膜的激光损伤

利用1-on-1损伤测试方法,比较研究了电子束沉积制备的几种薄膜在真空、大气环境下的损伤特性,并对真空环境与大气环境损伤的差异进行了分析。研究结果显示:真空环境下的损伤阈值明显低于大气环境下的损伤阈值,真空环境下的破斑形貌也与大气环境下的破斑形貌有显著差异。气体热传导差异不是真空环境与空气环境下损伤差异的原因。由水的解吸而引起膜层在真空环境中张应力的增大及真空环境中激光辐照过程中产生的非化学计量比缺陷是导致电子束沉积的薄膜真空与大气环境中损伤差异的原因。     

1 064 nm与532 nm激光对电子束蒸发制备的HfO2/SiO2高反膜损伤比较

 研究了电子束蒸发制备的HfO₂/SiO₂高反膜在1 064 nm与532 nm激光辐照下的损伤行为。基频激光辐照时损伤形貌主要为节瘤缺陷喷溅留下的锥形坑,当能量密度较大时出现分层剥落;二倍频激光损伤主要是由电子缺陷引起的平底坑,辐照脉冲能量密度稍高时也会产生吸收性缺陷引起的锥形坑,但电子缺陷的损伤阈值更低;随着辐照脉冲能量密度的增大分层剥落逐渐成为主要的损伤形貌。分析认为,辐照激光波长的变化,引起吸收机制的变化从而导致了损伤阈值及损伤机制的差异。     

Damage performance of TiO2/SiO2 thin film components induced by a long-pulsed laser

In order to study the long-pulsed laser induced damage performance of optical thin films, damage experiments of TiO₂/SiO₂ films irradiated by a laser with 1 ms pulse duration and 1064 nm wavelength are performed. In the experiments, the damage threshold of the thin films is measured. The damages are observed to occur in isolated spots, which enlighten the inducement of the defects and impurities originated in the films. The threshold goes down when the laser spot size decreases. But there exists a minimum threshold, which cannot be further reduced by decreasing the laser spot size. Optical microscopy reveals a cone-shaped cavity in the film substrate. Changes of the damaged sizes in film components with laser fluence are also investigated. The results show that the damage efficiency increases with the laser fluence before the shielding effects start to act.     

He-Ne散射光检测光学薄膜激光损伤阈值

准确测定光学薄膜的激光损伤阈值可以衡量光学薄膜的抗激光损伤能力,测定损伤阈值的关键是准确地判定损伤的发生与否。建立了He-Ne散射光检测光学薄膜激光损伤阈值系统。通过测量同一样品点的He-Ne散射光能量变化来判断薄膜表面发生的损伤,并对制备的类金刚石薄膜与HfO₂/SiO₂反射膜进行了阈值测试。与等离子体闪光法的阈值测试结果进行比较,具有较好的一致性。分析表明：He-Ne散射光测试系统能有效地判断出激光诱导损伤,易于实现在线检测。     

杂质与缺陷对GaMnAs光学特性影响的研究

提高GaMnAs材料中Mn的含量可以提高其居里温度, 但随之而来也会引入很多缺陷。为了研究高含量Mn引入的缺陷对稀磁半导体材料的影响, 本文对低温分子束外延技术（LT-MBE）生长的GaMnAs外延层进行了光电导以及红外等光谱的分析。通过对样品的光谱分析, 发现样品中存在大量的As反位缺陷（AsGa）、Mn的间隙位缺陷（MnI）、以及在生长和退火过程中产生的Mn以及MnAs团簇等缺陷, 这些缺陷都会影响外延层的光谱特性, 同时也会影响器件的电学性能。     

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。