HfO_2/SiO_2高反射膜的缺陷及其激光损伤

用原子力、Normaski和扫描电子显微镜等分析仪器 ,对高损伤阈值薄膜常采用的 Hf O2 /Si O2 薄膜进行了表面显微图象研究 ,分析了薄膜常见的表面缺陷 ,如节瘤 ,孔洞和划痕等。薄膜表面缺陷的激光损伤实验表明 ,不同缺陷的抗激光损伤能力大不相同 ,节瘤缺陷最低 ,约为 1 5 J/ cm2 ,薄膜的损伤阈值主要由其决定 ,孔洞的激光损伤能力与节瘤相比较高 ,约为节瘤的 2～ 3倍。节瘤缺陷在低能量密度的激光损伤所形成的孔洞 ,与镀制过程中形成的孔洞形貌相似 ,激光再损伤能力也相似。低能量密度的激光把节瘤缺陷变为孔洞缺陷是激光预处理提高薄膜损伤阈值的原因之一     

HfO2／SiO2高反射膜的缺陷及其激光损伤

用原子力、Normaski和扫描电子显微镜等分析仪器,对高损伤阈值薄膜常采用HfO2/SiO2薄膜进行了表面显微图象研究,分析了薄膜常见的表面缺陷,如节瘤,孔洞和划痕等。薄膜表面缺陷的激光损伤实验表明,不同缺陷的抗激光损伤能力不大相同。节瘤缺陷最低,约为15J/cm^2,薄膜的损伤阈值主要由其决定,孔洞的激光损伤能力与节瘤相比较高,约为节瘤的2－3倍。节瘤缺陷在低能量密度的激光损伤所形成的孔洞,与镀制过程中形成的孔洞形貌相似,激光再损伤能力也相似。低能量密度的激光把瘤缺陷变为孔洞缺陷是激光预处理提高薄膜损伤阈值的原因之一。     

节瘤缺陷激光损伤的研究进展

在近红外反射类激光薄膜中,节瘤缺陷是引起薄膜激光损伤的主要因素。为了提高激光薄膜的损伤阈值,对节瘤缺陷及其损伤特性进行研究具有重要意义。从真实节瘤缺陷和人工节瘤缺陷两个方面介绍节瘤缺陷的研究进展。基于真实节瘤缺陷的研究,建立了节瘤缺陷的结构特征,形成了节瘤缺陷损伤特性和损伤机制的初步认识,利用时域有限差分法(FDTD)模拟了电场增强,初步解释了节瘤缺陷的损伤机制,发明了抑制节瘤缺陷种子源的方法和激光预处理技术,减少了节瘤缺陷,提高了薄膜损伤阈值。但是真实节瘤缺陷的性质,如种子源尺寸、吸收性以及位置深度等,都难以控制和预测,难以开展节瘤缺陷损伤特性的系统和量化研究,致使关于节瘤缺陷损伤的科学认识尚有不足。基于人工节瘤缺陷的研究,可以实现节瘤缺陷损伤特性的系统、量化甚至单一因素研究,极大地提高了实验研究的效率和可靠性,获得了一系列定量损伤规律。人工节瘤缺陷的高度受控性使实验研究与理论模拟的可靠对比成为可能,人工节瘤缺陷的损伤形貌和FDTD电场模拟的直接比较实验不仅验证了时域有限差分法(FDTD)模拟电场的正确性,也进一步明确了电场增强是诱导节瘤缺陷损伤的主要机制。对节瘤缺陷的损伤机制有了更为深刻的认识后,人们开始调控节瘤缺陷的电场增强效应提高节瘤缺陷的损伤阈值,发展了宽角度反射薄膜技术和节瘤缺陷平坦化技术,抑制电场增强,提高损伤阈值。这扩展了控制节瘤缺陷的思路和方法,从原来单一的去除节瘤缺陷到调控节瘤缺陷,为进一步提高薄膜的损伤阈值开辟了新的方向和途径。     

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。     

HfO2/SiO2薄膜的激光预处理作用研究

对电子束蒸发方式镀制的HfO2/SiO2反射膜采用大口径激光进行辐照,采用激光量热计测量了激光辐射前后的弱吸收值。实验发现HfO2/SiO2反射膜在分别采用1 064 nm和532 nm的激光辐照前后薄膜吸收分别从5.4%和1.7%降低到1.4和1.2%。采用聚焦离子束技术分析了激光辐照后薄膜的损伤形态并探究了损伤原因,发现：薄膜在激光辐照下存在节瘤的地方容易出现薄膜损伤,具体表现为熔融、部分喷发、完全脱落3种形态,节瘤缺陷种子来源的差异是导致其损伤机理也存在着巨大差异的主要原因。同时这些节瘤缺陷种子来源也影响着激光预处理作用效果,激光预处理技术对于祛除位于基底上种子形成的节瘤是有效的,原因是激光辐射过后该节瘤进行了预喷发而不会对后续激光产生影响;而激光预处理技术对位于膜层中间的可能是镀膜过程中材料飞溅引起的缺陷是无效的,需要通过飞秒激光手段对该类节瘤进行祛除。     

HfO_2/SiO_2薄膜的激光预处理作用研究北大核心CSCD

激光预处理是提高激光薄膜抗激光损伤阈值的重要手段。对电子束蒸发方式镀制的HfO2/SiO2反射膜采用大口径激光进行了辐照,并采用激光量热计测量了激光辐射前后的弱吸收值。采用聚焦离子束(FIB)技术分析了激光辐照后薄膜的损伤形态并探究了损伤原因,首次采用扫描电镜拍摄到了节瘤部分喷发时的形貌图,并对其进行了FIB分析,为进一步了解节瘤的损伤过程提供了依据。实验发现,激光辐照过后的激光薄膜弱吸收明显降低,激光预处理有效减少了引起薄膜吸收的缺陷,存在明显的清洗效应;在本实验采用的HfO2/SiO2反射膜中,激光预处理技术对于祛除位于基底上种子形成的节瘤是有效的,原因是激光辐射过后该节瘤进行了预喷发并不会对后续激光产生影响;而激光预处理技术对位于膜层中间的可能是镀膜过程中材料飞溅引起的缺陷是无效的,需要通过其他手段对该类节瘤进行祛除。     

YbF3沉积速率对红外激光薄膜表面缺陷的影响

 在介绍了薄膜缺陷的特点及成因的基础上，分析了YbF₃沉积速率对红外激光薄膜表面缺陷密度的影响，得出了镀制激光薄膜所需的合适速率。结果表明：薄膜表面缺陷主要以节瘤缺陷与陷穴缺陷为主，其缺陷密度随YbF₃沉积速率的减小基本表现为减小的趋势，当ZnS沉积速率约为0.2 nm/s，YbF₃沉积速率约为0.4 nm/s时，可得到比较满意的激光薄膜，薄膜表面缺陷密度仅为0.000 675。     

HfO2/SiO2高反射膜的缺陷及其激光损伤

用原子力、Normaski和扫描电子显微镜等分析仪器,对高损伤阈值薄膜常采用的HfO2光损伤所形成的孔洞,与镀制过程中形成的孔洞形貌相似,激光再损伤能力也相似。低能量密度的激光把节瘤缺陷变为孔洞缺陷是激光预处理提高薄膜损伤阈值的原因之一。     

渐变折射率Ta_2O_5/SiO_2薄膜多脉冲激光损伤特性

采用离子束溅射(IBS)的方式,制备了1064nm高反射Ta2O5/SiO2渐变折射率光学薄膜。对其光学性能和在基频多脉冲下抗损伤性能进行了分析。通过渐变折射率的设计方式,很好地抑制了边带波纹,增加了1064nm反射率。通过对损伤阈值的分析发现,随着脉冲个数的增加,损伤阈值下降明显;但是在20个脉冲数后,损伤阈值(维持在22J/cm2左右)几乎保持不变直到100个脉冲数。通过Leica显微镜对损伤形貌的观察,发现损伤诱因是薄膜表面的节瘤缺陷。通过扫描电镜(SEM)以及聚集离子束(FIB)对薄膜表面以及断面的观察,证实了薄膜的损伤起源于薄膜表面的节瘤缺陷。进一步研究得出,渐变折射率薄膜在基频光单脉冲下损伤主要是由初始节瘤缺陷引起的,在后续多脉冲激光辐照下初始节瘤缺陷引起烧蚀坑的面积扩大扫过薄膜上的其他节瘤缺陷,引起了其他节瘤缺陷的喷射使损伤加剧,造成损伤的"累积效应"。     

光学材料微缺陷引起的损伤机理及后处理

时域有限差分方法(FDTD)作为一种数值计算方法多用于对导体材料的电磁场分布计算，本研究采用此方法对光学材料表面微缺陷(结瘤、刮痕等)作了二维电磁场分析，对亚表面缺陷(气泡、杂质等)作了三维电磁场分析。计算数据分析表明：光学材料表面及亚表面微缺陷的存在，会造成缺陷附近局部区域的场强增强，使得这些部分容易发生雪崩电离等激光损伤，且不同的缺陷形态、位置和入射光的偏振态均会使局部场强增强的大小和分布不同。图1为光学元件表面有一截面的半圆形长刮痕，TM波不同角度入射时的二维电磁场模拟计算结果。对于衍射光学元件的周期性结构，也尝试用FDTD法进行了模拟计算，为多层介质膜镀制的工艺研究提供了理论基础。总之通过本研究的场强分布计算，     

Gaussian profile laser intensification by nodular defects in mid-infrared high reflectance coatings

Electric field modeling of nodular defects is performed to investigate the interaction between defective multilayer coatings and Gaussian profile laser beam. Light-intensity is significantly enhanced as large as six times in areas adjacent to the defect boundary as well as within the defects. Different geometry of defects irradiated by a range of 0-45° incident laser is analyzed. Nodules with large but shallow seed or in the case of 45° oblique incidence tend to have the greatest enhancement effect.     

节瘤缺陷平坦化提高高反射膜的激光损伤阈值

探究了节瘤缺陷平坦化技术中平坦化层(刻蚀层)厚度和种子源尺寸之间的刻蚀规律,同时解释了平坦化技术提高节瘤缺陷的损伤阈值的机制。在双离子束溅射系统中,使用SiO₂微球模拟真实的种子源置于基板上,镀制1064 nm HfO₂/SiO₂高反膜,制备人工节瘤缺陷。对类似于实际种子源的SiO₂微球一系列不同刻蚀程度的实验得出了节瘤缺陷平坦化技术的刻蚀规律:只要平坦化层(刻蚀层)的厚度稍大于节瘤缺陷的种子源粒径,就可以将种子源完全平坦化。使用时域有限差分法(FDTD)模拟不同平坦化程度的节瘤缺陷内电场增强的结果与节瘤缺陷的损伤形貌进行对比实验,将损伤形貌和损伤阈值与电场强度分布之间建立联系,表明平坦化技术可以改变节瘤缺陷原有的几何结构,有效抑制节瘤缺陷的电场增强效应。最后,通过对未经平坦化和经过平坦化处理后的节瘤缺陷进行损伤阈值测试,对比结果直接验证了节瘤缺陷平坦化技术可以实现对节瘤缺陷的调控,大幅度提高了节瘤缺陷的损伤阈值。     

基于平行玻璃板的半导体激光器阵列光束整形

为得到质量均衡的大功率激光束,分别以条形和面阵半导体激光器为模型,基于平行玻璃板对光束的偏移作用,对准直后激光束进行分割和重排,并在Zemax软件中进行了仿真。条形半导体激光器初始发散角为40和10,整形前已准直光束快慢轴方向的光参数积分别为0.455 2 mmmrad和20.484 mmmrad,光束质量相差较大,整形后快慢轴方向光参数积分别为2.731 2 mmmrad和3.414 0 mmmrad,实现了快慢轴方向光束质量均衡。利用平行玻璃板消除面阵半导体激光器中存在的发光死区,整形后快慢轴方向光参数积分别为7.002 mmmrad和10.242 mmmrad ,整形系统耦合效率为90.13%。     

Optical detection of mechanically damaged areas on manufactured metal parts by spatial frequency filtering

An inspection of mechanically damaged areas on manufactured metal parts is necessary to produce high-quality products. A scanning probe on a sample is necessary for a conventional surface inspection system, which is time-consuming. We propose a novel high-speed detection method for defects on metal surfaces with rolling indentations. To obtain a large field of view in a measurement, we used a laser sheet that was expanded with a laser line generator and also used an expanded collimated beam, rather than a small laser spot as used in conventional techniques. Furthermore, we used an obliquely incident laser beam to suppress the effect of the rolling indentations surrounding defects, and also applied spatial frequency filtering to extract only defects. The spatial frequency filtering under oblique incidence is theoretically explained and defect extraction was investigated in experiments.     

Beam scanning and switching characteristics of twin-striped lasers with a reduced stripe spacing

The output-beam scanning and switching characteristics of lasers with separately controlled twin-stripe electrodes are reported. The spacing between the stripes is small (5m from centre to centre) and the spacing region is either etched or ion-implanted for better current isolation. The implanted laser oscillates in the fundamental mode. The output beam of this laser can be scanned over a radiation angle range of 7° almost linearly with injection currents. The etched laser oscillates in the first-order mode. The output beam of this laser can be switched with a deflection angle as large as ±8°.