KDP晶体Sol—Gel膜技术

Sol—Gel法制备的化学膜具有较高的抗激光损伤阈值、很好的增透效果以及大面积成膜均匀性，因此可提高高功率激光器的输出能量，以满足ICF相关实验需要。尤其是针对KDP晶体吸湿性强、对温度变化敏感、易脆裂等苛刻性质，通过化学涂膜的途径解决晶体的防潮和增透问题具有极大的优越性。KDP晶体上涂制常规防潮膜和减反膜的研究已经进行了数年，其研究成果已在“神光”-Ⅱ上得到应用。但是尚有不少技术指标需要改善，包括膜层损伤阈值的提高、膜层的疏水性能、耐擦刮性能、耐环境污染性能以及大尺寸的光学元件的涂膜工程化（包括设备、工艺、涂膜质量的稳定性等）等方面，都需要进一步的研究，以满足“神光”-Ⅲ的工程需求。     

溶胶-凝胶法制备ZrO2/SiO2双层减反硬膜

以锆酸丙酯[Zr(OPr)4]、正硅酸乙酯(TEOS)为原料, 用溶胶-凝胶(sol-gel)提拉法涂膜, 制备高透过的λ/ 4～λ/ 4型ZrO2/SiO2双层减反膜.该减反膜的表面均匀, 均方根(RMS)粗糙度为1.038 nm, 平均粗糙度(RA)为0.812 nm.制备的双层减反膜具有很好的减反效果, 在石英玻璃基片二面涂膜, 在激光三倍频波长351 nm处透射比达到99.41%, 比未涂膜石英玻璃基片的透射比提高了6.14%;在基频波长1053 nm处透射比达到99.63%, 比未涂膜K9光学玻璃基片的透射比提高了7.67%.膜层具有较高的激光损伤阈值, 在激光波长为1053 nm, 脉冲宽度为1 ns时, 薄膜的激光损伤阈值达到16.8 J/cm2.膜层具有良好的耐擦除性能.     

改性剂对旋转法SiO2减反膜均匀性的影响

 分析了采用旋转涂膜法制备溶胶-凝胶SiO₂减反膜过程中条纹缺陷产生的机理,利用含氟醇类试剂对减反膜溶胶进行改性,使溶胶链段柔顺性及流动性得到改善。在光学显微镜下对改性前后的膜层进行了对比和分析,对膜层的表面形貌、表面粗糙度以及透射比等特性进行了表征。结果表明:溶胶改性之后的膜层未出现条纹缺陷,表面粗糙度均方根值从4.55 nm下降到小于1.00 nm,膜层表面质量有了较大提高;改性前后膜层的增透性能相当,在熔石英基片上制备的膜层峰值透射比为99.60%~99.89%,膜层激光损伤阈值为21.0~25.3 J/cm²。     

表面改性多孔二氧化硅减反膜的稳定性研究

以正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶法制备SiO_2溶胶,通过提拉法涂制多孔SiO_2减反膜,并在多孔SiO_2减反膜上涂制一层甲基三乙氧基硅烷(MTES)预聚体。通过疏水的MTES预聚体涂制在多孔SiO_2减反膜上,对多孔SiO_2减反膜的表面进行改性,以提高膜层的环境稳定性。经过表面改性的复合膜层的透过率峰值可达99.67%,折射率为1.231,水接触角达123.6°,在相对湿度为95%的环境中放置475 d后膜层的峰值透过率为99.09%,稳定性提高明显。膜层表面平整,激光损伤阈值约为24.5 J/cm~2。     

溶胶凝胶ZrO2/SiO2宽带减反膜的制备与性能

采用溶胶凝胶法制备得到以正丙醇锆和正硅酸乙酯为前驱体的ZrO₂和SiO₂溶胶,通过TFCalc光学薄膜软件模拟了ZrO₂/SiO₂三层“宽M型”基频二倍频减反膜,并使用提拉法制备得到了该均匀膜层。三层减反膜在527 nm和1053 nm处的透过率约为99.5%,且透过率大于99%的波长范围均超过150 nm。经热处理后的膜层表面均方根粗糙度为1.34 nm,表面平整性良好;并运用1-on-1激光损伤阈值测试方法测得该减反膜的零几率激光损伤阈值达到36.8 J·cm^-2(1064 nm,10.7 ns)。     

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     

磷酸盐激光玻璃聚(CH3)2 Si(OC2 H5)2防潮膜

以（CH3）2Si（OC2H5）2为前驱体,采用溶胶-凝胶与有机合成相结合的方法,制得稳定性良好的涂膜液。采用旋转涂膜法在掺钕磷酸盐激光玻璃棒端面涂制防潮膜,膜层固化后透过率达96．5％,获得的膜层表面粗糙度优良,均方根表面粗糙度（RMS）为1．659nm,平均粗糙度（RA）平均为1．321nm;在激光波长1053nm,脉冲宽度1 ns条件下膜层的激光破坏闽值可达10～14 J／cm^2。经过“神光Ⅱ”高功率激光器物理实验运行,膜层使用期为五年,并且已经在我国“神光Ⅲ”原型装置上试用。     

磷酸盐激光玻璃聚(CH3)2SiO/SiO2防潮膜改性研究

 采用溶胶-凝胶方法制备的(CH₃)₂Si(OC₂H₅)₂预聚体涂膜液中，掺入碱催化的SiO₂悬胶体涂膜液，采用旋涂法在掺钕磷酸盐激光玻璃棒端面涂制了改性的防潮膜。当涂膜液中(CH₃)₂Si(OC₂H₅)₂和SiO₂物质的量之比为1∶1时，热处理后的膜层耐摩擦性能明显改善；表面粗糙度的均方根值为1.245 nm；膜层激光破坏阈值大于15 J/cm²(1 053 nm，1 ns)；在80 ℃和95%RH的封闭环境中静置336 h，膜层的透过率、接触角基本不变。结果证明膜层具有稳定的疏水结构和很好的防潮性能，膜层强度增加，耐磨擦能力提高，膜层使用期延长。     

含氟有机硅改性多孔二氧化硅减反膜

二氧化硅减反膜的结构疏松,且胶粒表面存在大量羟基,膜层极易吸附环境中的水分和有机蒸气,透射比稳定性较低.为了改善原有减反膜的环境稳定性,以3,3,3-三氟丙基三甲氧基硅烷和3,3,3-三氟丙基甲基二乙氧基硅烷为掺杂剂,正硅酸乙酯为前躯体,采用溶胶-凝胶法制备了两个系列的SiO2减反膜.结果表明,含氟硅氧烷改性的系列膜层的疏水性能均得到显著增强.CF3-CH2-CH2-Si或CF3-CH2-CH2-Si-CH3质量分数在0.40%～1.5%的范围内时,二氧化硅膜层的减反效果较好.掺入含氟硅氧烷在一定质量分数时,膜层的抗激光损伤性能受到的影响不大.10-3Pa高真空环境的实验表明,膜层的稳定性有较大提高,含氟硅氧烷改性延长了减反膜的使用寿命.     

溶胶-凝胶法制备疏水性自组装SiO2薄膜

 以正硅酸乙酯（TEOS）和六甲基二硅氮烷（HMDS）为前驱体,研究了引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对膜层的影响,在碱催化条件下制备了改性的二氧化硅溶胶,并采用提拉涂膜的方法在石英基底上涂膜。对不同组分的薄膜,先经热处理或紫外辐照处理,然后用十八烷基三氯硅烷（OTS）/甲苯溶液对膜层表面进行化学修饰,制备出疏水性能良好的纳米二氧化硅自组装薄膜,分析了不同后处理方法对膜层透过率、接触角、膜层表面微观形貌和激光损伤阈值影响。实验结果表明：溶胶中加入PVP提高了膜层的平整度,经OTS改性后膜层疏水性和激光损伤阈值均得到提高。     

缓冲层对LBO晶体上1 064 nm|532 nm二倍频增透膜的激光损伤阈值的影响

采用电子束蒸发方法在LBO晶体上制备了无缓冲层和具有不同缓冲层的1 064 nm,532 nm二倍频增透膜.利用Lambda900分光光度计和调Q脉冲激光装置对样品的光学性能和抗激光损伤性能进行了测试分析.结果表明,所有样品在1 064 nm和532 nm波长的剩余反射率都分别小于0.1％和0.2％.与无缓冲层样品相比,采用SiO2和MgF2缓冲层薄膜的激光损伤阈值分别提高了23.1％和25.8％,而Al2O3缓冲层的插入却导致薄膜的激光损伤阈值降低.通过观察薄膜的激光损伤形貌,分析破斑的深度信息和电场分布,表明LBO晶体上1 064 nm,532 nm二倍频增透膜的激光损伤破坏主要表现为膜层剥落,激光产生的热冲击应力使薄膜应力发生很大变化,超过膜层之间的结合而引起膜层之间的分离.采用SiO2或MgF2缓冲层可改进Al2O3膜层的质量,从而有利于提高薄膜的激光损伤阈值.     

Preparation of sol-gel ZrO2-SiO2 highly reflective multilayer films and laser-induced damage threshold characteristic

Sol-gel (ZrO₂/SiO₂)¹² ZrO₂ films were prepared by spin coating method. The reflectivity spectrum of the films was measured with a Lambda 900 spectrometer. In order to investigate laser-induced damage threshold (LIDT) characteristic of highly reflective films, one-layer ZrO₂ and SiO₂ films, two-layer ZrO₂/SiO₂ and SiO₂/ZrO₂ films were also prepared by spin coating method. LIDT of each film was measured. Damage morphology after laser irradiation was characterized by optical microscopy (Nikon E600K). The experimental results showed that the reflectivity of (ZrO₂/SiO₂)¹² ZrO₂ film at 1064 nm and 355 nm wavelength is 99.7%. The LIDT results decreases as the number of layer of films increases. All the films have similar damage morphology. The experimental results are explained by the different temperature profiles of the films.     

缓冲层对LBO晶体上1 064 nm，532 nm增透膜附着力的影响

 采用电子束蒸发方法在LBO晶体上制备了无缓冲层和具有不同缓冲层的1 064 nm,532 nm二倍频增透膜。利用分光光度计、纳米力学综合测试系统以及调Q脉冲激光装置对样品的光学性能、附着力以及抗激光损伤性能进行了测试分析。结果表明：所有样品在1 064 nm和532 nm波长的剩余反射率都分别小于0.1％和0.2％;与无缓冲层样品相比,预镀Al₂O₃缓冲层样品的附着力提高了43.1％,具有SiO₂缓冲层样品的附着力显著提高,而MgF₂缓冲层的插入却导致薄膜附着力降低。应用全塑性压痕理论和剪切理论对薄膜的附着力增强机制进行了分析。薄膜的抗激光损伤性能分析表明,SiO₂缓冲层也有助于改进薄膜的激光损伤阈值。     

缓冲层对LBO晶体上1 064 nm,532 nm二倍频增透膜的激光损伤阈值的影响

采用电子束蒸发方法在LBO晶体上制备了无缓冲层和具有不同缓冲层的1 064 nm,532 nm二倍频增透膜.利用Lambda900分光光度计和调Q脉冲激光装置对样品的光学性能和抗激光损伤性能进行了测试分析.结果表明,所有样品在1 064 nm和532 nm波长的剩余反射率都分别小于0.1%和0.2%.与无缓冲层样品相比,采用SiO2和MgF2缓冲层薄膜的激光损伤阈值分别提高了23.1%和25.8%,而Al2O3缓冲层的插入却导致薄膜的激光损伤阈值降低.通过观察薄膜的激光损伤形貌,分析破斑的深度信息和电场分布,表明LBO晶体上1 064 nm,532 nm二倍频增透膜的激光损伤破坏主要表现为膜层剥落,激光产生的热冲击应力使薄膜应力发生很大变化,超过膜层之间的结合而引起膜层之间的分离.采用SiO2或MgF2缓冲层可改进Al2O3膜层的质量,从而有利于提高薄膜的激光损伤阈值.     

酸蚀与紫外激光预处理结合提高熔石英损伤阈值

采用HF酸刻蚀和紫外激光预处理相结合的方式提升熔石英元件的负载能力,用质量分数为1%的HF缓冲溶液对熔石英刻蚀1~100 min,综合透过率、粗糙度和损伤阈值测试结果,发现刻蚀时间为10min的熔石英抗损伤能力最佳。采用355 nm紫外激光对HF酸刻蚀10 min的熔石英进行预处理,结果表明:紫外预处理能量密度在熔石英零损伤阈值的60%以下时,激光损伤阈值单调递增;能量到达80%时,阈值反而低于原始样片的损伤阈值。适当地控制酸蚀时间和紫外激光预处理参数能有效提高熔石英的抗损伤能力。     

1 053，527，351 nm倍频分离膜的制备与性能研究

 用电子束蒸发及光电极值监控技术在石英基底上沉积了三倍频分离膜，将部分样品置空气中于250 ℃温度下进行3 h热退火处理。然后用Lambda900分光光度计测量了样品的光谱性能；用表面热透镜技术测量了样品的弱吸收值；用调Q脉冲激光装置测试了样品分别在355 nm和1 064 nm的抗激光损伤阈值。实验结果发现，样品的实验光谱性能良好，退火前后其光谱性能几乎没有发生温漂，说明薄膜的温度稳定性好；同时弱吸收平均值从退火前的1.07×10^-4下降到退火后的6.2×10^-5，从而使对基频的抗激光损伤阈值提高，从14.6 J/cm²上升到18.8 J/cm²，但是三倍频阈值在退火后有显著降低，从7.5 J/cm²下降到2.5 J/cm²。     

Enhanced laser induced damage threshold of dielectric antireflection coatings by the introduction of one interfacial layer

A new method for increasing laser induced damage threshold (LIDT) of dielectric antireflection (AR) coating is proposed. Compared with AR film stack of H2.5L (H:HfO2, L:SiO2) on BK7 substrate, SiO2 interfacial layer with four quarter wavelength optical thickness (QWOT) is deposited on the substrate before the preparation of H2.5L film. It is found that the introduction of SiO2 interfacial layer with a certain thickness is effective and flexible to increase the LIDT of dielectric AR coatings. The measured LIDT is enhanced by about 50%, while remaining the low reflectivity with less than 0.09% at the center wavelength of 1064 nm. Detailed mechanisms of the LIDT enhancement are discussed.     

HfO2/SiO2双色膜在1 064 nm和532 nm激光辐照下的损伤特性

 采用电子束蒸发的方式,制备了有氧化硅内保护层和没有氧化硅内保护层的1 064 nm高透过、532 nm高反射的HfO₂/SiO₂双色膜,测量了它们的光学性能以及在基频和倍频激光辐照下的抗损伤性能。结果表明:氧化硅内保护层提高了双色膜在基频光辐照下的损伤阈值,对双色膜在倍频光辐照下的损伤阈值无明显影响。通过观察薄膜的损伤形貌,分析破斑的深度信息结合驻波场分布,对两类双色膜在基频光和倍频光下的损伤机制做了初步探讨。分析表明:氧化硅内保护层提高了膜基界面的抗损伤性能,从而提高了双色膜在基频光下的损伤阈值。