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上光所在激光薄膜方面的系列进展

2017-02-01 00:36
路过的码农
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近年来,激光技术的迅速发展推动了光学薄膜空前的进步。不同的激光系统对薄膜元件有着各种各样的性能需求,例如 :特定波长范围内的透 / 反射率、低的波前畸变,以及高的激光损伤阈值。

为了获得理想的光谱性能,首先需要进行严格的薄膜设计。尽管通过商业化的膜系设计软件能够获得特定的光谱性能,但是,应用于高功率激光系统的光学薄膜,还需同时具有高的激光损伤阈值和低的薄膜应力。中国科学院上海光学精密机械研究所光学薄膜研究与发展中心(简称薄膜中心),隶属于中国科学院强激光材料重点实验室,致力于研发高功率、超强超快和空间等激光系统所需的薄膜元件。

高功率激光薄膜

自上个世纪七十年代开始,薄膜中心就开始开展膜层中电场和温度场分布对光学薄膜损伤阈值的影响。研究结果表明,对于氧化铪/氧化硅(HfO2/SiO2)多层膜,HfO2 膜层中的电场强度越低,最强电场所处的位置,离空气 - 膜层界面越远,多层膜的损伤阈值就越高。此外,将外保护层和内保护层的思想运用于激光薄膜的膜系设计,以提高薄膜元件的力学强度,并抑制某些特定的损伤形貌,进而提升激光损伤阈值。

薄膜总应力包括来源于各个膜层及其膜层界面应力的贡献。在薄膜总应力方面,由于各种镀膜材料的应力不同,调整不同镀膜材料的厚度比,是平衡薄膜总应力的有效手段。因此,薄膜中心发展了一套系统的激光薄膜设计方法,包括:谱性能、电场分布、外保护层和内保护层的优化设计,以及应力的平衡。

在薄膜制备过程中,精确的膜层厚度控制,对获得优良的光谱性能而言至关重要。我们提出一种基于多个光学监控片的膜厚监控方法,为了减少厚度误差,一些较厚的膜层被拆分成两层,由不同的光学监控片进行监控。利用上述方法,可以获得接近理论设计的光谱性能。

为了提升激光损伤阈值,理解激光损伤的源头至关重要。缺陷是薄膜在激光辐照下产生损伤的主要诱因。通常来讲,降低缺陷密度和提高缺陷的抗激光损伤能力,是提升激光损伤阈值的有效方法。因此,薄膜制备过程中的每一步都需要严格控制。

以基片加工与清洗为例,基片抛光过程中产生的纳米级吸收性缺陷,会严重降低减反射膜和分光膜的激光损伤阈值。同时,基片表面的几何结构性缺陷,会导致高反射多层膜中出现内部裂纹与电场增强,最终显著降低激光损伤阈值。为了减少源于基片的缺陷,镀膜腔室外和镀膜腔室外分别采用超声清洗和等离子体清洗的基片清洗方法。

除了源于基片表面的缺陷,镀膜材料的喷溅也是一类重要的缺陷源头。通过优化膜料预熔过程,以及采用金属铪取代氧化铪作为初始镀膜材料,可以有效地降低镀膜材料喷溅引起的缺陷。

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