激光预处理中薄膜损伤形貌对预处理效果的影响

采用亚阈值激光能量对光学元件进行激光预处理后,其损伤阈值可以提高两三倍。在激光预处理过程中,不可避免地会使光学元件产生损伤,若产生的损伤不影响光学元件的使用性能,则原则上可以接受。首先介绍了HfO2/SiO2多层高反膜S-on-1损伤阈值测试方法,实验研究了激光预处理过程中光学薄膜元件的损伤过程,分析了预处理过程中薄膜损伤形貌对其光学性能及抗激光损伤阈值的影响。结果表明,对膜系为G/（HL）11H2L/A的HfO2/SiO2多层高反膜进行激光预处理,最外层SiO2层的破坏不影响薄膜整个反射率曲线。相反,由于消除了HfO2层的节瘤缺陷,薄膜的损伤阈值得到大幅度的提高。     

不同方法制备的Ta2O5薄膜光学性能和激光损伤阈值的对比分析

采用电子束蒸发(EBE)和离子柬溅射(IBS)制备了不同的Ta2O5薄膜,同时对电子束蒸发制备的薄膜进行了退火处理.研究了制备的Ta2O5薄膜的光学性能、激光损伤阈值(LIDT)、吸收、散射、粗糙度、微缺陷密度和杂质含量.结果表明,退火可使电子束蒸发制备的薄膜的光学性能得到改善,接近离子柬溅射的薄膜的光学性能.电子束蒸发制备的薄膜的损伤阈值较低的主要原因在于吸收大,微缺陷密度和杂质含量高,而与薄膜的散射和粗糙度关系不大.退火后薄膜的吸收和微缺陷密度都明显降低,损伤阈值得到提高.退火后的薄膜损伤阈值仍然低于溅射得到的薄膜损伤阈值是因为退火并不能降低膜内的杂质含量,因此选用高纯度的蒸发膜料和减少电子柬蒸发过程中的污染有可能进一步提高薄膜的损伤阈值.     

三种不同后处理方式对ZrO2薄膜性能的影响

采用有氧热处理、激光预处理和离子后处理三种方式对电子束蒸发(EBE)制备的单层ZrO2薄膜进行了后处理,并分别对样品的光学性能和抗激光损伤阈值(LIDT)特性进行了研究.实验结果表明,热处理方式可以有效排除膜层内吸附的水气,弥补薄膜制备过程中的氧损失,使得光谱短移、吸收减小、损伤阈值增高;激光预处理过程可以在一定程度上减少缺陷、提高损伤阂值,但对膜层的光谱和吸收情况没有明显的改善作用;而离子后处理能够提高膜层的堆积密度、减少缺陷、降低吸收从而提高损伤阚值.由于三种方式处理机制不同,在实际应用中应根据膜层的性能选择合适的处理方式.     

氧化物薄膜的激光预处理效应研究

对高功率激光薄膜常用的HfO2/SiO2、ZrO2/SiO2、ZrO2/SiO2+Y2O3/SiO2和Ta2O5/SiO2等膜料镀制的高反膜,采用N-ON-1激光运行方式,即对薄膜单点辐照的激光能量密度,以薄膜损伤阈值的50%开始,由小到大直到薄膜发生损伤,进行激光预处理效应研究.实验表明,HfO2/SiO2高反膜的激光预处理效果最好,激光损伤阈值提高3倍以上,ZrO2/SiO2和ZrO2+Y2O3/SiO2次之,提高1.5倍以上,而Ta2O5/SiO2较差,几乎没有激光预处理效应.对HfO2/SiO2薄膜激光预处理研究发现,其效应有两种形式,薄膜激光老化和薄膜表面缺陷低能量密度激光清除.薄膜激光老化是指没有缺陷的薄膜经预处理后损伤阈值大幅度提高,一般为2倍以上,薄膜缺陷激光清除是指以节瘤为代表的低能量密度损伤缺陷,以其损伤阈值附近的能量损伤,形成10 μm左右的孔洞等轻微损伤创面,其激光再损伤能力大幅度提高,达3倍以上,并且效果是永久性的.薄膜激光损伤尺度和程度对光谱性能影响的实验表明,直径小于200 μm的疤痕,孔洞等轻度损伤几乎没有影响,直径大于500 μm的层裂和疤痕,反射率下降小于10%,表明薄膜激光损伤程度对光学性能的影响有较大的差异,因而对于高反膜,损伤阈值不应以单纯的激光损伤为判断依据,应以不影响工程实际应用,即功能性激光损伤阈值为依据.(OH6)     

光学元件激光诱导损伤分析及实验研究

通过激光损伤实验,系统分析了传统研磨抛光加工工艺中表面杂质、刻蚀时间、亚表层缺陷和划痕宽深比对熔石英元件激光损伤阈值的影响。结果表明:擦洗后熔石英元件的激光损伤阈值为21.6J/cm~2,未经擦洗的元件的激光损伤阈值为11.28J/cm~2,受表层杂质影响激光损伤阈值大幅度降低,而有缺陷位置处的激光损伤阈值明显比无缺陷位置处的低。刻蚀时间的增加会使工件表面粗糙度和缺陷尺寸逐渐增大,导致光学元件激光损伤阈值大幅度下降,因此需要合理选择化学刻蚀时间。亚表层缺陷会对入射光场产生调制作用,造成局部区域反射光、散射光及入射光相互叠加,最终导致材料破坏而产生激光损伤。随着刻蚀时间的增加,划痕的宽深比会逐渐增大,可以逐渐减弱划痕对光场的调制作用,从而降低激光损伤发生的概率。     

激光对非λ/4膜系变反射率薄膜的损伤机理

讨论了高功率激光对非λ/4膜层组成的变反射率光学介质薄膜损伤时的场作用和热作用的物理机理,并对实际膜层的激光损伤阈值进行了测试.理论和实验研究结果证明,激光对该种膜系产生损伤的主要原因是膜层吸收激光能量引起的.     

脉冲激光诱导TiO2/SiO2薄膜表面损伤性能实验

高功率的激光系统对光学元件的抗激光损伤性能的要求不断提高。主要研究薄膜在脉冲激光诱导作用下的损伤特性及其机理,实验采用YAG脉冲激光器对TiO2/SiO2薄膜样片进行1-on-1方式的激光诱导。实验结果表明:采用低能量激光诱导对薄膜的光学透过率影响不大。经低能量激光诱导后,薄膜的表面结构缺陷得以修复,表面结构趋于完整,变得均匀和细腻。脉冲激光诱导TiO2/SiO2薄膜样片,激光能量阶较小时,其损伤阈值随能量增加而增加,损伤阈值最大可增加1倍;激光能量阶较大时,其损伤阈值随能量增加而减小。     

HfO2／SiO2薄膜缺陷及激光损伤特性分析

对光学中心镀制的HfO2/SiO2高反、增透和偏振膜等,用台阶仪、Normaski和原子力显微镜详细分析了薄膜表面的微结构缺陷如孔洞,划痕和节瘤的形状,以及缺陷对应的激光损伤图貌.原子力显微图貌显示,节瘤缺陷表现为薄膜表面突起光滑圆丘,直径多为2～10 μm,为微米量级的膜料颗粒在镀膜过程中溅入薄膜形成.脉宽10 ns波长1064 nm的激光损伤实验表明,缺陷是薄膜激光损伤的主要诱导源,其中以节瘤缺陷的损伤阈值最低,划痕次之,孔洞最高,薄膜的零概率激光损伤阈值主要由节瘤缺陷的激光损伤能流密度决定.对应不同的缺陷,高反膜的激光损伤通常表现为孔洞,疤痕和层裂,疤痕为薄膜表面激光烧伤形成,层裂主要为激光强电场在膜层中形成驻波电场,造成应力变化所致,孔洞为节瘤缺陷激光损伤后形成,形状与大小和薄膜固有孔洞相似,直径多小于15 μm,其激光再损伤能力也与薄膜固有孔洞相似.激光损伤创面的台阶仪分析表明,HfO2/SiO2高反薄膜未镀SiO2半波覆盖层时,1-ON-1激光损伤使薄膜表面粗糙外凸,而镀了SiO2半波覆盖层的薄膜,激光损伤面内凹,表面光滑,抗激光再次损毁能力较前者强.(OH5)     

基底亚表面裂纹对减反射膜激光损伤阈值的影响

利用化学沥滤技术,分析了亚表面裂纹对基底表面和减反射膜激光损伤阈值(LIDT)的影响。通过去除或保留研磨裂纹,获得了亚表面裂纹数密度有明显区别的两类基底。为了凸出亚表面裂纹层的作用,基底采用化学沥滤去除另外一种可能的影响因素,即再沉积层中的抛光杂质。然后采用电子束蒸发镀制HfO2/SiO2减反射膜。355nm激光损伤阈值测试结果和损伤形貌分析证实了基底亚表面裂纹对减反射膜抗激光损伤能力的负面影响。根据熔石英基底抛光表面的烘烤现象,提出了亚表面缺陷影响膜层激光损伤的耦合模型。     

利用紫外激光处理提高熔石英损伤阈值的研究

为了研究紫外脉冲激光预处理对熔石英表面形貌的影响,验证其对熔石英元件抗紫外激光损伤能力的提升效果,利用输出355nm 3倍频紫外脉冲激光的YAG激光器,采用光栅式扫描的方式对熔石英表面进行了全口径能量周期递增的激光预辐照处理,并在处理结束后研究了表面形貌的变化,考核了其在355nm脉冲激光作用下的损伤阈值.结果发现,石英基片在经过紫外脉冲激光预处理后表面杂质得到有效清除并暴露了低阈值缺陷,处理后的石英基片零几率损伤阈值平均提高24%左右,50%损伤阈值提高约19%.结果表明,紫外激光预处理是增强熔石英元件紫外激光负载能力的有效方法,可有效缓解高功率固体激光装置3倍频输出的负载瓶颈,具备较高的工程运用价值.     

光学表面的清洗

在包含上千个元件的特大激光系统出现之后,需要研究镀膜的和未镀膜的光学元件的清洗方法.在激光系统中,光学元件要能良好工作,其光学表面不应当有污膜或其他污物.污膜会产生不希望的光吸收带和光散射.而且,众所周知,在高功率激光系统中,表面沾污或陷落在膜层之间的污物,会降低零件的激光损伤阈值.     

激光预处理对HfO2光学薄膜微观性能的影响

研究了在1-on-1方式下激光预处理对HfO₂光学薄膜微观形貌、微观结构等性能的影响。实验采用薄 膜阈值能量的10%、50%%对HfO₂薄膜进行激光预处理,利用原子力显微镜(AFM )分别对预处理后薄膜表面 10μm和3μm×3μm的区域进行测 试,与预处理前相比,预处理后的薄膜所含杂质减少,薄膜表面锥状结构变得平 滑;利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分别对预处理后薄膜的晶态结 构和化学键以及价态进 行测试,与预处理前相比,预处理后薄膜的晶态结构、化学键及价态均没有发生变化;利用 XPS对预处理后薄膜所含 的成分进行测试,与预处理前相比,预处理后薄膜中所含的Hf单质减少,HfO₂增多。实验 结果表明,激光预处理具有抛光和氧化膜层的作用。     

激光辐照下金纳米缺陷诱导光学玻璃损伤特性

采用离子束溅射的方式,在K9玻璃基片表面引入金纳米杂质缺陷,通过原子力显微镜(AFM)测得金纳米尺寸直径在50~100 nm之间。采用不同能量密度的激光对样品进行点阵式的单脉冲辐照(1-on-1)并且对损伤阈值及典型损伤形貌进行了实验及理论分析。损伤阈值采用零几率处的损伤密度。结果表明:引入金纳米杂质缺陷后其抗激光损伤阈值由裸基片的26.6 J/cm2下降为15.5 J/cm2。通过微分干涉显微镜,随着激光能量的增加,损伤呈爆炸坑形貌,主要呈现纵向加剧损伤。金纳米杂质缺陷在K9玻璃基片上形成了强吸收中心(引入金纳米杂质K9玻璃基片的弱吸收(47.33 ppm,1 ppm=10-6)是裸K9玻璃基片(3.57 ppm)的13倍)造成局部高温,这是造成损伤的诱因。通过计算,金纳米杂质对K9玻璃基片的作用包括两部分:当激光辐照在K9玻璃基片上,首先是热应力引起玻璃的破裂;随后杂质汽化产生的蒸汽压加剧材料的破坏,引起局部炸裂。     

有机物沉积质量对溶胶凝胶减反膜性能的影响规律

真空环境中高功率激光装置光学元件表面的有机物污染是限制其负载能力的原因之一。针对装置中常见的有机物污染和三倍频激光溶胶凝胶减反膜，通过精确控制真空环境中污染源的挥发扩散，制备了有机物质量面密度不同的元件表面，定量研究了有机污染物质量面密度对溶胶凝胶减反膜光学性能及损伤特性的影响规律。实验结果表明：样品表面粗糙度、透过率、损伤阈值等的变化量均与有机物质量面密度成正相关。有机污染物沉积量较少时，由于膜层孔隙被填充，膜层的表面粗糙度略有减小；随着沉积量增加，有机物附着影响表面形貌，粗糙度显著增加。溶胶凝胶减反膜在351 nm波长处的光学透过率随着有机物质量面密度的增加而逐渐降低，这与有机物分子改变溶胶凝胶膜孔隙填充比有关。样品表面的激光损伤阈值变化量和损伤面积随着有机物质量面密度的增加而增加，而且不同有机物沉积量的光学表面的损伤形貌存在显著差异。基于实验结果讨论了有机物影响溶胶凝胶减反膜性能的机理，并探讨了高功率激光系统的洁净度控制方法。     

不同工艺条件下TiO2单层膜的吸收和损伤阈值测试

利用电子束热蒸发技术在不同氧分压和烘烤温度下镀制了一系列TiO2单层膜,采用表面热透镜技术测量了样品在1064nm处的弱吸收值,并用激光损伤测试平台测量了样品的抗激光损伤阈值(LIDT)特性。实验结果表明较高的氧分压和较低的烘烤温度能显著减小薄膜的吸收值。不过薄膜在基频下的损伤阈值除了受到薄膜吸收值的影响外,还取决于基底表面的杂质密度,当薄膜吸收较大时,本征吸收对损伤破坏起到主要作用;随着薄膜的吸收逐渐减小,基底表面处的缺陷吸收逐渐取代本征吸收成为影响薄膜损伤阈值的主导因素。     

利用紫外激光处理提高熔石英损伤阈值的研究

为了研究紫外脉冲激光预处理对熔石英表面形貌的影响,验证其对熔石英元件抗紫外激光损伤能力的提升效果,利用输出355nm3倍频紫外脉冲激光的YAG激光器,采用光栅式扫描的方式对熔石英表面进行了全口径能量周期递增的激光预辐照处理,并在处理结束后研究了表面形貌的变化,考核了其在355nm脉冲激光作用下的损伤阂值。结果发现,石英基片在经过紫外脉冲激光预处理后表面杂质得到有效清除并暴露了低阈值缺陷,处理后的石英基片零几率损伤阈值平均提高24%左右,50%损伤阈值提高约19%。结果表明,紫外激光预处理是增强熔石英元件紫外激光负载能力的有效方法,可有效缓解高功率固体激光装置3倍频输出的负载瓶颈,具备较高的工程运用价值。     

电子束蒸发制备HfO2/SiO2高反膜的1064 nm激光预处理效应

激光预处理是提高薄膜元件抗激光损伤阈值的重要手段.对电子束蒸发HfO2,SiO2块状材料镀制的基频高反膜进行了1-on-1和R-on-1阈值测试,比较分析ur两种测试情况下出现的典型损伤形貌.实验发现,R-on-1测试表现出明显的预处理效应,其所测抗激光损伤阈值是1-on-1测试的3倍;1-on-1测试下的典型损伤形貌是围绕平底小坑的等离子烧蚀损伤,R-on-1测试下的典型损伤形貌仅是表面等离子体烧蚀损伤;表面轮廓测试的结果表明两种损伤形貌的烧蚀区域中心都是凸起的.两种典犁损伤破坏形貌及其差异的研究说明吸收件缺陷是引起此样品损伤的主要诱因,预处理对吸收性缺陷的力学稳定作用是此样品抗激光损伤阈值提高的宏观原因.     

单层SiO2和ZrO2薄膜激光辐照损伤的对比

分别采用物理气相沉积和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了4块光学厚度相近的SiO2和ZrO2单层膜.分别采用椭偏仪、透射式光热透镜和原子力显微镜对两类薄膜的孔隙率、热吸收和微观表面形貌进行了表征;利用Nd:YAG激光器测试了样品的激光损伤阈值(LIDT;1064 nm/8.1 ns),并用光学显微镜观察了两类薄膜的损伤形...     

飞秒激光作用下薄膜的阈值损伤到膜层剥落

在飞秒单脉冲激光损伤HfO_2/SiO_2薄膜样品实验中,随着激光能量密度升高,膜层从缺陷导致的点损伤发展到整层剥落,损伤区域轮廓由模糊变清晰.研究表明,尺度在纳米量级的颗粒缺陷会产生局部的场增强效应,该效应与薄膜干涉场叠加,造成了阈值损伤阶段损伤区域出现大量损伤点,且由于飞秒激光对包括缺陷在内的薄膜材料的本征损伤特性,使其损伤行为较为确定,随着激光能量的提升,薄膜出现更大面积的规则烧蚀区,此时干涉场的作用上升到主导地位,膜层的整层剥落行为掩盖了缺陷的诱导作用.     

缺陷诱导光学薄膜光场增强损伤分析

高损伤阈值的光学薄膜是高功率激光系统的关键器件。众多研究显示,纳米量级的缺陷是光学薄膜激光损伤的主要诱因,是制约光学薄膜向高损伤阈值发展的主要因素。基于有限差分时域方法分析了纳米大小的缺陷诱导SiO₂光学薄膜的局部光场增强导致的激光损伤。结果显示:缺陷的存在使SiO₂单层薄膜的光场分布发生了变化,无缺陷的SiO₂薄膜峰值光场位于膜层表面,而有缺陷的SiO₂薄膜峰值光场位于缺陷与薄膜的边界处,光场增强了约2.3倍;同时缺陷诱导的光场局部增强不仅依赖于缺陷与膜层之间的相对折射率,而且也依赖于缺陷的大小、缺陷在膜层中的分布深度,以及入射激光波长。缺陷与膜层的相对折射率越大,缺陷的直径越大,缺陷在膜层中的深度越小,入射激光波长越短,光场增强越大。研究结果显示光学薄膜中纳米大小的缺陷诱导的光场增强不可忽视,在研究光学薄膜的激光损伤过程中应予以考虑。