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高损伤阈值激光反射镜的设计方法

2014/11/13 21:35:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  卜轶坤1,2, 赵丽1,2, 郑权1, 钱龙生1

  (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春130022;

  2.中国科学院研究生院, 北京100039)

  摘要: 为了提高激光反射膜的光谱特性和抗激光损伤特性, 提出了一种高损伤阈值激光反射镜的设计方法: 采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料混合膜系结构, 利用Nb2O5- SiO2 折射率差值大的特点, 在较少的膜层数下达到高反射率要求; 利用HfO2- SiO2 组合具有高的抗激光损伤特点, 在Nb2O5- SiO2 膜堆的最外部分叠加HfO2- SiO2 膜堆, 取长补短, 做到采用较少的膜层数, 达到高反射率要求, 同时提高薄膜的抗激光损伤能力。该方法能灵活有效地按照不同膜系要求进行材料组合, 具有很高的实用价值,达到工程最优化设计。

  0 引言

  在高功率激光系统中, 光学薄膜是一个非常重要而又最易损伤的薄弱环节, 随着激光器输出功率和能量的不断提高, 对激光器腔镜高反膜的反射率和损伤阈值提出了越来越高的要求, 如何能够制备出超高反射率、超低损耗和高抗激光损伤能力的全介质激光反射膜, 成为国内外学者研究的热点。目前, 国际上报道的激光腔镜的最高反射率可以达到99.999 8%[1], 是采用离子束溅射沉积技术制备的, 运用这项技术可以很容易制备出反射率大于99.99%, 损耗低于40×10- 6的全介质反射膜, 主要应用于激光陀螺和高功率激光腔镜的研制。对于高功率激光系统中的反射镜, 高的反射率水平并不能直接反应反射镜抗激光损伤的强度, 即激光高反射膜的损伤阈值。通过设计不同的膜层、研究新的沉积工艺, 广泛地研究如何有效地提高薄膜的抗激光损伤阈值, 先后提出了用优化激光在膜层的驻波场[2~3]和温度场分布[4]来提高薄膜抗损伤阈值的驻波场和温度场优化设计, 在高反射膜表面增镀λ/4 偶数倍SiO2 膜层的半波保护膜方法[5~7], 在膜层材料上选用耐损伤能力强的薄膜材料组合, 如HfO2/SiO2[8]、Y2O3/SiO2 等方法。由于制备高性能激光薄膜的材料非常有限, 要同时达到高反射率和高的抗激光损伤要求, 往往是镀制多膜层, 镀制难度大, 且成本很高, 不适合大规模生产。如何选用适当的膜层组合, 在较少的层数下制备出高反射率、高损伤阈值的激光薄膜成为一个难点。

  从工程设计的角度提出了一种高损伤阈值激光反射镜的设计方法: 采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料膜系结构, 根据不同薄膜材料的性能, 取长补短, 利用Nb2O5- SiO2 膜层组合折射率差值大的特点, 在较少的层数下满足高反射率的要求; 利用HfO2- SiO2 材料具有高的激光损伤阈值的特点, 在Nb2O5- SiO2 膜堆的最外部分叠加HfO2- SiO2 膜堆, 膜堆间隔部分采用SiO2半波层作为过渡层, 并对Nb2O5- SiO2 起到提高其抗激光损伤能力的半波保护作用, 做到采用较少的膜层数, 达到高反射率要求, 同时提高薄膜的抗激光损伤能力。

  1 激光反射膜理论分析

  1.1 全介质反射膜

  传统的介质高反射膜采用的是高低2 种折射率材料叠加光学厚度为λ/4 周期性多层膜结构, 从多层膜的特征矩阵[9]出发, 对于周期膜系S, 可以得到偶数层2S 和奇数层2S+1 在中心波长λ0 处的反射率分别为:

  式中: n1、n2 为2 种材料的折射率( n1> n2) ; n0 为入射媒介的折射率; ng 为基底材料的折射率。由薄膜光学理论知道, 若给定层数为奇数, 则用高折射率层作最外层, 总是能得到最大的反射率, 所以基本的反射膜堆结构一般为Sub/(HL)SH/Air。根据多层膜反射率公式( 2) 可知: 当2 层膜的周期数S 固定时, 反射率R 随n1/n2 增加而增大, 而当n1/n2 的比值固定时, 反射率R随S 增加而增大; 所以为了获得高的反射率, 可以选用高低折射率差值大的材料组合和沉积较多的层数。从理论上讲, 全介质膜层在层数足够多时, 可以达到接近100%的反射率, 但实际上膜层的层数不可能无限地增加, 最高可达到的反射率要受到膜层吸收和散射损耗的限制, 而且层数越多, 膜层应力越大, 膜厚监控难度也会加大, 镀制成本也会随之增加。为了优化膜系的设计与制备, 要求所使用的镀膜材料具有最低的吸收和最高的折射率比值, 目前为获得高反射率,常选用TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2、Nb2O5/SiO2 等具有高折射率比值的材料组合。

  1.2 高损伤阈值激光反射膜

  对于高功率激光系统中的反射镜, 高的反射率水平并不能直接反应反射镜抗激光损伤的强度, 即激光高反射膜的损伤阈值。设计具有高损伤阈值的激光反射膜时必须考虑激光在膜层中的驻波场和温度场的分布情况。已知激光在膜层中传播时入射光和反射光的干涉在薄膜内形成了驻波场, 在薄膜内部吸收系数处处相等的区域, 驻波场强越大, 该区域的吸收损耗越大。对于标准的λ/4 高反射膜系, 驻波场强最大峰值位于最外层膜和其相邻一层膜的交界面上, 最大强度为4n02/nH2,次极大按比值nL2/nH2 成比例减少, 越到膜层内部, 驻波场强越小; 所以高反射膜的损耗, 主要取决于靠近入射媒介的最外几层膜的吸收系数大小和驻波场强的分布, 在可见光区和近红外区, 高折射率材料的消光系数一般要比低折射率材料大一两个数量级, 损伤往往是发生在最外侧几个膜堆中的高折射率膜层。对于高功率激光薄膜, 最终导致薄膜损伤或失效的是其局部温升, 研究薄膜的激光破坏, 必须考虑薄膜内部的温度场分布, 薄膜内的峰值温度随吸收系数急剧增加, 通过计算常规的λ/4 高反射膜系的驻波场( 见图1( a) ) 和温度场( 见图1( b) ) 分布[6]可以看出, 在薄膜材料以及各种吸收特性相同的条件下,高反射膜层的温度场分布直接取决于驻波场的强弱,如图1 所示。

  2 高反射率、高损伤阈值激光薄膜膜系设计

  为同时达到高反射率和高抗激光损伤的要求, 设计高性能的激光反射膜需满足以下原则: ( 1) 选取高低折射率差值大的材料组合, 减少镀制膜层数, 降低制备难度和生产成本; ( 2) 从激光对薄膜的破坏角度来说, 膜层材料应具有高的抗激光损伤阈值, 否则, 再优良的光谱性能也没有使用价值。SiO2 在工作波长上吸收系数很小, 呈均匀的微粒生长, 膜层结构为无定型态, 具有较高的激光损伤阈值, 是一种理想的低折射率材料。考虑可能达到的高低折射率差和高抗激光损伤阈值, 可选用的高折射率材料非常有限, 如Ta2O5、TiO2、Nb2O5 等一般为低熔点材料, 其抗激光损伤阈值较低, 在激光辐照过程中能量累积对薄膜烧蚀效应明显。具有高抗激光损伤能力的材料, 如HfO2、Y2O3、ZrO2 等, 其折射率往往偏低, 达到高反射率要求存在所需层数多、膜面粗糙、镀制难度大、成本高的缺点。为克服上述缺点, 提出一种新的高损伤阈值激光反射镜的设计方法: 不采用传统的2 种高低折射率薄膜材料, 改用三种薄膜材料, 低折射率材料选用具有极好抗激光性能的SiO2(n=1.465), 高折射率材料选用具有很高折射率的Nb2O5(n=2.35) 和极高抗激光损伤阈值的HfO2(n=1.96)。根据激光在薄膜内的驻波场和温度场分布主要集中于靠近空气侧的最外几层的特点, 即激光损伤也经常发生在这几个膜层中, 在设计中采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料膜系结构, 在整个膜层结构的内侧, 即损伤几率较小的部分采用Nb2O5-SiO2 膜堆, 利用其折射率比值大的优势通过较少的膜层数达到高反射率的要求; 在该膜堆的最外部分叠加HfO2- SiO2 膜堆, 以HfO2- SiO2 膜堆组合具有强抗光损伤性能来保证整个膜层的抗激光能力; 膜堆间隔部分采用SiO2 半波层作为过渡层, 对Nb2O5- SiO2 起到提高其激光损伤能力的半波保护作用, 采用较少的膜层数可以满足高反射率、高损伤阈值的要求。

  3 多材料混合激光反射膜膜系设计实例

  根据上述分析, 提出膜系结构: Substrate / (HL)m2L (ML)nM 2L / Air ( m>n) , 从膜系的实际制备情况出发进行光学薄膜的优化设计, 这里给出采用双离子束反应溅射沉积制备HfO2、Nb2O5 和SiO2 薄膜的性能参数, 实验装置及沉积工艺参数见参考文献[10], 以此进行膜系设计。

  设计步骤为首先设计一个常规的27 层高反射膜堆, 膜系结构: glass / (HL)13H / Air, H 为Nb2O5 高折射率材料, L 为SiO2 低折射率材料, 光谱透射率曲线如图2 所示, 中心波长1 064 nm 的理论反射率为99.995 4%。计算其电场强度分布曲线, 见图3, 电场强度峰值大于10 V/m 的有4 个部分, 主要分布在最外侧的8 层高低折射率膜层交界处, 最易发生激光损伤。按照上述设计方法, 采用HfO2- SiO2 多层膜对易损伤部分进行替换, 膜系结构: glass / (HL)10 2L(ML)3 M 2L / Air, M 为HfO2 高损伤阈值材料, 经过计算, 新的膜系结构在中心波长1 064 nm 处的反射率为99.992 6%, 相比于只采用Nb2O5 的膜系在反射率上仅降低了0.002 8%, 仍能够保证大于99.99%的高反射率要求, 如图4 所示, 但在抗激光损伤能力上,由于使用高性能的HfO2- SiO2 多层膜组合, 将会有很大的提高。从图5 的驻波场电场强度分布可以看出,电场强度较强的部分都分布在具有极高抗激光损伤阈值的HfO2- SiO2 膜层中, 易发生损伤的Nb2O5 膜层最高场强峰值只有6.5 V/m, 这种设计在保证膜系高反射率的光谱特性下极大地提高了其抗激光损伤性能。对于单独使用HfO2- SiO2 多层膜系, 也进行了计算, 膜系结构: glass / (ML)13M/ Air, 光谱曲线见图4中的虚线部分, 27 层HfO2- SiO2 反射膜堆, 尽管具有很高的损伤阈值, 但中心波长处的最高反射率仅为99.93%, 而且反射带宽很窄。对于采用反应溅射沉积制备HfO2 、Nb2O5 和SiO2, 在靶材成本和沉积时间上有很大差别, 具体参数如表1 所示。高纯度金属Hf 靶的价格是金属Nb 靶的7 倍, 从沉积时间上比较, Hf的沉积速率是Nb 的1/2, 而且Nb2O5 (n=2.35)的折射率是HfO2(n=1.96) 的1.2 倍, 所以采用HfO2- Nb2O5-SiO2 多材料膜系结构, 取长补短, 在满足薄膜光谱特性和损伤特性的条件下, 可以减少镀制时间, 降低成本, 真正做到工程最优化设计。

  4 结论

  通过对激光高反射膜的光谱性能和损伤原因进行分析, 设计出一种高反射率、高损伤阈值激光薄膜:对3 种材料进行组合, 根据材料光学特性、损伤特性的不同, 取长补短, 采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料膜系结构, 即采用Nb2O5- SiO2 膜堆达到高反射率的要求,在该膜堆的最外部分叠加HfO2- SiO2 膜堆, 做到用较少的膜层数, 达到高反射率要求, 同时提高薄膜的抗激光损伤能力, 这种设计方法物理概念清晰, 理论推导简单, 有很强的实用价值。

  参考文献:

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