[发明专利]一种提高近红外高反膜激光损伤阈值的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜，具体涉及一种提高近红外高反射薄膜激光损伤阈值的方法。 

背景技术

在高功率激光系统中，高损伤阈值的激光薄膜是高功率激光系统中关键光学原件，也是大激光装置设计中关键因素之一，其抗激光损伤阈值及损伤特性是限制高功率激光系统进一步发展的重要瓶颈和影响激光系统稳定性和使用寿命的重要因素之一。国内外的大量研究表明，对于纳秒激光系薄膜而言，决定其损伤阈值高低的主要因素是薄膜吸收的大小和缺陷的多少。而节瘤缺陷则是影响近红外高反射膜和偏振分光膜等强激光薄膜损伤阈值的最具限制性的因素之一。一般认为，节瘤的存在，会改变节瘤及节瘤附近的电场的分布，使局部电场强度变大，引起局部辐照能量变大，过强的激光辐照，会导致节瘤本身的结构不稳定性加剧，从而引起破坏。由于节瘤在薄膜表面球冠状凸起的存在，改变了薄膜原本平整的表面形貌，使得薄膜被激光辐照的角度发生了连续的变化。原本正入射于薄膜表面的激光照射在节瘤上，除顶点以外，激光都是倾斜入射于节瘤膜层表面的。从顶点向下，入射角逐渐增大，在节瘤凸起底部与薄膜表面的交汇处形成最大的入射角。由于高反膜的反射带角宽度有限，在节瘤的部分区域的入射光由高反射变成透射，从而加剧了薄膜的破坏，降低了薄膜的阈值。而造成节瘤的种子源主要有两种来源。一是镀膜前的基板污染，通过合理细致的过程控制，可以将这部分的污染降至最低，在高反膜中甚至可以忽略；二是蒸镀过程中的膜料喷溅。研究人员对节瘤的产生机制进行了大量的研究，并研发多种技术来尽可能消除节瘤，以提高薄膜的阈值。到目前为止，电子束蒸发金属铪被认为是最佳的高阈值高反膜制备方式，是因为这种蒸镀方式产生的节瘤尺寸和密度最小。继续降低节瘤的尺寸和密度，则需要相当高的成本，且效率低下，效果也不明显。但实验证明，即使是耗费相当高的成本镀制的高反膜，节瘤仍然是限制其阈值提升的瓶颈。 

发明内容

本发明在保持电子束蒸发的优势的同时，针对限制高反膜阈值的瓶颈-节瘤，通过改变薄膜的设计来降低节瘤中的电场，继而提高节瘤的损伤阈值，提供了一种提高近红外高反膜激光损伤阈值的方法。该方法可以极大幅度提高薄膜的激光损伤阈值，具有成本低，针对性强、效率高、简单易行的特点。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种提高光学薄膜激光损伤阈值的镀膜方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 

(1)根据来确定节瘤的几何结构，其中D是节瘤直径，d为种子源的直径，t为种子源的深度，即等于薄膜的厚度，k为一个常数； 

(2)计算出各个尺寸的节瘤的张角，求出最大入射角度； 

(3)设计满足具有一定的光谱特性及具有一定角度宽度的高反射膜，保证所设计的高反膜的反射带角度宽度要大于节瘤的最大入射角； 

(4)将基板清洗干净，然后利用高纯氮气吹干后放入镀膜机； 

(5)本底真空度抽至1×10^-3Pa以下，将基板加热至200度，并恒温80分钟； 

(6)电子束交替蒸发HfO₂和SiO₂；蒸镀HfO₂时的氧分压为3.0×10^-2Pa，速率为0.05nm／s，蒸镀SiO₂时的氧分压为1.0×10^-2Pa，速率为0.4nm／s。 

(7)待真空室内温度自然冷却至室温后取出镀制好的样品。 

(8)所述的基板可以是光学玻璃，也可以是晶体。 

本发明的核心是通过改变高反膜设计来降低节瘤中的电场放大效应，从而提高节瘤的损伤阈值。图1是典型的节瘤的几何结构示意图。其中D是节瘤直径，d为种子源的直径，t为种子源的深度，即等于薄膜的厚度，k为一个常数，他们之间的关系满足：电场放大效应是影响节瘤损伤阈值的最主要的因素。其原因有两个，一个是节瘤的几何结构像一个正的微透镜，对入射光具有汇聚作用，节瘤内部的电场就会有增强的效果；另一个是节瘤的这种凸起的结构改变了薄膜原本平整的表面形貌，使得薄膜被激光辐照的角度发生了连续的变化。原本正入射于薄膜表面的激光照射在节瘤上，除顶点以外，激光都是倾斜入射于节瘤膜层表面的。从顶点向下，入射角逐渐增大，在节瘤凸起底部与薄膜表面的交汇处形成最大的入射角。由于高反膜的反射带角宽度有限，在节瘤的部分区域的入射光由高反射变成透射，从而加剧了薄膜的破坏，降低了薄膜的阈值。 

如图1所示，当激光正入射于薄膜表面时，在节瘤表面存在不同的入射角度。这个入射角度φ的范围是， 

0≤φ≤θ    (1)