40 keV 質(zhì)子輻照對HfO2/SiO2 高反射薄膜激光損傷性能影響試驗研究

管 爽，于 強，李 宇，王亞南，王 可，韓佳岐，鈕信尚，馬 彬*

（1. 同濟大學 物理科學與工程學院，上海 200092； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100029）

0 引言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，激光系統(tǒng)在空間領(lǐng)域的應用日益廣泛。激光高反射薄膜是空間激光系統(tǒng)中激光產(chǎn)生和輸出部件的重要組成部分，其性能的變化會直接影響激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與地面環(huán)境所使用的薄膜有所不同，空間應用的薄膜除了要滿足光學性能指標外，還必須能夠抵抗復雜惡劣空間環(huán)境的影響。近地空間環(huán)境中的影響因素主要包括高真空、太陽紫外輻照、帶電粒子輻射、原子氧、熱循環(huán)、微流星體及空間碎片撞擊等。這些因素將會造成薄膜材料的理化性質(zhì)改變，從而影響空間光學儀器的使用壽命。

國內(nèi)外很多研究機構(gòu)利用空間飛行實驗和地面加速模擬試驗來研究不同環(huán)境因素對空間環(huán)境下薄膜性能的影響。美國航空航天局（NASA）通過將多種激光薄膜和基底材料搭載在國際空間站的LDEF（Long Duration Exposure Facility）上，獲得了不同薄膜的光譜性能衰減規(guī)律和材料表面形貌變化；上海衛(wèi)星裝備研究所、中國科學院光電技術(shù)研究所等研究機構(gòu)也通過地面裝置開展模擬試驗，獲得了大量試驗數(shù)據(jù)。

帶電粒子輻照作為空間環(huán)境中的重要影響因素，其探測和模擬得到了廣泛關(guān)注。在低地球軌道，空間帶電粒子以質(zhì)子和電子為主，質(zhì)子和電子的分布和密度隨軌道高度不同而變化，能量越高通量越低，在距地約1000 km 的軌道高度上，電子和質(zhì)子能量主要集中在2 MeV 以下，年輻照注量約為10cm。目前國內(nèi)外的研究主要集中在帶電粒子輻照損傷機制的理論探究和樣品輻照前后的宏觀變化，而涉及質(zhì)子輻照對光學元件激光損傷閾值的研究相對較少，特別是對其作用規(guī)律和機制尚不完全明確。

本文重點研究低能質(zhì)子輻照對高反射薄膜激光損傷性能的影響。采用電子束蒸發(fā)法制備了高反射薄膜樣品，進行低能質(zhì)子輻照模擬試驗，采用定點原位測量技術(shù)測量輻照前后樣品同一區(qū)域的微觀形貌和粗糙度等信息；結(jié)合高分辨光熱吸收測試，獲得輻照前后選定區(qū)域的光熱吸收圖像，明確輻照對薄膜光熱吸收性能的影響；分別采用單脈沖和多脈沖激光損傷閾值測量方法，表征各類微小初始破壞的激光損傷閾值及其對元件光學性能的影響。結(jié)合SRIM 程序模擬低能質(zhì)子注入的計算結(jié)果，定量分析特定角度和能量下低能質(zhì)子入射至靶材中的傳輸軌跡和數(shù)密度分布。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 樣品準備

通過電子束蒸發(fā)工藝在30 mm×5 mm 的熔融石英基板上鍍制了1064 nm/532 nm/355 nm 三波段高反射薄膜（高反膜），鍍膜機型號為OTFC-3000。圖1 為所設(shè)計三波段高反膜的膜層厚度分布，反射膜采用HfO/SiO膜堆，共計79 層，膜系結(jié)構(gòu)為0.327(0.8H 1.2L)^17 (0.7H 1.3L)^22 L，其中H 代表45°入射下的1/4 波長厚度的HfO單層膜，L 代表45°入射下的1/4 波長厚度的SiO單層膜，0.327 代表中心波長在0.327L，使用角度為45°。

圖1 三波段高反膜膜系設(shè)計示意Fig. 1 Configuration of the three-band high-reflective membrane

1.2 質(zhì)子輻照試驗設(shè)備

質(zhì)子輻照模擬試驗在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所進行，所用設(shè)備為800 mm綜合輻照試驗設(shè)備，真空度為3.5×10～5×10Pa，束流不均勻度10%，束流不穩(wěn)定性±4%，樣品臺溫控為25 ℃。在近地空間環(huán)境中，隨質(zhì)子能量降低，通量呈增加趨勢，能量在200 keV 以下的低能質(zhì)子比高能質(zhì)子通量高出幾個數(shù)量級。結(jié)合試驗設(shè)備能力，本研究選擇的質(zhì)子輻照能量為40 keV，通量為2.5×10cm·s，累積通量為1.0×10cm，對直徑30 mm 的樣品進行全區(qū)域輻照。

1.3 分析表征方法

利用安捷倫公司生產(chǎn)的Cary 7000 紫外–可見–近紅外分光光度計對樣品進行光譜測試，測試范圍為300～1500 nm，測試角度為45°。

利用Bruker 公司生產(chǎn)的Dimension Icon 原子力顯微鏡對樣品進行微觀形貌觀測。通過工裝的限位和壓痕標記點的二次定位，對質(zhì)子輻照試驗前后的樣品用同樣方法對同一區(qū)域進行測試，實現(xiàn)高精度原位測量。

光熱吸收測試在合肥知常光電有限公司進行，分別采用355 nm、532 nm 和1064 nm 工作波長的高分辨光熱顯微掃描系統(tǒng)對輻照前后的樣品進行掃描成像，掃描步距為2 μm，掃描區(qū)域為300 μm×300 μm，掃描點數(shù)量為150×150。

利用Spectra Physics 的Nd:YAG 激光器，搭建了激光損傷閾值測試系統(tǒng)，測試光路及裝置如圖2所示，激光器的主要參數(shù)如表1 所示。損傷閾值測試系統(tǒng)由能量調(diào)節(jié)區(qū)域、聚焦區(qū)域和損傷監(jiān)測區(qū)域組成。損傷在線觀測設(shè)備采用配備了70～700 倍目鏡的HIROX 長距顯微鏡和Spiricon SP620U 的CCD組合來獲得μm 尺度成像分辨率的圖像實現(xiàn)在線觀察，結(jié)合微分干涉顯微鏡的離線檢查判斷樣品是否發(fā)生損傷，以準確獲得激光損傷的數(shù)據(jù)。

圖2 激光損傷閾值測試系統(tǒng)Fig. 2 Schematic diagram of the laser damage threshold measurement system

表1 激光器參數(shù)Table 1 Parameters of the laser device

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 光譜測試結(jié)果分析

經(jīng)低能質(zhì)子輻照，三波段高反膜樣品的光譜透過率曲線如圖3 所示，測試波段為300～1500 nm，其中藍色和紅色曲線分別代表輻照前和輻照后的測試結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)輻照前后的光譜測試曲線基本一致，且與設(shè)計值相吻合。研究表明，材料的光譜變化與輻照質(zhì)子的能量、通量有直接關(guān)系，而對于低能質(zhì)子輻照，能量的影響相對較小，光譜變化主要是隨著通量的增加而透過率降低。因此推測，由于本文中輻照質(zhì)子能量較低（40 keV），累積通量較?。?.0×10cm） ，并未對樣品的光譜透過率產(chǎn)生明顯影響。

圖3 低能質(zhì)子輻照前后樣品的透過率曲線Fig. 3 Transmittance curve of the sample before and after the low-energy proton irradiation

2.2 顯微形貌測量結(jié)果分析

為了探究40 keV 質(zhì)子輻照對HfO/SiO三波段高反膜表面的破壞效果，通過原子力顯微鏡在質(zhì)子輻照前后對同一樣品的相同區(qū)域（面積5 μm×5 μm）進行原位測試，結(jié)果如圖4 所示。通過對比圖像可知，高反射薄膜的表面形貌無明顯變化，輻照前、后樣品的粗糙度分別為2.41 nm、2.45 nm，基本相同。

圖4 質(zhì)子輻照前后樣品的表面形貌Fig. 4 Surface topography of the sample before and after the proton irradiation

2.3 光熱吸收測試結(jié)果分析

材料的光熱吸收特性是影響薄膜性能的關(guān)鍵因素，通過對比光熱吸收強度的差異可以判定單個缺陷成為激光損傷源頭的可能性，分析薄膜整體損傷性能。因此，對樣品的同一區(qū)域在質(zhì)子輻照前后進行光熱吸收對比測試，3 種工作波長的光熱吸收相對值測試結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明，質(zhì)子輻照后3 種工作波長下薄膜的光熱吸收相對值均較輻照前小幅增加，其原因是質(zhì)子輻照可能導致光學元件產(chǎn)生缺陷，從而使光學元件表面吸收增強。具體來講就是，材料的光熱吸收特性對nm 級強吸收源、亞μm 尺度缺陷以及元件的整體吸收強度均十分敏感，而光譜測試和原子力顯微測試難以檢測到nm 級缺陷，結(jié)合光譜測試和顯微形貌測試結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子輻照導致的破壞應該是在材料內(nèi)部形成的微小晶格缺陷，從而造成材料光熱吸收強度的小幅增加。圖5 所示為532 nm 工作波長下樣品的光熱吸收測試圖像。

表2 不同工作波長下的光熱吸收相對值測試結(jié)果Table 2 Test results of relative photothermal absorptions of three operation wavelengths

圖5 樣品同一區(qū)域在質(zhì)子輻照前后的光熱吸收圖像（工作波長為532 nm）Fig. 5 Photothermal absorption images before and after irradiation (of operation wavelength of 532 nm)

2.4 激光損傷閾值測試結(jié)果分析

激光損傷閾值測試采用S-on-1、R-on-1、光柵掃描3 種方式。S-on-1 測試按照ISO 21254 標準，采用多個能量密度遞增的方式進行，每個激光能量密度下對個測試點進行激光損傷閾值測試，每個測試點的計劃輻照次數(shù)為：在次脈沖輻照過程中，如果在一個測試點未滿次輻照下樣品已經(jīng)發(fā)生損傷則快速關(guān)閉快門，并移至下一個測試點；如果一個測試點的輻照次數(shù)已滿次而未發(fā)生損傷，亦移至下一個測試點繼續(xù)測試。本研究將設(shè)為10，每組能量密度誘導10 個區(qū)域，每個誘導損傷位置間隔為光斑尺寸的10 倍，以盡量減小由于損傷生長對樣品造成大規(guī)模破壞而影響損傷閾值測試結(jié)果的可能。記錄下每個激光誘導位置的測試結(jié)果，結(jié)合Normaski 顯微鏡的離線對照，確定每組能量密度下?lián)p傷點的個數(shù)，最終得出損傷概率，從而計算出樣品的損傷閾值。S-on-1 測試表征的是隨機的、一定數(shù)目測量區(qū)域的激光損傷閾值。圖6 為3 種工作波長下S-on-1 測試得到的損傷閾值線性擬合結(jié)果。

圖6 S-on-1 測試得到的損傷閾值線性擬合Fig. 6 Linear fitting of damage threshold by the S-on-1 method

對圖6 進行分析可知：在1064 nm 的工作波長下，輻照前后的損傷閾值分別為67.06 J/cm和52.36 J/cm，降幅為21.92%；在532 nm 的工作波長下，輻照前后的損傷閾值分別為10.48 J/cm和7.76 J/cm，降幅為25.95%；在355 nm 的工作波長下，輻照前后的損傷閾值分別為2.94 J/cm和1.98 J/cm，降幅為32.65%?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)40 keV 質(zhì)子輻照后三波段高反膜在3 個工作波長下的損傷閾值均明顯降低。

與S-on-1 測試不同，R-on-1 測試是在同一測試點以最低能量密度為初始能量密度誘導，再等間隔增加能量梯度直至損傷，得出該點的損傷閾值，表征的是測量區(qū)域在激光預處理下的最高激光損傷閾值；光柵掃描是以激光光斑直徑的90%為光柵掃描光斑直徑，光斑相切，通過調(diào)節(jié)移動電機的速率來控制，掃描面積為3 mm×3 mm，表征的是測量區(qū)域內(nèi)極弱點的激光損傷性能，適合評價面向工程應用、全口徑范圍光學元件的整體激光損傷性能。1064 nm 工作波長下3 種測量方式測得的樣品輻照前后損傷閾值對比結(jié)果為：S-on-1 測試得到輻照前后的損傷閾值分別為67.06 J/cm和52.36 J/cm；R-on-1 測試得到輻照前后的損傷閾值分別為141.30 J/cm和119.56 J/cm，光柵掃描測試得到輻照前后的損傷閾值分別為46.74 J/cm和41.30 J/cm?？梢钥吹?，采用不同測試方式所得到的結(jié)果均顯示經(jīng)40 keV 質(zhì)子輻照后三波段高反膜的損傷閾值明顯降低。

2.5 小結(jié)

通過上述測試結(jié)果分析可以看出，質(zhì)子輻照前后三波段高反膜（多層膜）的光譜特征、表面形貌、光熱吸收特性沒有明顯差異，但質(zhì)子輻照仍然造成其激光損傷閾值顯著降低。這說明經(jīng)質(zhì)子輻照后產(chǎn)生了常規(guī)檢測手段無法甄別出的差異。為了進一步探究質(zhì)子輻照的作用機制，需要對入射質(zhì)子和靶材料交互作用進行模擬仿真。

3 SRIM 模擬與分析

本文利用SRIM 軟件對入射質(zhì)子和靶材料交互作用進行蒙特卡羅模擬仿真。分別對40 keV 質(zhì)子輻照HfO/SiO三波段高反膜（多層膜）、SiO單層膜、HfO單層膜進行模擬，其中注入低能質(zhì)子數(shù)量設(shè)置為10個，以便提高運算結(jié)果的可靠性和準確度。通過輻照過程中的粒子軌跡、射程分布、能量損失和缺陷產(chǎn)生的情況，分析輻射效應機制，闡述粒子在材料中輸運的具體過程。

圖7 所示為SRIM 軟件模擬40 keV 質(zhì)子入射到3 種材料過程中的粒子軌跡。

圖7 SRIM 模擬低能質(zhì)子注入軌跡Fig. 7 SRIM simulation of proton injection trajectory in reflective film

圖8 為40 keV 質(zhì)子入射至3 種材料中的質(zhì)子數(shù)密度分布?？梢钥闯觯? 個過程中質(zhì)子數(shù)密度隨入射深度的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。對于多層膜而言，質(zhì)子主要集中在0.35～0.48 μm 的深度范圍，在0.42 μm處出現(xiàn)數(shù)密度最大值；對于SiO單層膜而言，質(zhì)子數(shù)密度在0.55 μm 處出現(xiàn)最大值；對于HfO單層膜而言，質(zhì)子數(shù)密度在0.4 μm 處出現(xiàn)最大值。通過對比不難發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子入射至HfO膜的最大射程明顯短于在SiO膜中的。這是由于材料的阻止本領(lǐng)與質(zhì)子入射的能量以及質(zhì)子在靶材中的密度分布密切相關(guān)，且高原子序數(shù)和高密度的物質(zhì)具有較高的阻止本領(lǐng)。HfO的密度為7.368 g/cm，SiO的密度為1.873 g/cm，Hf 的原子序數(shù)大于Si 的原子序數(shù)，這是造成質(zhì)子入射至這2 種單層膜時產(chǎn)生差異的主要原因。

圖8 SRIM 模擬低能質(zhì)子入射徑向數(shù)密度分布Fig. 8 SRIM simulates radial concentration distribution of low-energy proton incident reflective films

通過分析圖7(a)和圖8(a)可以發(fā)現(xiàn)，輻照過程中質(zhì)子主要集中在表面膜層，對內(nèi)部膜層和基底材料幾乎沒有影響。這是由于入射粒子在材料中的射程與其能量成正比，40 keV 低能質(zhì)子在材料中射程較小，導致其在材料的表層有較大吸收劑量，從而主要對材料的表面性能產(chǎn)生影響。當質(zhì)子由SiO入射至HfO靶時，受到的阻力明顯增大，這也符合之前的模擬結(jié)果。

帶電粒子產(chǎn)生的輻照損傷效應主要表現(xiàn)為電離、聲子激發(fā)和原子置換。SRIM 軟件計算得到，質(zhì)子入射至本文所研究的3 種靶材的過程中能量損失均以電離能損為主。下面僅對HfO/SiO三波段高反膜進行分析，其電離能損高達98.17%，電離效應能使材料的內(nèi)部產(chǎn)生色心缺陷。對于激光損傷來講，亞nm 尺度的微缺陷就會造成吸收中心，導致局部誘導激光損傷，這種極其微弱的缺陷對光子能量的吸收所產(chǎn)生的電離過程往往就是多光子吸收過程。多光子吸收激發(fā)禁帶電子至導帶，導帶電子通過光電場加速作用或自由載流子吸收被激發(fā)至更高能態(tài)，隨后多余能量通過雪崩轉(zhuǎn)移到晶格或產(chǎn)生電子–聲子效應即晶格加熱，從而極大地降低材料的激光損傷閾值。而較高密度的色心才會導致光譜的明顯漂移，這就說明低能質(zhì)子輻照后，雖然材料的透光率無明顯變化，但激光損傷閾值明顯降低。

4 結(jié)束語

本文主要研究了40 keV 質(zhì)子輻照對HfO/SiO三波段高反膜光學性能的影響。通過地面輻照模擬裝置結(jié)合不同的分析表征手段，得到輻照質(zhì)子能量為40 keV、累積通量為1.0×10cm時，對材料的光譜特性無明顯影響；輻照后，樣品顯微形貌基本不變，光熱吸收特性差異不大，但激光損傷閾值明顯降低。SRIM 模擬的結(jié)果表明，質(zhì)子入射HfO/SiO三波段高反膜后的能量損失以電離能損為主，也正是這一效應導致材料的色心缺陷，使樣品在強激光作用下發(fā)生晶格破壞，從而導致激光損傷閾值降低。

上述工作有助于后續(xù)深入開展多種因素耦合作用對空間高反射薄膜的激光損傷性能影響的研究。計劃在未來試驗中制備單層高反膜，并同步進行輻照試驗研究。