提高光學(xué)薄膜激光損傷閾值的途徑

占美瓊

(上海第二工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，上海 201209)

0 引言

隨著各種高功率激光系統(tǒng)輸出功率的不斷提高，光學(xué)薄膜在激光應(yīng)用和發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用[1-2]。作為激光系統(tǒng)中的重要組成部分，光學(xué)薄膜相對于其它元件具有較低的抗激光損傷閾值，是激光系統(tǒng)中非常重要而又最易損傷的薄弱環(huán)節(jié)。它一旦遭到破壞，不但會使光束質(zhì)量降低，阻礙系統(tǒng)的最優(yōu)化性能發(fā)揮，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致其他光學(xué)元件的損傷，最終導(dǎo)致整個激光系統(tǒng)無法工作。長期以來，高功率激光對光學(xué)薄膜的損傷一直是限制激光向高功率、高能量方向發(fā)展的“瓶頸”之一，也是影響高功率激光薄膜使用壽命的主要因素之一[3]。同時，超強超快激光的發(fā)展，對光學(xué)薄膜的激光損傷閾值提出了更高的要求。多年以來，人們開展了很多提高不同波段光學(xué)薄膜的激光損傷閾值的研究。下面對相關(guān)研究結(jié)果作簡要介紹。

1 提高光學(xué)薄膜激光損傷閾值的途徑

1.1 激光預(yù)處理

以低于薄膜損傷閾值的激光輻照光學(xué)薄膜可使其損傷閾值提高，稱之為“激光預(yù)處理”[4]。早在80年代，這方面的研究工作就已經(jīng)開展了，而且研究發(fā)現(xiàn)通過基頻激光預(yù)處理提高薄膜損傷閾值的效果非常明顯。Arenberg 等人研究得出，1064 nm波長上的激光預(yù)處理使薄膜損傷閾值提高40 %，但波長到了532 nm，薄膜損傷閾值沒有明顯影響[5]。

90年代初期美國LLNL實驗室也開展了激光預(yù)處理的研究。M.R.Kozlowski等分別用1064 nm，532 nm，355 nm激光預(yù)處理電子束蒸發(fā)沉積的SiO2和HfO2薄膜和一些高反膜，發(fā)現(xiàn)SiO2薄膜經(jīng)激光預(yù)處理后損傷閾值增加一倍，而 HfO2薄膜的損傷閾值在處理前后沒有明顯改變[6]。他們在研究 HfO2/SiO2、ZrO2/SiO2、TiO2/SiO2高反膜的激光預(yù)處理中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1064 nm激光預(yù)處理后高反膜的損傷閾值都提高一倍以上，其中HfO2/SiO2高反膜損傷閾值提高最大。但是到了355 nm高反膜經(jīng)激光預(yù)處理后，損傷閾值沒有明顯提高。法國的H.Bercegol也報道一個類似的結(jié)果[7]：激光預(yù)處理沒有提高355 nm HfO2/SiO2高反膜的損傷閾值。劉寶安等研究發(fā)現(xiàn)激光退火對于 DKDP晶體的損傷閾值有顯著的提升作用，基頻、倍頻、三倍頻的提升效果分別達(dá)到1.4倍，1.9倍和2.7倍，是改善DKDP晶體抗光傷能力的有效途徑[8]。

總之，在激光預(yù)處理的研究中，對基頻激光預(yù)處理的報道很多，而且預(yù)處理提高薄膜損傷閾值的效果都很明顯。紫外波段激光預(yù)處理355 nm氧化物高反膜的效果不明顯，但是預(yù)處理248 nm氟化物高反膜的效果也較好。例如，N.Kaiser等報道電子束蒸發(fā)制備248 nm LaF3/MgF2高反膜經(jīng)激光預(yù)處理后，損傷閾值提高一倍以上，但是采用舟蒸發(fā)制備的248 nm LaF3/MgF2高反膜，激光預(yù)處理后，其損傷閾值沒有明顯的提高[9]。

關(guān)于激光預(yù)處理的增強機理也有多種不同的觀點。研究者大都認(rèn)為：以低于薄膜損傷閾值的激光輻射可以去除或消融薄膜表面的雜質(zhì)、缺陷或吸附水分，是對膜層中缺陷的一種預(yù)破壞。通過低能量密度激光的輻照使缺陷發(fā)生微觀的破壞，當(dāng)在更高能量密度的激光輻照下缺陷就不會向災(zāi)難性破壞的方向發(fā)展。王永忠等人在調(diào)研前人研究的基礎(chǔ)上分析其增強機理是：首先，薄膜內(nèi)部的缺陷在激光照射下，通過電子離化雪崩和多光子引起價電子躍遷等方式激發(fā)產(chǎn)生大量自由電子；然后，缺陷內(nèi)部自由載流子吸收；最后，加熱后高密度的缺陷產(chǎn)生聚結(jié)，并使覆蓋它的薄膜產(chǎn)生破裂導(dǎo)致?lián)p傷。[10]

1.2 加鍍保護(hù)膜層

在薄膜表面上加鍍一層λ/2整數(shù)倍的低折射率SiO2薄膜既不影響膜層的反射率，也不影響膜層的電場分布[11]，而且可以有效地提高薄膜的抗損傷能力。這可能是由于保護(hù)膜層的存在改善了薄膜的表面形態(tài)[12]，減少了由表面缺陷所引起的損傷。同時SiO2本身具有低吸收和高的抗激光能力，使損傷不易發(fā)生，并且它的存在使得膜層內(nèi)的雜質(zhì)在相同能量激光輻照下更難于沖出膜層表面形成損傷。

前人的研究結(jié)果表明，1064 nm和248 nm的高反射薄膜加鍍保護(hù)層可以提高損傷閾值[13]。例如，1064 nm SiO2保護(hù)層可以使Ti2O5/SiO2組成的高反膜的損傷閾值提高1.6倍。SiO2和MgF2保護(hù)膜可以使248 nm Sc2O3/MgF2高反膜閾值分別提高2倍和2.5倍[14]。F.Rainer 等也報道了248 nm Sc2O3/MgF2高反膜加SiO2和MgF2保護(hù)層后損傷閾值提高[15]，見圖1。這些都表明了保護(hù)層可以提高薄膜的損傷閾值。

圖1 248nm Sc2O3/MgF2高反膜有無保護(hù)層的損傷閾值Fig.1 LIDT of Sc2O3/MgF2 HR coatings with overcoat and without overcoat

但是對355 nm的高反射薄膜，文獻(xiàn)[16-20]報道加保護(hù)層能否提高損傷閾值取決于具體的制備工藝，這有待進(jìn)一步研究。

此外，除了最常用的SiO2保護(hù)膜以及MgF2保護(hù)膜，1994年Shin J.M.等報道Al2O3保護(hù)膜使ZrO2/SiO2高反膜的損傷閾值從12 J/cm2提高到20 J/cm2（1064nm, 15 ns）[21]。

1.3 緩沖層

與保護(hù)膜層不同，緩沖層是加在基底和要鍍的膜層之間，其作用類似過渡層。合適的緩沖層可以提高膜層的激光損傷閾值。譚天亞等研究在LBO晶體上做基頻和二倍頻增透膜[22]，采用SiO2、MgF2作為緩沖層。對比沒有加緩沖層的增透膜，發(fā)現(xiàn)基底與膜系之間緩沖層的插入沒有影響整個薄膜器件的光學(xué)性質(zhì)。在LBO晶體上預(yù)鍍SiO2或MgF2緩沖層改善了薄膜的抗激光損傷性能，與沒有緩沖層的膜系相比，激光損傷閾值分別提高了23.1 %和25.8 %。

1.4 駐波場、溫度場設(shè)計

高功率激光與光學(xué)薄膜相互作用時，不僅反射光束之間發(fā)生干涉，反射光與入射光相遇時也要發(fā)生干涉。這種反射光與入射光干涉的結(jié)果是在薄膜內(nèi)部形成駐波場。在薄膜內(nèi)的不同區(qū)域，駐波場的強度存在很大的差別，不同膜系薄膜的駐波場分布也是千差萬別。

修正光學(xué)薄膜駐波場的主要目的是：一是優(yōu)化薄膜內(nèi)駐波場分布，使駐波場強的最大值遠(yuǎn)離薄膜吸收系數(shù)最大的區(qū)域；二是改變膜系結(jié)構(gòu)，降低駐波場的峰值。1985年C.K.Carniglia報道355 nm Sc2O3/SiO2高反膜通過加MgF2來修正駐波場，使高反膜的損傷閾值平均提高40 %[16]。O.Arnon等證實可以通過改進(jìn)薄膜內(nèi)的駐波場，降低薄膜損耗，提高薄膜損傷閾值[23]。

孔明東提出了一種計算機算法用于改善光學(xué)多層膜的駐波場分布，削弱電場對薄膜的損傷[24]，其改變膜層內(nèi)駐波場分布的方法主要是在膜層中增加非規(guī)整膜層對。他從光學(xué)薄膜的特征矩陣出發(fā)，計算出增加非規(guī)整膜層前后的電場。該算法可以按任意要求改善膜層內(nèi)電場分布，可以使高折射率材料膜層內(nèi)和界面處的場強平方相對值明顯減少，最終提高薄膜的損傷閾值。

范正修認(rèn)為光學(xué)薄膜中駐波場的研究，可以直觀地解釋薄膜內(nèi)局部場強損耗的特性。通過優(yōu)化設(shè)計，可使得局部損耗降低到可以容許的范圍。但是，對于高功率激光薄膜，最終導(dǎo)致薄膜損傷或失效的是其局部升溫，這就必須考慮薄膜內(nèi)部的溫度場分布[25]。于是在薄膜光學(xué)設(shè)計以及駐波場設(shè)計的基礎(chǔ)上，范正修提出了薄膜溫度場設(shè)計思想[25-27]。他認(rèn)為薄膜內(nèi)的溫度場分布，是由以下三個關(guān)聯(lián)的過程形成的：薄膜光吸收引起激光的能量沉積；光能轉(zhuǎn)化為熱能引起溫度升高；熱傳導(dǎo)過程形成薄膜內(nèi)的溫度場。該理論的關(guān)鍵是以薄膜中的局部溫度作為評價標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整薄膜的厚度、折射率、消光系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)，從而達(dá)到特定的設(shè)計要求。通過二維溫度場計算，優(yōu)化薄膜各項參數(shù)，使膜層內(nèi)的溫度場相對于各膜層的溫度對抗能力達(dá)到一種合理的分布，降低溫度場的峰值，從而提高薄膜損傷閾值。通常在保證光學(xué)性能的同時，修正后峰值溫度場至少降低50 %。

1.5 離子后處理

離子后處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種材料的表面改性，是采用特定的能量離子轟擊材料表面，從而使表面性質(zhì)得到改善[28]。這主要是由于材料所展現(xiàn)的多種表面物理和化學(xué)性質(zhì)在很大程度上取決于表面層的性質(zhì)。如果離子束轟擊能有效地改變表面層的性質(zhì)，那么材料表面就會表現(xiàn)出改性的效果，而且在表面層以下仍然保持原有材料的性質(zhì)。

張東平等在文獻(xiàn)中報道了離子后處理可以顯著減少薄膜的微缺陷[29]，從而使ZrO2薄膜的激光損傷閾值提高45 % （1064 nm, 12 ns）。他們研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)離子處理的樣品損傷閾值為15.9 J/cm2，而處理后的樣品的損傷閾值為23.1 J/cm2，見圖2。顯然，經(jīng)離子處理后薄膜的激光損傷閾值有較大的提高。

采用離子后處理技術(shù)來提高光學(xué)薄膜抗激光損傷閾值的研究還不多。開展這方面的工作還需要不斷摸索，比如離子源類型、具體參數(shù)的選擇、薄膜沉積工藝、不同薄膜處理的效果等。

圖2 離子處理前后薄膜的損傷閾值Fig.2 LIDT of coatings of before and after ion post-treatment

除了上述方法，還有基底的亞表面處理等。2004年日本報道鍍膜前先將基底亞表面進(jìn)行離子刻蝕處理，再采用SiO2/Al2O3/MgF2組合制備的三倍頻增透膜的損傷閾值達(dá)9.2 J/cm2(0.3 ns)[30]。沈健等對比了熔石英基底經(jīng)離子束刻蝕前后，發(fā)現(xiàn)SiO2增透膜的激光損傷閾值提高40 %以上（355 nm)。最高激光損傷閾值已達(dá)到26.3 J/cm2（355 nm, 7 ns），接近國外報道的結(jié)果。KDP晶體的微納米表層缺陷會限制晶體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，使入射激光能量積聚在缺陷附近的很小范圍，消除直徑較大的微孔缺陷會有助于提高KDP晶體的激光損傷閾值[31]。

2 結(jié)論

光學(xué)薄膜作為激光系統(tǒng)中最常用的光學(xué)元件之一，提高其激光損傷閾值的重要性不言而喻。幾十年來，各國圍繞提高光學(xué)薄膜的損傷閾值問題開展了很多研究工作，也取得了大量的研究成果，但是隨著科技的發(fā)展，對光學(xué)薄膜的抗激光損傷能力的要求越來越高，研究者還需要不斷提高其損傷閾值。

[1]倪曉武, 陸建, 賀安之, 等.高功率激光對光學(xué)介質(zhì)薄膜破壞機理的研究進(jìn)展[J].激光技術(shù), 1994, 18(6):348-352.

[2]RAHE M, KUNZE R, SCHMIDT H.Absorption and damage threshold of KCI and KBr at 10.6 pm[J].SPIE, 1992,1624:1.

[3]EPHSTEIN E M.Scattering of electrons by phonons in a strong radiation field[J].Sov.Phys.-JETP, 1970, 41(10):2213-2217.

[4]WOLFE C R, KOZLOWSKI M R, CAMPBELL J H, et al.Laser conditioning of optical thin films[J].NIST (USA), Special Publication, 1989,801:360-375.

[5]ARENBERG J W, FRINK M E.On the role of water in the laser conditioning effect[J].NIST(USA), Special Publication,1989,801:430-439.

[6]KOZLOWSKI M R, STAGGS M, RAINER F, STATHIS J H.Laser conditioning and electronic defects of HfO2and SiO2thin films[J].Proc.SPIE,1991,1441:1-14.

[7]BERCEGOL H.What is laser conditioning? A review focused on dielectric multilayers[C]//Proc.SPIE.1999, 3578:1-6.

[8]劉寶安, 孫紹濤, 季來林, 等.不同波長三倍頻DKDP晶體的激光損傷[J].強激光與粒子束, 2010, 22(2):323-326.

[9]KAIAER N, ANTON B, JANCHEN H, et al.Laser conditioning of LaF3/MgF2dielectric coatings for excimer lasers[C]//Proc.SPIE.1995,2428:400-409.

[10]王永忠, 張云洞, 熊勝明.提高強激光反射鏡鍍膜損傷閾值的激光后處理技術(shù)及機理探討[J].強激光與粒子束, 1994, 6(2):297-302.

[11]PHILIP B.Dependence of the reflectance of a multilayer reflector on the thickness of the outer layer[J].Applied Optics, 1999, 38(28):6034-6035.

[12]STOLZ C J, GENIN F Y, RERTTER T A.Effect of SiO2overcoat thickness on laser damage morphology of HfO2/SiO2brewster angle polarizers at 1064 nm[C]//Proc.SPIE.1997, 2966:265-272.

[13]STOLZ C J, TAYLOR J R.Damage threshold study of ion beam sputtered coatings for a visible high-repetition laser at LLNL[C]//Proc.SPIE. 1993,1848:182-191.

[14]HART T T, LICHTENSTEIN T, CARNIGLIA C K, et al.Effects of undercoats and overcoats on damage thresholds of 248 nm Coatings[J].Nat.Bur.Stand.(U.S.) Spec.Publ.,1983,638:344-349.

[15]RAINER F, LOWDERMILK W H, MILAM D.Scandium oxide coatings for high－power UV laser applications[J].Applied Optics,1982,21(20):3685-3688.

[16]CARNIGLIA C K, APFEL J H, ALLEN T H, et al.Recent damage results on silica/titania reflectors at 1μm[J].National Bureau of Standards(U.S.) Special Publication, 1980, 568:377-390.

[17]CARNIGLIA C K.Oxide coatings for one micrometer laser fusion systems[J].Applied Optics, 1981, 16:1880-1885.

[18]CARNIGLIA C K, HART T T, RAINER F, et al.Recent damage results on high reflector coatings at 355 nm[J].National Bureau of Standards (U.S.)Special Publication, 1985, 688:347-353.

[19]HART T T, CARNIGLIA C K, STAGGS M C.Effects of overcoats on 355 nm reflectors[J].National Bureau of Standards, (U.S.) Special Publication, 1984, 727:285–290.

[20]LOWDERMILK W H, MILAM D, RAINER F.Damage to coatings and surfaces by 1.06 μm pulses[J]. NBS Special Publication, 1979, 568:391- 403.

[21]SHINJI M, HIDETSUGU Y, KUNIO Y, et al.Effect of overcoat layer on highly reflective coating for high-average-power lasers[J].Japanese Journal of Applied Physics, 1994, 33(11A):L1530-L1533.

[22]譚天亞, 于撼江, 吳煒, 等.緩沖層對LB 晶體1064 nm,532 nm 二倍頻增透膜的激光損傷閾值的影響[J].光子學(xué)報，2009，38(10)：2613–2617.

[23]ARNON O, BAUMEISTER P.Electric field distribution and the reduction of laser damage in multilayers[J].Applied Optics, 1980, 19(11):1853-1855.

[24]孔明東.光學(xué)多層膜減小電場強度的一種新設(shè)計方法[J].光電工程,1999, 26(1):55-59.

[25]范正修, 湯雪飛.光學(xué)薄膜的溫度場設(shè)計[J].光學(xué)學(xué)報, 1995, 15(4) :463-467.

[26]FAN Z X, ZHAO Q, WU Z L.Temperature field design in optical thin films[J].Proc.SPIE, 1997, 2966:362-370.

[27]趙強, 范正修, 王之江.激光對光學(xué)薄膜加熱的數(shù)值計算分析[J].光學(xué)學(xué)報, 1999, 19(8):1019-1023.

[28]COBURN J W.Surface processing with partially ionized plasmas[J].IEEE Trans on Plasma Science, 19(6):1048-1064.

[29]ZHANG Dong-ping, SHAO Jian-da , ZHANG Da-wei ,et al.Employing oxygen-plasma post treatment to improve the laser-induced damage threshold of ZrO2films prepared by the electron-beam evaporation method[J].Optics Letters, 2004, 29(24):2870-2872.

[30]MINORU O, HIDEHIKO F, JUNRI I, et al.Improvement in laser-induced damage threshold of antireflection coatings for high-power UV lasers by removing subsurface of large lenses[J].Japanese Journal of Applied Physics, 2004,43(9A):6350-6351.

[31]陳明君, 姜偉, 龐啟龍, 等.KDP晶體微納米加工表層缺陷對其激光損傷閾值的影響[J].強激光與粒子束, 2010, 22(1):159-164.