高激光損傷閾值化學(xué)膜透射元件的研制

李曉光，張清華，沈 軍,*

(1.同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；

2.同濟(jì)大學(xué) 上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；

3.成都精密光學(xué)工程研究中心，四川 成都 610041)

在激光慣性約束核聚變系統(tǒng)中有大量化學(xué)膜透射元件用以負(fù)載1 064 nm和355 nm波長的激光，這些元件多以K9和熔石英玻璃為基底，以溶膠-凝膠法鍍制的SiO2薄膜(相對于物理氣相沉積的薄膜，這種薄膜可稱作化學(xué)膜)為減反射涂層[1-6]。由于高強(qiáng)度的激光會造成光學(xué)元件損傷，所以元件要有足夠高的激光損傷閾值(LIDT)才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對鍍膜元件而言，薄膜和基底均有可能成為決定LIDT的短板，而不同波長激光引起元件損傷的原因和程度也不同，相對而言，紫外激光(355 nm)誘導(dǎo)的損傷更嚴(yán)重，一個重要原因是基底亞表面中的污染物對紫外激光的強(qiáng)烈吸收。

20世紀(jì)90年代，勞侖茲-利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室率先采用化學(xué)腐蝕去除亞表面污染以提高LIDT[7]，之后很多機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)研究[8-11]，獲得了不少提高LIDT的經(jīng)驗(yàn)。然而，關(guān)于基底加工對基底本身LIDT影響的報(bào)道較多，而對鍍膜后元件LIDT的影響報(bào)道較少(尤其對化學(xué)膜透射元件)，這使得基底加工的意義和必要性不甚清楚。近年來，晏良宏等[12]采用動態(tài)比較法研究了紫外激光輻射下透射元件的損傷行為，發(fā)現(xiàn)溶膠-凝膠SiO2薄膜較熔石英基底有更強(qiáng)的抗激光損傷能力。文獻(xiàn)[13]用不同的基底加工方法進(jìn)行了類似研究，取得了與上述一致的結(jié)果，這也使基底加工在化學(xué)膜透射元件制備中的必要性得到了進(jìn)一步確認(rèn)。

要提高損傷閾值，就有必要提升基底和薄膜質(zhì)量?；诖?，本工作研究全面提高化學(xué)膜透射元件LIDT的方法。一方面，對溶膠和薄膜進(jìn)行改性，以有效提高薄膜的質(zhì)量；另一方面，分別針對355 nm和1 064 nm激光損傷的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基底優(yōu)化方案，并著重介紹目前報(bào)道較少的超級拋光工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 溶膠-凝膠SiO2減反膜的制備

以正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇(EtOH)、氨水、去離子水為原料，以聚乙二醇(PEG)為添加劑配制了兩種SiO2溶膠(有、無PEG)[14]，用這兩種溶膠在潔凈的玻璃基底上提拉鍍膜，對制得的部分薄膜樣品進(jìn)行氨氣氛處理。通過調(diào)節(jié)提拉速度和氨氣氛處理時間，使所有樣品的透射峰位均在1 064 nm或355 nm附近。

1.2 樣品形貌及光學(xué)性能表征

采用WYKO公司的TOPO輪廓干涉儀測量玻璃基底的表面形貌及粗糙度。采用紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)(Cary 5000)測量樣品的透過率，并用WVASE軟件擬合薄膜的折射率。

1.3 激光損傷閾值的測試

使用Nd：YAG脈沖激光源輸出波長分別為1 064、355 nm，對應(yīng)脈寬為10、3 ns的紅外、紫外激光。參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11254-1，采用1-on-1方式測試(圖1a)，以相同的激光能量進(jìn)行不同位置的行掃描，每點(diǎn)輻射1次，記錄整行損傷點(diǎn)的比率作為該能量密度下的損傷概率；改變激光能量并以同樣的方式進(jìn)行不同行的掃描和損傷概率測量；最后，對不同激光能量下的損傷概率進(jìn)行線性擬合，取概率為0時對應(yīng)的激光能量密度為樣品的LIDT(其計(jì)算示例示于圖1b)。由于激光損傷實(shí)驗(yàn)中不確定因素較多，相同方式處理的樣品皆取2～4片進(jìn)行損傷測試以確保結(jié)果的可信度。

圖1 1-on-1激光損傷測試示意圖(a)及LIDT計(jì)算示例(b)

2 結(jié)果和討論

2.1 不同薄膜樣品的損傷閾值

溶膠-凝膠法制備的SiO2薄膜具有疏松多孔結(jié)構(gòu)(孔隙率約50%)，這樣的結(jié)構(gòu)既能使薄膜具有玻璃基底的理想減反膜的折射率(約1.23)，又能使薄膜對吸收激光輻射導(dǎo)致的局部應(yīng)變有很好的緩釋能力。此外，該種薄膜成分缺陷較少(而如真空氣相沉積法鍍膜，難以避免化學(xué)計(jì)量比缺陷等)，對激光的吸收很弱，所以，自20世紀(jì)80年代開始就一直作為強(qiáng)激光系統(tǒng)中的減反射薄膜得到了廣泛的研究和應(yīng)用。而要進(jìn)一步提高透射元件的LIDT，薄膜LIDT的提升必不可少。提高多孔SiO2薄膜的LIDT需從兩方面入手，一是減少薄膜中的缺陷尤其是結(jié)構(gòu)缺陷，二是優(yōu)化薄膜的孔結(jié)構(gòu)。通過向SiO2溶膠中引入PEG，可使溶膠中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更均勻、有序，并抑制大團(tuán)簇的產(chǎn)生，由此可獲得節(jié)瘤缺陷(典型的結(jié)構(gòu)缺陷)少且表面更均勻的薄膜[14]。對制得的薄膜進(jìn)行氨氣氛處理，可使相鄰的SiO2顆粒通過表面—OH基團(tuán)的脫水反應(yīng)連接起來，使顆粒間的孔徑發(fā)生變化，從而得到多級孔結(jié)構(gòu)[5,14]。不同薄膜樣品的光學(xué)性能和LIDT列于表1。表1顯示，PEG的添加和氨氣氛處理單獨(dú)使用均能明顯提高薄膜樣品在紅外激光輻射下的LIDT，相對于用基礎(chǔ)溶膠鍍的薄膜，LIDT分別提高了14%和26%；將兩種手段聯(lián)合使用，LIDT則提高了40%，同時，樣品的透射率高達(dá)99.9%，這是因?yàn)樘幚砗蟊∧さ恼凵渎史浅＝咏硐雴螌訙p反膜的折射率。

表1中的薄膜樣品是以化學(xué)腐蝕后的K9玻璃為基底，損傷閾值是1 064 nm、10 ns的激光對應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于薄膜損傷閾值的提升是因?yàn)樽陨硇阅艿膬?yōu)化，所以將此處最佳的薄膜制備及處理方法也用在以石英玻璃為基底的紫外激光透射元件上。

表1 不同薄膜樣品的光學(xué)性能和LIDT

2.2 基底加工及其對激光損傷閾值的影響

1) 基底質(zhì)量評價(jià)因素

由于透射玻璃基底要負(fù)載大功率激光通過其整體，故表面和亞表面的質(zhì)量均顯著影響元件損傷閾值。其中，表面質(zhì)量主要由粗糙度和清潔程度決定，與表面拋光與清洗技術(shù)相關(guān)；亞表面質(zhì)量取決于亞表面的缺陷，包括嵌含的拋光顆粒等亞表面污染以及研磨、拋光過程造成的裂痕等亞表面損傷。

2) K9玻璃基底的腐蝕

K9基底主要用于負(fù)載1 064 nm的激光，在目前透射元件的激光損傷問題中不屬于薄弱環(huán)節(jié)，所以，出于簡化工藝和節(jié)約成本的目的，只進(jìn)行了化學(xué)腐蝕處理(3%的NH4HF2水溶液)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，K9玻璃的LIDT隨腐蝕深度的增加而增加(圖2)，這與文獻(xiàn)[10-11]結(jié)果一致。進(jìn)一步增加腐蝕深度時，玻璃表面出現(xiàn)了一些劃痕，這意味亞表面損傷被逐漸暴露。亞表面損傷層的暴露會降低K9玻璃的LIDT[10]，因此，在實(shí)驗(yàn)中選擇的腐蝕深度為500 nm左右，且這種幾百nm的腐蝕對表面粗糙度的影響很小，腐蝕后可直接鍍膜。

圖2 不同腐蝕深度下K9玻璃基底的LIDT

3) 熔石英玻璃基底表面的超級拋光

對用于負(fù)載紫外激光的熔石英玻璃基底，單純化學(xué)腐蝕雖能明顯提高其損傷閾值，但文獻(xiàn)[12-13]表明，在355 nm激光輻射下，腐蝕后的熔石英玻璃基底的損傷閾值仍小于多孔SiO2薄膜的，所以，進(jìn)一步提升基底質(zhì)量對提高元件在紫外波長處的LIDT意義重大。

超級拋光是獲得超光滑表面、提高表面質(zhì)量的必要途徑。各國超光滑表面標(biāo)準(zhǔn)不同，一般地，表面均方根粗糙度Rq至少要小于1 nm。與澳大利亞國家精密光學(xué)中心合作，以瀝青材料為拋光盤，用粒徑約10 nm的CeO2顆粒配制拋光液，采用動擺式連續(xù)拋光的方法制得了Rq<0.1 nm的超光滑表面。如圖3所示，超級拋光前(即普通拋光后)玻璃的表面均勻性較差，Rq約1.06 nm，而超級拋光后均勻性明顯提升，Rq降至約0.08 nm。要得到如此光滑(已接近極限)的表面需很多條件，其中，拋光器件的設(shè)計(jì)及被拋元件與瀝青拋光盤的緊密接觸很關(guān)鍵。圖4示出了拋光器件的設(shè)計(jì)方法與拋光時的實(shí)物照片。

圖3 超級拋光前、后熔石英玻璃表面形貌及起伏情況

若僅從減少散射和提高面型精度看，將粗糙度降低至此對波長為355 nm的激光輻射意義不大，但實(shí)驗(yàn)證明，在鍍膜后擁有超光滑表面的基底較僅經(jīng)化學(xué)腐蝕的基底的損傷閾值(對355 nm、3 ns激光)提高了近1倍[13]，這主要是因?yàn)榫鶆蛐院玫谋砻媲逗奈罩行男　?/p>

4) 不同透射元件的激光損傷閾值

表2列出分別用于紅外(1 064 nm、10 ns)和紫外(355 nm、3 ns)激光輻射的透射元件鍍膜前后的LIDT，所有薄膜按表1中樣品4的方法制備。無論是1 064 nm還是355 nm處的激光輻射，對于裸基底，基底處理后的損傷閾值均較處理前的有明顯提升，而鍍膜樣品也如此。這表明腐蝕、拋光等基底處理手段可有效提高元件的損傷閾值，也表明薄膜本身的損傷閾值較未處理基底的高，紫外激光輻射的情形尤其突出。

圖4 拋光系統(tǒng)主要部件的制備及拋光時的實(shí)物照片

表2 激光輻射下透射元件在基底加工前后的LIDT

對于355 nm波長處的激光損傷，基底處理后，裸基底的LIDT提高到原來的4.1倍，而鍍膜后樣品的LIDT提高到原來的4.8倍；對于1 064 nm波長處的激光損傷，基底處理后，裸基底和鍍膜后樣品的LIDT均較原來提高了約30%，且鍍膜樣品的LIDT幾乎不低于裸基底。

一般地，整個元件的LIDT不會超過抗損傷能力薄弱部分的。但在石英基材樣品中，出現(xiàn)了鍍膜樣品的LIDT(19.5 J/cm2)較裸基底的(17.4 J/cm2)高的情況，對此先從電場分布的角度進(jìn)行分析。在激光誘導(dǎo)的損傷中，界面通常是最易損壞的部位，若鍍膜后基底-薄膜界面的場強(qiáng)相對于鍍膜前基底-空氣界面的場強(qiáng)有所減小，在薄膜抗激光損傷能力高于基底的前提下，整個元件的LIDT可能高于裸基底。用TFC膜系設(shè)計(jì)軟件模擬鍍膜前后的場強(qiáng)分布(圖5)，發(fā)現(xiàn)鍍膜后場強(qiáng)不僅未降低，反而略有升高(相對強(qiáng)度從0.653增加到0.677，這歸因于減反膜使更多的激光電磁波通過基底)，由此排除場強(qiáng)分布變化提高損傷閾值的可能。

圖5 355 nm激光電場在裸基底和鍍膜元件中的分布

分析認(rèn)為，鍍膜元件的LIDT高于裸基底可能與基底界面的清潔度有關(guān)。對潔凈的裸基底而言，其表面能很高，在損傷閾值測試前或測試中難免會吸附一些大氣中的污染物(吸附量取決于暴露在空氣中的時間及環(huán)境的清潔度)，從而造成自身損傷閾值的下降。對于已鍍膜的樣品，由于溶膠-凝膠法提拉鍍膜是液態(tài)成膜的過程，基底在溶膠中有一段浸泡時間，而SiO2溶膠呈堿性(pH值約為8.0)，會對玻璃基底產(chǎn)生輕微腐蝕，所以，基底表面在清洗后重新吸附的附著力不強(qiáng)的污染物有可能游離到溶膠中，從而脫離抗激光損傷能力薄弱的基底界面。因此，在薄膜損傷閾值夠高的情況下，鍍膜后樣品的LIDT有可能較裸基底的高。

3 結(jié)論

本文結(jié)合基底優(yōu)化與薄膜優(yōu)化，制備了分別用于1 064 nm和355 nm波長激光輻射的透射元件。通過改性得到的溶膠-凝膠SiO2減反膜的LIDT明顯高于改性前的薄膜和不經(jīng)處理的基底的，而基底在加工后抗損傷能力也得到了明顯提升。實(shí)驗(yàn)證明，將化學(xué)腐蝕與超級拋光結(jié)合是提高基底及整個元件LIDT的有效手段。目前只將超級拋光應(yīng)用在紫外光學(xué)元件的加工上，若未來對紅外光學(xué)元件的LIDT提出更高的要求，也可考慮使用超級拋光技術(shù)。

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