大口徑傳輸反射鏡的研究進(jìn)展

易 葵，馬 平，邱 紅，王力軍，魏朝陽(yáng)，趙元安，朱美萍

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800; 2.成都精密光學(xué)工程研究中心，四川 成都 610041;3.成都光明光電有限公司，四川 成都610100;4.北京有色金屬研究總院 稀有金屬冶金材料研究所，北京 100088)

大口徑傳輸反射鏡的研究進(jìn)展

易 葵1*，馬 平2，邱 紅3，王力軍4，魏朝陽(yáng)1，趙元安1，朱美萍1

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800; 2.成都精密光學(xué)工程研究中心，四川 成都 610041;3.成都光明光電有限公司，四川 成都610100;4.北京有色金屬研究總院 稀有金屬冶金材料研究所，北京 100088)

針對(duì)我國(guó)慣性約束聚變裝置(ICF)對(duì)高性能傳輸反射鏡元件的性能要求，探索了大口徑傳輸反射鏡制備涉及的關(guān)鍵技術(shù)與工藝。深入開展了K9玻璃坯片研制、光學(xué)冷加工、傳輸反射鏡鍍膜和激光預(yù)處理等方面的研究工作。提出了400 mm口徑K9反射類坯片精密退火工藝，形成了高精度平面加工技術(shù)路線;制備了低缺陷薄膜，并且建立了大口徑光學(xué)元件預(yù)處理裝置。最后，綜述了大口徑高性能傳輸反射鏡研制方面的主要成果。研制的400 mm口徑傳輸反射鏡在1 053 nm處以45°入射時(shí)，其表面粗糙度優(yōu)于99.8%，面形PV值小于λ/3 (λ=1 053 nm)，損傷閾值大于30 J/cm2(5 ns)?；谔岢龅募夹g(shù)研制的大口徑傳輸反射鏡已成功應(yīng)用于我國(guó)神光系列高功率激光裝置，有力支撐了我國(guó)大型激光裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

傳輸反射鏡；高功率激光器；K9玻璃；光學(xué)冷加工；鍍膜技術(shù)；激光預(yù)處理；綜述

1 引 言

傳輸反射鏡作為大型高功率激光裝置中光束引導(dǎo)與傳輸?shù)闹匾M成器件，對(duì)激光系統(tǒng)的負(fù)荷強(qiáng)度、可靠性和光束質(zhì)量有著非常重要的影響[1]。為了獲得高性能的傳輸反射鏡，研究人員在大口徑基片加工、介質(zhì)膜制備和激光預(yù)處理等方面開展了大量的研究工作。美國(guó)LLNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在國(guó)家點(diǎn)火裝置(National Ignition Facility,NIF)的研制過(guò)程中，聯(lián)合多家工業(yè)合作伙伴，開展了“NIF光學(xué)元件制造發(fā)展計(jì)劃”，研發(fā)了電解液在線修整(ELID)、合成盤拋光、確定性拋光(抑制波紋的小工具數(shù)控拋光、確定性連續(xù)拋光)和化學(xué)刻蝕等先進(jìn)的光學(xué)冷加工技術(shù)[2-4]，將米級(jí)光學(xué)元件的制造能力提升了十倍以上。為提高膜層的損傷閾值，研究人員在介質(zhì)膜駐波場(chǎng)設(shè)計(jì)和保護(hù)膜等方面也開展了一系列工作[5-6]。在薄膜制備方面，結(jié)合有效的膜系設(shè)計(jì)，選用金屬Hf取代HfO2作為鍍膜材料[7-8]從而將多層膜中節(jié)瘤缺陷密度降低了2～3倍，是近年來(lái)最顯著的成果之一。此外，研究表明[8-11]激光預(yù)處理可以有效提高反射膜的損傷閾值。

針對(duì)我國(guó)慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion,ICF)驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)高性能傳輸反射鏡元件的性能要求，研究人員在K9坯片研制、光學(xué)冷加工、傳輸反射鏡鍍膜和激光預(yù)處理等方面進(jìn)行了深入的研究，本文綜述了大口徑高性能傳輸反射鏡研制方面的主要成果。

2 K9玻璃坯片

K9玻璃是一種性能優(yōu)異的光學(xué)材料，作為傳輸反射鏡的基底材料，其穩(wěn)定性和可控性直接影響著傳輸反射鏡的性能。K9坯片研制的主工藝流程線按工藝環(huán)節(jié)分可分為配料、熔煉、成型、退火、加工和檢測(cè)。

近年來(lái)，研究人員針對(duì)400 mm通光口徑傳輸反射鏡K9坯片的制備及檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和探索，基本解決了坯片的熔煉、成型、精密退火等工藝的技術(shù)難題，并完善了相關(guān)測(cè)試方法?；贙9玻璃材料精密退火技術(shù)，通過(guò)不斷優(yōu)化確定了最佳的精密退火工藝參數(shù)，并且通過(guò)對(duì)比多種材料確定了銅板為較好的精密退火工裝。此外，研究人員研制了可改善玻璃體溫度分布的“恒溫均熱腔”，有效控制了玻璃在垂直方向上的溫度梯度，大大改善了玻璃內(nèi)部溫度分布的均勻性和對(duì)稱性，并在一定程度上降低了玻璃的邊角應(yīng)力。通過(guò)優(yōu)化成型與精密退火工藝，減小了K9玻璃坯片的應(yīng)力雙折射，提高了光學(xué)均勻性，改善了可加工性能，降低了條紋度和氣泡度(含包裹體)。同時(shí)還分析了不同支撐方式對(duì)應(yīng)力的影響，確定了合理的支撐工裝，并研究了上下翻轉(zhuǎn)拼接測(cè)試方法，提高了測(cè)試的效率和準(zhǔn)確性。最終實(shí)現(xiàn)了400 mm口徑K9反射類坯片的應(yīng)力雙折射≤5 nm/cm，導(dǎo)致不小于30 nm光程差的條紋密度≤1%，氣泡直徑≤0.44 mm。

目前，400 mm口徑K9反射類坯片的研制工藝路線已經(jīng)固化，坯片批量生產(chǎn)線的全流程工藝也已定型。

3 光學(xué)冷加工

在光學(xué)冷加工方面，針對(duì)傳輸反射鏡全頻譜的波面質(zhì)量要求，分別開展了主動(dòng)匹配式環(huán)形拋光、小尺度勻滑、超光滑拋光等技術(shù)的研究，確立了“環(huán)拋+低波紋度數(shù)控小工具+表面處理”的技術(shù)路線。采用組合拋光結(jié)合光順束勻滑技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)平面元件的高精度加工，突破了大口徑平面反射類元件在小工具數(shù)控拋光中頻誤差控制方面的技術(shù)瓶頸。采用分步勻滑式數(shù)控拋光技術(shù)，大幅提高了元件拋光過(guò)程中的確定性、均勻性及穩(wěn)定性，有效抑制并在很大程度上消除了小尺度加工波紋，突破了大口徑平面反射類元件在小工具數(shù)控拋光中頻誤差控制方面的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了低頻面形PV、波前梯度GRMS及中頻PSD、高頻RMS指標(biāo)的同步收斂加工。通過(guò)精確標(biāo)定小磨頭及優(yōu)化磁流變拋光去除函數(shù)和路徑規(guī)劃，完成了磁流變拋光的低波紋高精度修形，從而實(shí)現(xiàn)了冷加工面形精度的精確控制。

在環(huán)形拋光階段，在傳輸反射鏡的波前精度控制方面注重全頻段指標(biāo)的控制，在優(yōu)化理論模型的同時(shí)通過(guò)開展大量工藝實(shí)驗(yàn)，對(duì)轉(zhuǎn)速、壓力、修正盤位置、槽形等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在低頻波前PV精度受控的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了PSD1優(yōu)于2 nm、PSD2優(yōu)于0.4 nm的控制要求。圖 1顯示了環(huán)拋改進(jìn)前后的面形結(jié)果，改進(jìn)前環(huán)狀加工紋路明顯，改進(jìn)后無(wú)明顯規(guī)則的加工紋路。

圖1 環(huán)形拋光面形結(jié)果 Fig.1 Surface shapes after free annular polishing

研究人員利用磁流變拋光不產(chǎn)生亞表面缺陷的優(yōu)點(diǎn)，建立了基于磁流變斜面拋光和氫氟酸蝕刻技術(shù)的亞表面缺陷表征方法?；跍?zhǔn)確的亞表面缺陷深度表征技術(shù)，建立了研磨階段亞表面缺陷與粗糙度的變化規(guī)律，研究了拋光粉顆粒度與表面疵病的關(guān)系，如圖 2所示。磁流變拋光殘留對(duì)元件損傷閾值有重要影響，研究人員通過(guò)優(yōu)化酸洗工藝，實(shí)現(xiàn)了傳輸反射鏡的保形酸洗和拋光殘留的有效去除，提高了傳輸反射鏡的損傷閾值。

圖2 拋光粉顆粒度與表面疵病的關(guān)系Fig.2 Relationship between polishing powder particle size and surface defects

結(jié)合主動(dòng)匹配式環(huán)形拋光技術(shù)和光順束勻滑技術(shù)，在保證低頻波前控制精度的基礎(chǔ)上，通過(guò)選用粒度較細(xì)、粒徑分布較均勻的拋光液進(jìn)行精密超光滑拋光(圖 3)，同時(shí)采用磁力懸浮分散技術(shù)來(lái)增強(qiáng)拋光液的懸浮性并減少拋光顆粒的團(tuán)聚，從而有效控制中頻誤差和元件的表面粗糙度，使傳輸反射鏡元件的加工面形PSD2及表面粗糙度RMS優(yōu)于0.4 nm。

圖3 超光滑拋光結(jié)果 Fig.3 Characteristics of surface shape after supper-smooth polishing

4 傳輸反射鏡鍍膜

基于高性能介質(zhì)激光薄膜的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，研究人員采取“基片的嚴(yán)格篩選+無(wú)損基片清洗+高純度金屬Hf材料+電子束蒸發(fā)控制”的技術(shù)路線，通過(guò)工藝集成實(shí)現(xiàn)了低缺陷反射膜的制備。

膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除優(yōu)化膜層厚度達(dá)到所需的光譜性能外，還需優(yōu)化膜系結(jié)構(gòu)的駐波場(chǎng)和溫度場(chǎng)，通過(guò)降低駐波場(chǎng)和溫度場(chǎng)來(lái)提升膜層的抗激光損傷閾值；此外，需匹配設(shè)計(jì)膜層厚度以降低膜層應(yīng)力。結(jié)果表明，外保護(hù)膜能夠有效增強(qiáng)HfO2/SiO2反射膜的損傷閾值。小光斑掃描測(cè)試結(jié)果顯示：未加外保護(hù)膜的基頻反射膜在27.72 J/cm2的能流密度下出現(xiàn)大面積的連續(xù)破壞，而帶有厚度為SiO2外保護(hù)層的基頻反射膜樣品在經(jīng)過(guò)最后一個(gè)能量臺(tái)階(94.36 J/cm2)的測(cè)試后，選取損傷點(diǎn)尺寸較大的10個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)輻照1 000個(gè)脈沖進(jìn)行生長(zhǎng)測(cè)試，損傷點(diǎn)仍沒(méi)有生長(zhǎng)。

對(duì)于高功率激光薄膜而言，鍍膜前基底的表面質(zhì)量是影響薄膜性能的重要因素，基底的表征和清洗工藝對(duì)于高性能激光薄膜元件的制備來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。我們提出了一種基于熱處理技術(shù)的基片表征與處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)基片的篩選。根據(jù)基底表面的污染類型和特征，采用并發(fā)展了“弱堿性溶液浸泡+揉擦、噴淋清洗+超聲波清洗”的基底清洗方法。圖4所示是用于大口徑光學(xué)鍍膜元件的多槽基底清洗裝置，包括了浸泡、揉擦、噴淋和超聲清洗工藝用槽。

圖4 大口徑光學(xué)鍍膜基片的清洗裝置Fig.4 Large-aperture optical coating substrate cleaning device

此外，在鍍膜機(jī)內(nèi)配置離子束清洗裝置，通過(guò)優(yōu)化選擇離子束能量，有效地去除基底表面的二次污染和部分亞表面缺陷，降低基底表面和亞表面缺陷引起的節(jié)瘤缺陷源。清洗可以得到潔凈表面，從而增強(qiáng)了膜層與基底的附著力，進(jìn)而綜合提升了薄膜元件的抗激光損傷性能。

在鍍膜材料的選擇方面，超低損耗的氧化硅幾乎是不可替代的低折射率材料，而高折射率材料則經(jīng)受了從TiO2、Ta2O5向ZrO2、HfO2的變革。目前，氧化鉿和氧化硅是制備1 064 nm高功率激光薄膜最常用的鍍膜材料。近年來(lái)，在提高反射膜激光損傷閾值方面最顯著的成果之一是使用金屬Hf來(lái)代替氧化鉿作為初始鍍膜材料。使用金屬Hf作為鍍膜材料可以降低膜層中的缺陷密度。

在金屬Hf的工藝改進(jìn)方面，最有效的手段是優(yōu)化蒸發(fā)金屬Hf采用的電子束掃描軌跡。通過(guò)優(yōu)化電子束掃描軌跡，將1 053 nm傳輸反射鏡膜層中的節(jié)瘤缺陷密度從2.4/mm2降低到0.6/mm2，反射膜的功能性損傷閾值從22 J/cm2提升到94 J/cm2以上。以金屬Hf作為初始鍍膜材料除了能夠大幅度降低節(jié)瘤缺陷密度之外，還能夠改善傳輸反射鏡多層膜的界面質(zhì)量(圖5)，減少界面處的空穴等缺陷，從而減少平底坑和分層剝落的損傷形貌，進(jìn)而提高傳輸反射鏡的抗激光損傷能力。

圖5 不同初始鍍膜材料沉積的HfO2/SiO2多層膜界面質(zhì)量Fig.5 Interfaces of HfO2/SiO2 multilayer coatings deposited with different initial materials

由于傳輸反射鏡膜層較厚，薄膜元件呈現(xiàn)較大的應(yīng)力，繼而影響元件的波面質(zhì)量。在工藝研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬鍍膜過(guò)程釋放基片預(yù)應(yīng)力，建立了熱循環(huán)工藝流程，穩(wěn)定基片面形；采用多層薄膜應(yīng)力匹配耦合模型，進(jìn)行多層膜應(yīng)力匹配與補(bǔ)償，降低多層膜應(yīng)力；同時(shí)進(jìn)行必要的均勻性修正，以提高膜厚的均勻性，從而達(dá)到改善面形的效果。采用面形補(bǔ)償技術(shù)改善了應(yīng)力水平，進(jìn)而有效改善了反射鏡的面形質(zhì)量。針對(duì)邊緣效應(yīng)嚴(yán)重的現(xiàn)象，采用邊緣效應(yīng)控制工藝優(yōu)化了邊緣效應(yīng)，改善了面形參數(shù)，使傳輸反射鏡的PSD1-RMS(反射)優(yōu)于1.8 nm。

5 傳輸反射鏡的激光預(yù)處理

激光預(yù)處理技術(shù)是指在薄膜沉積后采用激光對(duì)薄膜進(jìn)行后處理，以降低或者一定程度地穩(wěn)定薄膜中的微缺陷，降低薄膜對(duì)激光的敏感性，從而達(dá)到提高薄膜激光損傷閾值的目的。針對(duì)大口徑元件的激光預(yù)處理需求，建立了大口徑光學(xué)元件的激光預(yù)處理平臺(tái)，并基于該激光預(yù)處理平臺(tái)開展了大口徑傳輸反射鏡元件的激光預(yù)處理工藝研究。通過(guò)激光預(yù)處理技術(shù)，提升了傳輸反射鏡的損傷閾值。此外，從基礎(chǔ)的激光與光學(xué)材料元件相互作用的機(jī)制出發(fā)，以功能性損傷評(píng)價(jià)體系為基礎(chǔ)，分析了缺陷誘導(dǎo)的初始損傷以及在后續(xù)激光作用下?lián)p傷的發(fā)展特性，深度剖析了由于存在初始損傷而引入的吸收損耗、散射損耗以及與在裝置中運(yùn)行相關(guān)的光束調(diào)制和功率平衡等問(wèn)題，形成了一套完整的針對(duì)光學(xué)元件激光預(yù)處理能流臺(tái)階優(yōu)化選擇的方案，確立了“小光斑掃描+微區(qū)修復(fù)”的激光預(yù)處理技術(shù)路線。區(qū)域穩(wěn)定的技術(shù)方案可以有效控制損傷的擴(kuò)展。傳輸反射鏡預(yù)處理后的損傷閾值能夠達(dá)到30 J/cm2，功能性損傷閾值提高了1倍。

6 總結(jié)與展望

經(jīng)過(guò)多年的研究積累，我國(guó)在高功率激光用傳輸反射鏡的研制方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，通過(guò)深入的研究和探索突破了大口徑傳輸反射鏡制備的關(guān)鍵技術(shù)與工藝。研制出400 mm通光口徑的傳輸反射鏡，該反射鏡在1 053 nm波長(zhǎng)、45°角入射的情況下，其S分量反射率≥99.8%，面形PV值≤λ/3 (λ=1 053 nm)，膜層損傷閾值≥30 J/cm2(5 ns)。這種大口徑傳輸反射鏡已成功應(yīng)用于我國(guó)神光系列高功率激光裝置，有力支撐我國(guó)大型激光裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] CAMPBELL J H, HAWLEY-FEDDER R A, STOLZ C J,etal.. NIF optical materials and fabrication technologies: an overview[C].LasersandApplicationsinScienceandEngineering.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics, 2004: 84-101.

[2] MENAPACE J A, DAVIS P J, STEELE W A,etal.. MRF applications: on the road to making large-aperture ultraviolet laser resistant continuous phase plates for high-power lasers[C].BoulderDamageSymposiumXXXVIII:AnnualSymposiumonOpticalMaterialsforHighPowerLasers.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics, 2006: 64030N-64030N-12.

[3] OHMORI H. Electrolytic in-process dressing (ELID) grinding technique for ultra precision mirror surface machining[J].InternationalJournaloftheJapanSocietyforPrecisionEngineering, 1993,59(9):1451-1457.

[4] WONG L, SURATWALA T, FEIT M D,etal.. The effect of HF/NH 4 F etching on the morphology of surface fractures on fused silica[J].JournalofNon-CrystallineSolids, 2009, 355(13): 797-810.

[5] DEFORD J F, KOZLOWSKI M R. Modeling of electric-field enhancement at nodular defects in dielectric mirror coatings[C].OpticalMaterialsforHighPowerLasers,InternationalSocietyforOpticsandPhotonics, 1993: 455-472.

[6] GENIN F Y, STOLZ C J, REITTER T A,etal.. Effect of electric field distribution on the morphologies of laser-induced damage in hafnia-silica multilayer polarizers[C].Laser-InducedDamageinOpticalMaterials,InternationalSocietyforOpticsandPhotonics, 1997: 342-352.

[7] BEVIS R P, SHEEHAN L M, SMITH D J,etal.. The advantages of evaporation of Hafnium in a reactive environment to manufacture high damage threshold multilayer coatings by electron-beam deposition[J].SPIE,1999,3738:318-324.

[8] STOLZ C J, WEINZAPFEL C L, RIGATTI A L,etal.. Fabrication of meter-scale laser resistant mirrors for the National Ignition Facility: a fusion laser[J].SPIE, 2003,5193:50-58.

[9] STOLZ C J, GéNIN F Y.LaserResistantCoatings,OpticalInterferenceCoatings[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2003: 309-333.

[10] BERCEGOL H. What is laser conditioning? A review focused on dielectric multilayers[J].SPIE. 1999, 3578: 421-426.

[11] WOLFE C R, KOZLOWSKI M R, CAMPBELL J H,etal.. Laser conditioning of optical thin films[J].SPIE,1989:1438:360-375.

[12] FAN Z, ZHAO Q, WU Z. Temperature field design of optical thin film coatings[C].Laser-InducedDamageinOpticalMaterials,InternationalSocietyforOpticsandPhotonics, 1997: 362-370.

Progress on large aperture transport mirrors

YI Kui1*, MA Ping2, QIU Hong3, WANG Li-jun4, WEI Chao-yang1, ZHAO Yuan-an1, ZHU Mei-ping1

(1.ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China;2.ChengduFineOpticalEngineeringResearchCenter,Chengdu610000,China;3.CDGMGlassLimitedLiabilityCompany,Chengdu610000,China;4.RareMetalsMetallurgy&MaterialsResearchInstitute,GeneralResearchInstituteforNonferrousMetals,Beijing100088,China) *Correspondingauthor,E-mail:kyi@siom.ac.cn

For the requirements of Inertial Confinement Fusion(ICF) facility for large aperture transport mirrors with higher performance, key technologies and special processing involved in mirror machining are explored. Some kinds of machining technologies, including the manufacturing of K9 glass blanks, optics cold processing, coating for transport mirrors and laser conditioning are investigated. The precision annealing process of 400 mm aperture K9 glass blank is proposed to implement the high precision optical finishing. Moreover, Low-defect coating is achieved. A preprocessing device for the larger aperture optical element is established and a laser conditioning platform for large aperture transport mirror is also realized. Finally, the paper reviews main achievements of development of large aperture transport mirrors. A 400 mm aperture transport mirror with an incidence angle of 45° shows its surface roughness to be higher than 99.8%, surface figure(PV value) lower than λ/3, and the laser-induced damage threshold higher than 30 J/cm2(5 ns) at 1 053 nm. The large aperture transport mirrors have been successfully used in the higher power laser equipment of SG ICF facility, which supports the stable operation of the facility.

transport mirror; high-power laser; K9 glass; optical cold processing; coating technology; laser conditioning

2016-10-26；

2016-11-08.

國(guó)家科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目

1004-924X(2016)12-2902-06

TN305.2；TH703

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2902

易 葵(1970-)，男，正高級(jí)工程師，現(xiàn)任中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)薄膜專業(yè)委員會(huì)副主任委員、上海市激光學(xué)會(huì)薄膜專業(yè)委員會(huì)主任委員，主要從事光學(xué)薄膜的研究，包括高功率激光薄膜、軟X射線激光薄膜、薄膜測(cè)試技術(shù)和薄膜生長(zhǎng)監(jiān)控控制技術(shù)等。E-mail：kyi@siom.ac.cn