多層介質(zhì)濾光片的制備及激光損傷特性

杭良毅,徐均琪,宋巖峰,蘇俊宏,基瑪·格拉索夫

(1.西安工業(yè)大學 陜西省薄膜技術與光學檢測重點實驗室，西安 710021；2：西安現(xiàn)代控制技術研究所，西安 710065；3.白俄羅斯國立信息與無線電電子大學，明斯克 220013)

多層介質(zhì)濾光片的制備及激光損傷特性

杭良毅1,徐均琪1,宋巖峰2,蘇俊宏1,基瑪·格拉索夫3

(1.西安工業(yè)大學 陜西省薄膜技術與光學檢測重點實驗室，西安 710021；2：西安現(xiàn)代控制技術研究所，西安 710065；3.白俄羅斯國立信息與無線電電子大學，明斯克 220013)

為了獲得具有較高激光損傷閾值的短波通截止濾光片，使用TFCalc膜系軟件設計了多層膜的光譜曲線和電場強度曲線，采用電子束熱蒸發(fā)技術在K9基底上制備了LaTiO3/SiO2組合膜堆的濾光片，通過激光輻照預處理工藝嘗試提高多層膜的激光損傷閾值(LIDT)，測試并討論了激光預處理對濾光片LIDT的影響.研究結果表明：通過分析濾光片的電場強度，得到優(yōu)化后的膜系是G|(HL)10H0.5L|A，制備后濾光片的LIDT為11.7 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)；當輻照激光能量為濾光片LIDT的80%時，輻照后濾光片的LIDT為14.3 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)，較原值提高22.2%；當輻照能量為80%，采用不同輻照次數(shù)實驗時，發(fā)現(xiàn)輻照3次后濾光片的LIDT為16.1 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)，較原值提高了37.6%.激光預處理后濾光片的表面粗糙度都有下降的趨勢.

短波通濾光片；LaTiO3/SiO2；激光損傷閾值；激光預處理

短波通濾光片可以實現(xiàn)一部分光透過，一部分光截止的光學特性，被廣泛應用于各式各樣的光學系統(tǒng)中.存在于激光系統(tǒng)中的多層介質(zhì)濾光片，由于其較差的抗激光損傷能力，已成為限制高能激光發(fā)展的瓶頸[1-2].隨著高功率激光器地不斷研發(fā)，對光學薄膜激光損傷閾值(Laser-Induced Damage Threshold,LIDT)的研究亦成為近年來材料、物理及光學領域的研究熱點之一[3].

文獻[4]以TiO2/SiO2材料作為高低折射率膜料制備多層膜，得到了光學特性較高的短波通濾光片，但是并未分析這種多層膜的激光損傷特性；文獻[5]研究了高折射率鍍膜材料鈦酸鑭(LaTiO3)，發(fā)現(xiàn)其單層膜的光學特性良好，激光損傷閾值較高，可以替代TiO2膜料制備激光薄膜，但并未研究由鈦酸鑭材料組成的多層膜的激光損傷閾值；文獻[6]研究了不同場強分布的減反射膜在1 064 nm激光下的損傷特性，發(fā)現(xiàn)當薄膜-空氣界面處的電場強度較小時，薄膜具有較高的激光損傷閾值.文獻[7]用單臺階能量光柵掃描及R-on-1測試兩種方式對532 nm的HfO2/SiO2高反膜進行激光預處理，用ND：YAG二倍頻激光輻照高反膜，其損傷閾值分別提高38%和30%.文獻[8]通過在HfO2/SiO2組合膜堆的增透膜兩側(cè)加鍍適當厚度的二氧化硅膜層，可有效提高多層膜的激光損傷閾值.從薄膜損傷機理來看，多層介質(zhì)薄膜的損傷機理主要有本征吸收，雜質(zhì)缺陷吸收，雪崩擊穿，多光子電離等[9].為了提高多層介質(zhì)薄膜的激光損傷閾值，除了在制備時減小薄膜的表面缺陷,選用激光損傷閾值較高的膜料以外，還要關注激光在薄膜內(nèi)部形成的駐波場大小，在設計時盡量使薄膜內(nèi)部的電場強度值較小或?qū)㈦妶鰪姸容^高的部分落在激光損傷閾值高的材料層[10].另外，對制備好的樣品進行適當?shù)募す忸A處理，也可有效提高多層介質(zhì)膜的激光損傷閾值.目前，選用LaTiO3材料作為高折射率材料制備多層膜，研究其激光損傷閾值的報道還很少.

本文為獲得激光損傷閾值較高的濾光片，在結合薄膜場效應理論的基礎上，選用抗激光損傷性能較好的高折射率材料LaTiO3，首先研究每種材料單層膜的激光損傷閾值，得到單層膜制備工藝，然后在此工藝下結合設計軟件得到激光損傷閾值較高的濾光片，最后對濾光片進行一定的后續(xù)處理進一步提高激光損傷閾值.

1 短波通濾光片的設計和制備

在設計短波通濾光片時，除了光譜特性要達到要求之外，還要設計出LIDT盡可能高的濾光片，這就需要在設計之前選用較高閾值的材料，在設計時考慮膜系的電場強度(Electric Field Intensity，EFI)分布，在制備后選用合適的激光預處理方法.

1.1 濾光片的膜系設計

1.1.1 單層膜材料的確定

根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，鈦酸鑭(LaTiO3)薄膜的物理化學性能穩(wěn)定，制備中材料不易分解，易蒸鍍，且不同工藝對單層膜的光學特性影響不大，折射率和消光系數(shù)比較穩(wěn)定.前期實驗獲得了鈦酸鑭和氧化硅的工藝參數(shù)[10-11]，在此參數(shù)下制備的單層LaTiO3的LIDT為16.9 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)，SiO2的LIDT為24.1 J·cm-2(1 064 nm，10 ns).因此選擇LaTiO3作為高折射率材料，低折射率材料選用SiO2.兩種材料的工藝參數(shù)見表1.

表1 每組材料的制備工藝

1.1.2 初始膜系設計

短波通濾光片經(jīng)典膜系為G|(0.5LH0.5L)S|A，使用TFCalc膜系設計軟件，嘗試增加膜系周期數(shù)S，從而實現(xiàn)光譜特性指標.設計時要結合制備工藝來合理設計短波通濾光片，制備濾光片采用電子束熱蒸發(fā)技術，膜厚監(jiān)控采用光控極值法(透射式)，膜厚監(jiān)控在極值點附近最為準確，膜層數(shù)越多薄膜膜厚累積誤差越大.為減小多層膜累計誤差，在設計多層膜初始膜系時，濾光片膜系應盡量為規(guī)整膜系，膜層數(shù)要盡可能少.

濾光片的中心波長(λ0)為1 064 nm，當周期數(shù)S=8時，即G|0.5L(HL)7H0.5L|A，得到滿足光譜特性的膜系，在不影響膜層透過率情況下，去掉第一層0.5 L，即G|(HL)7H0.5L|A時，532 nm處的透過率T532 nm=99.02%，1 064 nm處的透過率T1 064 nm=3.96%，為獲得較高激光損傷閾值的濾光片，需對初始膜系的電場強度進行優(yōu)化設計.

1.1.3 多層膜的電場強度設計

制備多層膜時不可避免會出現(xiàn)誤差，在層數(shù)較多時采用光控法還會產(chǎn)生膜厚累計誤差.為減小制備時誤差帶來的影響，并分析其電場強度值，嘗試適當?shù)脑黾又芷跀?shù)，觀察多層膜電場強度的分布情況，以獲得優(yōu)化后的膜系.

根據(jù)薄膜場效應理論[6]——薄膜與空氣界面處電場強度越小，其抗激光損傷能力越高.使用膜系設計軟件，分別設計周期數(shù)S=9，10，11和12，薄膜的透過率和電場強度值見表2，充分考慮樣片的透過率、電場強度值及實驗室制備條件，認為當S=11時，制備的多層膜效果較好.表2中E表示多層膜最外層和空氣界面處電場強度值，Emax表示多層膜內(nèi)各界面處的電場強度最大值.

表2 不同濾光片的透過率與歸一化電場強度值

此時，多層膜膜系為G|(HL)10H0.5L|A，透過率和電場強度分布如圖1所示，圖1(a)表示入射光波(波長λ=1 064 nm)在薄膜最外層兩側(cè)形成的駐波場曲線，橫坐標0左邊為空氣處形成的駐波場，右邊從0開始表示從薄膜最外層一直到基底這一區(qū)間形成的駐波場；圖1(b)表示膜系的理論光譜曲線.

為了進一步優(yōu)化膜系的電場強度曲線，使膜層各界面處的電場強度分布較小，嘗試了兩種最常見的優(yōu)化多層膜電場強度的方法：① 在最外層加入2L保護層；② 將第21層的H層用中間折射率材料Al2O3替換.實驗結果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前的膜系G|(HL)10H0.5L|A是電場強度分布較好的膜系.

圖1 濾光片的理論設計曲線

1.2 濾光片的制備

為避免玻璃基底粗糙度對激光損傷閾值的影響，實驗基底全部選用厚度3 mm，?30 mm的同一批次K9玻璃.采用電子束熱蒸發(fā)技術在南光ZZS500-2/G型箱式真空鍍膜機上進行鍍制，鍍膜前用3∶1的乙醇乙醚混合液清潔基片，烘干后裝入真空室.濾光片的膜系為G|(HL)10H0.5L|A，H層為高折射率材料LaTiO3，L層為低折射率材料SiO2，監(jiān)控波長都選擇530 nm，每一層監(jiān)控兩個極值，膜系的中心波長設計為1 064 nm.本底真空度為3.0×10-3Pa，制備參數(shù)見表1.

1.3 制備結果

采用日立U-3501型分光光度計測量多層膜光譜曲線，得到結果如圖2所示.圖2中虛線表示實際測試的光譜曲線，實線表示TFCalc軟件設計的理論曲線.所得到曲線實際透過率T532 nm=94.76%，T1 064 nm=0.81%；對應的理論透過率是T532 nm=95.47%，T1 064 nm=0.72%；由圖2可以發(fā)現(xiàn)，鍍制的薄膜透過率滿足了設計要求且特性較好(出射介質(zhì)為空氣時，由于基片另一面會產(chǎn)生大約4.2%的反射率，因此，實測透射波長T532 nm≥91%即可).

圖2 濾光片的理論透過率曲線和實際透過率曲線圖

采用西安工業(yè)大學研制的激光損傷測試儀對多層膜進行激光損傷測試，測試儀激光波長是1 064 nm，脈寬10 ns，光斑直徑為0.8 mm，采用1-on-1的輻照方式測試，測試系統(tǒng)會對濾光片的實測損傷點數(shù)與對應損傷能量密度用最小二乘法擬合，得到曲線與橫坐標的交點即為樣片的激光損傷閾值.測試得到濾光片的激光損傷閾值是11.7 J·cm-2，如圖3所示，圖3中橫坐標表示薄膜的激光損傷閾值，縱坐標表示不同損傷閾值下對應的損傷斑數(shù)目.

圖3 濾光片的激光損傷閾值實測擬合曲線

為了驗證這一結果，采用不同能量密度的激光(1 064 nm,10 ns)輻照樣片，損傷斑如圖4所示.輻照的激光能量分別為60 mJ、70 mJ、80 mJ、90 mJ、100 mJ和110 mJ，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，損傷斑的形貌均表現(xiàn)為部分脫落.濾光片在60 mJ處薄膜開始損傷，此時損傷斑較小，隨著能量增大，損傷斑面積越來越大，60 mJ對應的激光能量密度是11.9 J·cm-2，符合實驗測試的結果.

圖4 不同激光能量輻照下濾光片的表面損傷形貌

2 激光預處理實驗

研究發(fā)現(xiàn)，對多層膜進行合適的激光預處理可以有效提高多層膜的激光損傷閾值.其原理是：以低于薄膜激光損傷閾值的激光能量輻照介質(zhì)薄膜時，薄膜材料內(nèi)處于潛能級的束縛電子易被激發(fā)到導帶，由于輻照能量不會損傷薄膜，被激發(fā)的電子又會衰減到更穩(wěn)定的能級或與空穴結合，當使用高于激光損傷閾值的激光能量輻照時，可被激發(fā)的電子已經(jīng)大大減少，從而提高薄膜的激光損傷閾值.激光器的主要可變參數(shù)有輻照脈沖次數(shù)和輻照脈沖能量等，本文對濾光片進行激光輻照預處理時，主要考慮了不同輻照次數(shù)和不同輻照能量對濾光片激光損傷閾值的影響.

2.1 輻照能量對多層膜的影響

首先研究了不同輻照能量對LaTiO3/SiO2多層膜激光損傷閾值的影響，濾光片初始的激光損傷閾值是11.7 J·cm-2，樣片表面激光光斑直徑是0.8 mm，即對應的輻照能量為58.8 mJ.使用ND∶YAG基頻單脈沖激光(1 064 nm，10 ns)輻照樣品，輻照能量分別選取其激光損傷閾值的20%(2.4 J·cm-2)，50%(5.9 J·cm-2)和80%(9.4 J·cm-2).輻照后多層膜的實測光譜曲線如圖5所示.

圖5 11.8 mJ、29.4 mJ和47.0 mJ激光能量輻照后濾光片的光譜曲線

從圖5中發(fā)現(xiàn)，隨著輻照激光的能量增大，短波通濾光片的光譜曲線并沒有發(fā)生太大變化，重點觀察532 nm和1 064 nm的光譜偏移，發(fā)現(xiàn)處理后濾光片在1 064 nm處透過率分別是1.42%,1.00%和1.04%，未輻照的是0.81%；在532 nm處，濾光片的透過率是92.37%，92.84%和93.42%，未處理的是94.76%，這說明采用這種激光輻照方式對濾光片的光譜曲線影響不大，接下來進行激光損傷閾值的測試，三組樣片的LIDT值如圖6所示.

從圖6可以看出，濾光片的激光損傷閾值和輻照能量成正比，當激光預處理的能量分別為損傷閾值的20%、50%和80%時，濾光片的激光損傷閾值分別為12.5 J·cm-2，13.6 J·cm-2和14.3 J·cm-2，較未進行預處理的濾光片，其LIDT分別提高了6.8%，16.2%和22.2%.

圖6 11.8 mJ、29.4 mJ和47.0 mJ激光能量輻照后濾光片的激光損傷閾值

為進一步分析濾光片激光損傷閾值和表面粗糙度的關系，使用白光干涉儀分別測試了幾組濾光片的表面粗糙度，如表3所示，其中Sa表示平均粗糙度，Sq表示均方根粗糙度，一般情況下，重點考察多層膜的均方根粗糙度.可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過激光預處理的濾光片，表面粗糙度都得到了一定的改善，隨著輻照能量的增加，三組樣片均方根粗糙度較樣片分別下降了37.44%，40.69%和39.72%.當激光能量為樣片LIDT的50%左右時，激光預處理后的濾光片的表面粗糙度能獲得較好的改善.

表3 不同激光輻照能量對濾光片粗糙度的影響

2.2 輻照次數(shù)對多層膜的影響

當激光預處理的能量為樣片LIDT的80%時，濾光片激光損傷閾值有較好的提高，因此選用這一能量進行不同輻照次數(shù)的實驗，分別輻照濾光片1次、3次和5次.濾光片的光譜曲線如圖7所示.

圖7 輻照1次、3次和5次后濾光片的光譜曲線圖

從圖7中發(fā)現(xiàn)，隨著輻照激光的次數(shù)增多，短波通濾光片的光譜曲線會向左發(fā)生偏移，重點觀察532 nm和1 064 nm的光譜偏移，發(fā)現(xiàn)處理后濾光片在1 064 nm處透過率分別是1.21%，1.32%和1.34%，未輻照的是0.81%；在532 nm處，濾光片的透過率是93.42%,93.36%和93.31%，未處理的是94.76%，這說明采用這種激光輻照方式對濾光片的半波長和中心波長處的透過率值影響不大，接下來進行激光損傷閾值的測試，三組樣片的LIDT值如圖8所示.

圖8 輻照1次、3次和5次后濾光片的激光損傷閾值Fig.8 The LIDT of irradiated filter by 1,3 and 5 times of irradiation

從圖8可以看出，當激光預處理的輻照次數(shù)為3次時，濾光片有極大的激光損傷閾值，隨著次數(shù)增加到5次，濾光片的激光損傷閾值開始下降，因此，可以認為當預處理的能量為樣片LIDT的80%、輻照次數(shù)為3次時，濾光片具有較大的激光損傷閾值，較原值提高了37.6%.

三組樣片的表面粗糙度見表4.三組的表面粗糙度與輻照次數(shù)成反比，當輻照次數(shù)為3次時，濾光片的表面粗糙度較小，此時濾光片的表面平均粗糙度和均方根粗糙度較原始樣片分別降低了49.47%和43.37%.造成這一結果的原因是，選用低于濾光片LIDT的能量輻照薄膜，可以在不損傷濾光片的情況下改變其內(nèi)部的應力場分布，使分布更加均勻；并且輻照后濾光片表面的溫升可以去除一些雜質(zhì)，使薄膜表面更加平整，結構致密，粗糙度減小，從而提高濾光片的損傷閾值.

表4 不同激光輻照次數(shù)對濾光片粗糙度的影響

3 結 論

本文采用電子束熱蒸發(fā)技術，在K9基底上制備得到了LaTiO3/SiO2組合膜堆的短波通濾光片，通過不同的激光預處理手段獲得了LIDT較高的多層膜.得到的結論如下.

1) 在設計膜系時考慮多層膜的電場強度分布，制備的多層膜激光損傷閾值較高，達到了11.7 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)；

2) 對多層膜進行激光預處理，當輻照的激光能量為激光損傷閾值的80%,輻照次數(shù)為3次時，得到的激光損傷閾值為16.1 J·cm-2(1 064 nm，10 ns)，較原值提高了37.6%.

3) 激光預處理也可改善多層膜的表面粗糙度，減少薄膜表面的缺陷，從而提高激光損傷閾值.

綜上，在設計濾光片時除了選用激光損傷閾值較高的材料以外，還需要根據(jù)場效應理論分析濾光片內(nèi)部的電場強度曲線，采用適當?shù)墓に噷V光片進行激光預處理，可獲得激光損傷閾值較高的多層介質(zhì)濾光片.

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(責任編輯、校對 潘秋岑)

Preparation of Multi-Layer Dielectric Filter and Laser Damage Characteristics

HANGLiangyi1,XUJunqi1,SONGYanfeng2,SUJunhong1,GOLOSOVDmitriyA3

(1.Shaanxi Province Thin Film Technology and Optical Test Open Key Laboratory, Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China; 2.Xi’an Modern Control Technology Institute,Xi’an 710065,China; 3.Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics,Minsk 220013,Belarus)

For coating a short-wavelength pass filter with higher laser-induced damage threshold(LIDT),the transmittance and electric field intensity(EFI) plot of filter are designed by a TFCalc software.The filter which made of LaTiO3/SiO2is prepared on K9 substrate by electron beam evaporation.Laser pre-treatment methods to improve filter’s LIDT are studied.The results show:Based on the filter’s EFI,the filter’s film stack is G|(HL)10H0.5L|A.The LIDT is 11.7 J·cm-2(1 064 nm,10 ns).When the filter is irradiated by 80% of original filter’s LIDT,the new filter’s LIDT is 14.3 J·cm-2(1 064 nm,10 ns),22.2% higher than that of an original one.When the filter is irradiated 3 times,the new filter’s LIDT is 16.1 J·cm-2(1 064 nm,10 ns),37.6% higher than that of an original one.And the filter’s surface roughness is decreased after the laser pre-treatment.

short-wavelength pass filter；LaTiO3/SiO2；laser-induced damage threshold； laser pre-treatment

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.12.001

2016-06-16

科技部國際合作資助項目(2013DFR70620)；國家自然科學基金(61378050)；陜西省教育廳科研計劃項目(16JS037)

杭良毅(1991-)，男，西安工業(yè)大學碩士研究生.

徐均琪(1973-)，男，西安工業(yè)大學教授，主要研究方向為光學薄膜技術.E-mail:jqxu2210@163.com.

TN205;O484

A

1673-9965(2016)12-0947-07