真空環(huán)境下低損耗高反射光學(xué)元件性能退化特性

許 彬，李斌成*，高椿明，王 強(qiáng)，郭小紅，孫啟明

(1.電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610054；2.中國科學(xué)院 光電技術(shù)研究所，成都 610209)

引 言

為了保證激光系統(tǒng)輸出光束質(zhì)量以及安全運(yùn)行，光學(xué)元件表面通常會(huì)鍍上各種光學(xué)薄膜。特別在高能/高功率激光系統(tǒng)中，超低吸收損耗強(qiáng)光膜更是被廣泛應(yīng)用。作為高能/高功率激光系統(tǒng)光路中最薄弱的部分，超低吸收強(qiáng)光膜的光學(xué)性能很大程度上限制了激光系統(tǒng)性能和運(yùn)行壽命。光學(xué)元件表面污染導(dǎo)致性能下降甚至出現(xiàn)激光損傷[1]的問題是近幾十年來國內(nèi)外高能/高功率激光科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該領(lǐng)域具有代表性的激光系統(tǒng)有：美國國家點(diǎn)火裝置、羅切斯特大學(xué)OMEGA系統(tǒng)、加州理工大學(xué)激光干涉引力波探測(cè)系統(tǒng)、法國兆焦耳激光裝置和中國神光Ⅲ系統(tǒng)等。根據(jù)上述系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況，有關(guān)團(tuán)隊(duì)從不同角度研究和報(bào)道了光學(xué)元件表面污染引起的性能下降問題[2-10]。結(jié)合上述團(tuán)隊(duì)的有關(guān)報(bào)道和其他學(xué)者的研究[1,11-12]，可知在高能短脈沖激光系統(tǒng)中和在高功率連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)激光系統(tǒng)中,光學(xué)元件表面污染導(dǎo)致的激光損傷問題的表象和機(jī)理有著本質(zhì)不同：前者由于激光與光學(xué)元件缺陷及表面污染物的相互作用時(shí)間極短(納秒量級(jí))，因此是電磁場(chǎng)效應(yīng)起主導(dǎo)[13-14]，主要損傷機(jī)理為缺陷損傷；而后者由于相互作用時(shí)間相對(duì)較長、瞬時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度一般比脈沖激光低3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此光學(xué)元件表面污染導(dǎo)致性能下降甚至激光損傷的問題與表面污染物光吸收帶來的熱效應(yīng)有著緊密的聯(lián)系[15]。

值得注意的是,國內(nèi)外對(duì)于高能短脈沖激光系統(tǒng)中光學(xué)元件污染導(dǎo)致的損傷閾值問題有大量文獻(xiàn)報(bào)道[2-10]，但關(guān)于高功率連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)激光系統(tǒng)中污染元件光學(xué)性能影響的研究仍然匱乏。由于連續(xù)激光系統(tǒng)中光學(xué)元件表面污染引起的損傷閾值下降,本質(zhì)上是由元件表面污染物光吸收引起，本文中著重研究污染對(duì)應(yīng)用于連續(xù)激光系統(tǒng)的薄膜光學(xué)元件表面吸收損耗的影響，同時(shí)關(guān)注其反射率的變化。

鑒于污染源太廣、污染機(jī)理太復(fù)雜以至于建立普適模型難度高的背景，針對(duì)特定污染物、特定環(huán)境展開研究是普遍的做法。由于高能/高功率激光系統(tǒng)會(huì)部分或全部置于高真空環(huán)境中，研究真空環(huán)境下光學(xué)元件表面污染導(dǎo)致的性能穩(wěn)定性問題在工程上具有實(shí)際意義。因此，作者借鑒相關(guān)團(tuán)隊(duì)的研究方式[15-16],采用真空度可控的真空室進(jìn)行真空環(huán)境污染實(shí)驗(yàn)，以此來模擬光學(xué)元件在真空環(huán)境中受到污染的長期演變過程。為了更加貼近真實(shí)真空環(huán)境中光學(xué)元件的使用狀態(tài)，真空室內(nèi)不人為加入污染物。

盡管關(guān)于真空污染對(duì)熔石英基底[4-5]、增透膜[17]、金屬膜[18]的研究較多，但關(guān)于應(yīng)用于真空環(huán)境污染對(duì)1064nm激光高反膜光學(xué)性能影響的研究仍然匱乏。本文中采用離子輔助沉積法(ion assisted deposition,IAD)鍍制的1064nm激光反射膜樣品，進(jìn)行了長時(shí)間的真空環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，并著重關(guān)注樣品吸收損耗和反射率的變化，分析了污染物吸收對(duì)樣品光學(xué)性能變化的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

強(qiáng)光反射膜樣品采用離子輔助沉積制備，高折射率材料采用HfO2，低折射率材料為SiO2，優(yōu)化鍍膜工藝參量盡可能降低其吸收損耗。吸收率是表征光學(xué)元件吸收損耗的重要參量，其定義為光學(xué)元件吸收的光功率與入射總光功率之比，高能/高功率激光系統(tǒng)中光學(xué)薄膜吸收率一般在10-5～10-6量級(jí)，為表述方便,本文中以10-6作為吸收率單位表征吸收損耗。制備完成后其1064nm初始吸收損耗為4.6×10-6，在氮?dú)夤裰虚L時(shí)間放置后,吸收損耗穩(wěn)定在6.8×10-6。

用于真空環(huán)境污染實(shí)驗(yàn)的真空裝置如圖1所示。主要由圓柱形不銹鋼真空室、質(zhì)譜儀、分子泵、前級(jí)泵組成。其中不銹鋼真空室用于放置樣品；分子泵由美國安捷倫公司生產(chǎn)，其采用不易揮發(fā)的高真空潤滑脂潤滑；質(zhì)譜儀用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)真空室中各物質(zhì)及其分壓隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。真空室真空度優(yōu)于1×10-5Pa，樣品放置時(shí)間間隔從2h,5h,24h逐步增加到96h，每間隔一段時(shí)間將樣品取出真空室并在超凈光學(xué)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)量其吸收損耗和反射率。樣品吸收損耗采用德國漢諾威激光中心研制的激光量熱吸收損耗測(cè)試儀測(cè)試，測(cè)試波長1064nm，吸收損耗測(cè)試靈敏度1×10-6，其原理如圖2所示。激光量熱法是目前測(cè)量光學(xué)元件吸收損耗的國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11551)[19]?；具^程為：將樣品置于絕熱樣品室內(nèi)，波長為1064nm的激光束照射在樣品上，通過測(cè)量樣品由于激光照射導(dǎo)致的溫度上升和停止照射后的溫度下降數(shù)據(jù)，擬合所測(cè)溫度變化曲線，最終計(jì)算得到樣品吸收率。整個(gè)測(cè)量和擬合計(jì)算過程由計(jì)算機(jī)控制完成。樣品反射率采用基于光腔衰蕩(cavity ringdown,CRD)技術(shù)的高反射率測(cè)量裝置測(cè)量[20]，光腔衰蕩法可精確測(cè)量高性能元件的高反射率(反射率大于99.9%)，最高重復(fù)性測(cè)量精度可達(dá)1×10-6，便于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中樣品1064nm反射率的細(xì)微變化。其測(cè)量的基本過程為：分別測(cè)量未插入待測(cè)樣品的初始腔和插入待測(cè)樣品的測(cè)試腔的衰蕩光信號(hào)并按單指數(shù)擬合得到初始腔和測(cè)試腔的衰蕩時(shí)間。圖2中,NTC表示負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient)的溫度傳感元件。測(cè)試腔光路如圖3所示。結(jié)合所測(cè)得的初始腔和測(cè)試腔衰蕩時(shí)間可計(jì)算得到待測(cè)樣品的反射率。在樣品完成真空環(huán)境實(shí)驗(yàn)后，用ZETA光學(xué)顯微鏡觀察樣品表面形貌，然后用無水酒精和乙醚混合溶劑對(duì)樣品進(jìn)行擦拭清洗。對(duì)擦拭后的樣品再次測(cè)量其吸收損耗和反射率，并再次用光學(xué)顯微鏡觀察其表面。

Fig.1 Vacuum device

Fig.2 Diagram of absorptance measurement based on laser calorimetry

Fig.3 Diagram of reflectance measurement based on CRD

2 結(jié)果及分析

圖4a中給出了樣品在真空環(huán)境下1064nm反射率隨放置時(shí)間的變化曲線。隨著放置時(shí)間的延長，樣品反射率從99.9823%±0.0009%下降到99.9543%±0.0007%，總體顯現(xiàn)出指數(shù)下降的趨勢(shì)。需要特別說明的是，由于本實(shí)驗(yàn)樣品反射率測(cè)量為單點(diǎn)測(cè)量，無法準(zhǔn)確標(biāo)記測(cè)量點(diǎn)位置，每次測(cè)量都盡量確保激光光斑照射在樣品中心位置處，但實(shí)際上每次測(cè)量時(shí)樣品位置存在一定偏差,所以每次反射率測(cè)量點(diǎn)位置無法保持完全一致，這可以解釋圖中第2個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)到第3個(gè)點(diǎn)的反射率“回升”的現(xiàn)象。

Fig.4 Dependences of optical properties of the HR sample on storage time in vacuum

同樣，圖4b中給出了樣品吸收損耗隨真空室放置時(shí)間的變化趨勢(shì)。由于前期真空環(huán)境放置時(shí)間間隔較短，所以吸收損耗變化不明顯，但是總體呈上升趨勢(shì)。而且隨著真空室放置時(shí)間的增加，樣品吸收損耗上升更顯著。經(jīng)過335h的真空環(huán)境放置樣品1064nm處吸收損耗從6.8×10-6上升到了59.5×10-6。同樣地，激光量熱法在實(shí)際操作過程中也是單點(diǎn)測(cè)量，所以實(shí)驗(yàn)初期也出現(xiàn)了樣品吸收損耗“下降”的現(xiàn)象(與激光量熱測(cè)量裝置的吸收損耗測(cè)量不確定度也有一定關(guān)聯(lián)，其不確定度約為1×10-6)。

長時(shí)間真空環(huán)境實(shí)驗(yàn)后,通過光學(xué)顯微鏡可以明顯地觀察到樣品表面的污染物，可見的主要為顆粒微塵，如圖5a所示。直徑為幾微米到十幾微米不等，以及可能的不可見的有機(jī)污染物薄層。用酒精和乙醚混合溶液擦拭后再用顯微鏡進(jìn)行觀察，樣品表面顆粒污染物消失，如圖5b所示。隨后再次對(duì)樣品1064nm處的吸收損耗和反射率進(jìn)行測(cè)量，吸收損耗回升到6.0×10-6，所測(cè)樣品溫度擬合曲線計(jì)算結(jié)果如圖6所示。反射率也回升到99.9798%±0.0005%，測(cè)試腔的光腔衰蕩信號(hào)擬合曲線如圖7所示。縱坐標(biāo)表示所測(cè)信號(hào)的振幅，橫坐標(biāo)為時(shí)間。圖7b為圖7a的局部放大圖。說明對(duì)樣品的擦拭清洗基本消除了微粒、有機(jī)分子污染層等形式的污染物對(duì)樣品光學(xué)性能的不利影響。

Fig.5 Surface topography of the HR samplea—after contaminating b—after wiping

Fig.6 Laser calorimetric absorptance measurement

Fig.7 CRD reflectance measurement result

僅擦拭樣品就使得其光學(xué)性能完全恢復(fù)，說明樣品光學(xué)性能退化沒有涉及到膜層結(jié)構(gòu)和光學(xué)常數(shù)的變化，而主要是由吸附到表面膜層的污染物造成的。根據(jù)光學(xué)元件表面污染層厚度與其光學(xué)性能變化的關(guān)系[21],可以推測(cè)，隨著真空環(huán)境放置時(shí)間的延長，吸附在樣品表面的污染層厚度增加，這是導(dǎo)致樣品吸收率隨時(shí)間近似成指數(shù)上升和反射率隨時(shí)間近似成指數(shù)下降變化的原因。

下面分析污染物的起源。

真空室由不銹鋼圓柱體和真空泵組構(gòu)成，泵組由前級(jí)機(jī)械泵和無油分子泵組成，分子泵使用的不易揮發(fā)潤滑脂。泵組沒有放置任何有機(jī)材料，密封圈使用的是氟橡膠。根據(jù)質(zhì)譜儀的檢測(cè)結(jié)果顯示，除去水汽、氮、氫、氧等大氣中常見物質(zhì)成分以外，唯一反常的就是出現(xiàn)了四氟化碳這種物質(zhì)。另外根據(jù)質(zhì)譜儀檢測(cè)的真空室內(nèi)各物質(zhì)含量趨勢(shì)圖可以發(fā)現(xiàn)：水汽、氮、氫、氧等物質(zhì)的含量先是急劇下降，然后維持在很低的水平；而四氟化碳的含量一直都比較平穩(wěn)，這也更加說明真空室內(nèi)存在著持續(xù)釋氣的物質(zhì)。由于前面提到真空室密封圈使用的是氟橡膠，所以可以推斷氟橡膠密封圈在高真空環(huán)境下的放氣是產(chǎn)生四氟化碳的原因。隨著樣品真空放置時(shí)間的延長，污染層的厚度增加，最終導(dǎo)致樣品吸收損耗的上升和反射率的下降。另外，由于樣品還經(jīng)歷了頻繁的反射率和吸收率的測(cè)量，所以膜系表面受到的污染是真空環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境共同造成的，這也解釋了為什么樣品表面分布著大小不等的微米級(jí)微粒。多種因素造成的薄膜表面混合污染的情況更符合實(shí)際情況，但也比單一污染物的情況更復(fù)雜，因?yàn)槲⒘Ｒ鸬纳⑸浜蜏y(cè)量系統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量的局限性未被考慮。微米級(jí)顆粒由于密度較低，在反射率和吸收損耗測(cè)量過程中通過微調(diào)樣品位置避免，所以對(duì)測(cè)量結(jié)果不產(chǎn)生明顯影響，但更小尺度(光學(xué)顯微鏡觀察不到)的顆粒污染物密度高，測(cè)量時(shí)不可避免。綜合考慮，強(qiáng)光反射元件反射率和吸收損耗的變化是有機(jī)污染物和小尺度顆粒污染物共同影響的結(jié)果。

3 結(jié) 論

研究了真空環(huán)境中有機(jī)污染對(duì)強(qiáng)光反射膜元件光學(xué)性能(反射率和吸收損耗)的影響；分析了強(qiáng)光反射膜的光學(xué)性能隨真空放置時(shí)間演變的主要原因；使用酒精和乙醚混合溶液擦拭受污染的樣品可使其光學(xué)性能完全恢復(fù)，說明污染物沒有影響到反射膜膜層結(jié)構(gòu)和光學(xué)常數(shù)。當(dāng)然，由于樣品經(jīng)過頻繁的反射率和吸收損耗的測(cè)量，不能排除樣品受到大氣環(huán)境和人為因素的影響，并且真空環(huán)境對(duì)薄膜光學(xué)性能的影響需要大量的數(shù)據(jù)，才能更加客觀地分析光學(xué)膜表面污染物沉積過程以及光學(xué)性能隨時(shí)間的演變規(guī)律，這些都有待進(jìn)一步研究。