MgF2/Lumogen復合薄膜抗輻照損傷效應研究

文章編號：1005-5630（2024）05-0088-07 DOI：10.3969/j.issn.1005-5630.202311090123

摘要：為研究MgF2/Lumogen復合薄膜應用于真空紫外探測的高能輻照損傷特性，以300 W高能1 064 nm連續(xù)激光進行輻照。通過改變激光功率和掃描速率，調(diào)控膜層受激光輻照的能量和時間，并測試輻照前后薄膜光致發(fā)光強度、熒光衰減、透過率等光信號性能。結(jié)果表明，在能量密度0.58～2.94 W/mm2、掃描速率50～10 mm/min激光輻照后，深紫外160 nm激發(fā)的熒光響應強度衰減了1%～61%，近紫外273 nm激發(fā)的熒光響應強度衰減了1%～21%，可見光500～700 nm透過率衰減了2%～3%。對比單層Lumogen薄膜的輻照損傷結(jié)果以及復合薄膜的熱傳導分析，MgF2薄膜對Lumogen具有減反增透作用的同時還具有一定的抗輻照損傷能力。

關(guān)鍵詞：熒光薄膜；紫外增強；激光輻照；損傷效應

中圖分類號：O 433.2；TN 247文獻標志碼：A

Study on anti-radiation damage effect of MgF2/Lumogen composite films

JIANG Ruicheng1，2，LYU Yanlei1，2，LIU Shijie3，TAO Chunxian1，2

（1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai forScience and Technology，Shanghai 200093，China;

2.Engineering Research center of Optical Instruments and Systems，Ministry of Education，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;

3.Heng Mai Optical Precision Machinery（Hangzhou）Co.Ltd.，Hangzhou 311421，China））

Abstract：In order to investigate the characteristics of high-energy radiation damage in MgF2/Lumogen composite films used for vacuum ultraviolet detection，a 300 W high-energy continuous laser with a wavelength of 1 064 nm was employed for irradiation.By adjusting the laser power and scanning rate，the energy and duration of laser irradiation on the film were controlled，and measurements were conducted on photoluminescence intensity，fluorescence decay，and transmittance before and after irradiation.The results demonstrate that under laser irradiation with an energy density ranging from 0.58 to 2.94 W/mm2 at a scanning rate between 50 to 10 mm/min，the fluorescence response intensity upon deep ultraviolet excitation at 160 nm decreases byapproximately 1%to 61%，while that upon near-ultraviolet excitation at 273 nm decreases by around 1%to 21%.Moreover，there is a decrease invisible light transmittance within the range of wavelengths from 500 to700 nm by about 2%to 3%.Based on the comparison of the radiation damage observed in single-layer Lumogen films as well as heat conduction analysis performed on composite films，it can be concluded that MgF2 film not only possesses anti-radiation damage capability but also exhibits an anti-reflection effect on Lumogen.

Keywords：fluorescent film;ultraviolet enhancement;laser irradiation;damage effect

引言

CMOS和CCD等硅基探測器，在工作波段和響應靈敏度等方面性能獲得極大發(fā)展[1]，在可見光范圍內(nèi)，量子產(chǎn)率接近100%并能有效控制噪聲或暗電流[2]。在紫外及真空紫外區(qū)域（UV/VUV），紫外光子在硅層的穿透深度較淺難以到達CCD溝道，導致在紫外波段的靈敏度較低[3]。在紫外探測器表面的紫外敏化下轉(zhuǎn)換膜層，可將UV光轉(zhuǎn)換成可見光，從而提高常規(guī)工藝制造的硅基探測器在UV/VUV區(qū)域的響應能力，簡單高效且成本較低[4-7]。Lumogen（C22H16N2O6）薄膜通過物理氣相沉積法（PVD）制備后不易升華且量子效率穩(wěn)定，其發(fā)射光譜與探測器的響應光譜基本匹配[8-10]，同時具有較寬的熒光光譜范圍（400～1 000 nm）[11]。隨著航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對更短波長的真空紫外探測也變得愈發(fā)重要。

但在較長積分時間探測高能輻射的應用場景下，該類探測器存在真空紫外輻照下探測靈敏度降低乃至失效、使用壽命縮短的問題[12]。氟化鎂（MgF2）薄膜在紫外、可見以及紅外光范圍都具有很寬的透射窗口，是一種優(yōu)秀的紫外增透薄膜材料，同時具有很低的光學折射率，易于成膜，機械強度大，穩(wěn)定性好等性能[13]，因此適合與紫外響應熒光薄膜一起制備復合膜系結(jié)構(gòu)。前期研究發(fā)現(xiàn)，在Lumogen薄膜上加鍍MgF2介質(zhì)保護層，能有效改善實驗室環(huán)境下膜層質(zhì)量及光子利用率[14]。在復合薄膜對紫外探測具有良好光學響應的基礎(chǔ)上，本文研究高能真空紫外探測環(huán)境下，長時間高能輻照對復合薄膜的損傷效應。實驗采用1 064 nm高能連續(xù)激光作為高能輻照源，基于熒光光譜儀、紫外?可見分光光度計對輻照失效相關(guān)性能參數(shù)進行測量。

1實驗部分

1.1薄膜制備

制備MgF2/Lumogen復合薄膜的材料選用K9硅基片、Lumogen?YellowS0790、低氧氟化鎂固體顆粒。在鍍膜前將K9硅基片浸入乙醇與乙醚的混合液（1：2）并置于超聲清洗機中清洗15 min，取出并用超凈布擦拭干凈；使用真空鍍膜機（ZSS-800型）以熱阻蒸發(fā)法在1.0×10?3 Pa真空度下先后在K9硅基片上蒸鍍Lumogen（300 nm）和MgF2（20 nm）薄膜，蒸鍍速率為0.2 nm/s，制備過程如圖1所示。

1.2激光損傷測試

激光輻照采用的激光損傷系統(tǒng)如圖2所示（據(jù)國際標準ISO11254搭建）。主光源為1 064 nm的Nd∶YAG連續(xù)激光器（最大輸出功率300 W），經(jīng)過反射后聚焦到樣品表面；以He-Ne（632.8 nm）激光器發(fā)出紅光作為準直光束；樣品置于二維位移平臺上，搭配自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)激光均勻輻照樣品表面。在聚焦透鏡后方設置一個分束鏡，激光經(jīng)過分束鏡后僅有1/1 000的能量反射到反射鏡2，再反射到連接計算機的光束質(zhì)量分析儀，剩余的激光能量透過分束鏡。該反射光路為等效光路，即l1=l2+l3，可以通過等效光路由光束質(zhì)量分析儀分析得到實際激光到達樣品表面的光斑大小。

1.3樣品的表征方法

為研究高能粒子輻照能量及輻照時間下，傳感元上紫外增強復合薄膜的發(fā)光性能變化，以不同的激光功率（1 W、3 W、5 W）和掃描速率（50 mm/min、30 mm/min、10 mm/min）分別模擬探測器工作受到輻照的能量大小及探測器積分時間，設計3組輻照實驗，并設計1組單層膜作對照實驗。如圖3所示，激光在樣品表面形成的光斑面積均為1.7 mm2，激光功率為1 W、3 W、5 W下光斑功率密度分別為0.58 W/mm2、1.76 W/mm2、2.94 W/mm2。控制位移平臺使樣品按照設定的掃描路徑勻速被光斑輻照，光斑的上下掃描間隔為0.1 mm。

采用真空紫外熒光光譜儀（IHR320，HORIBA）、熒光光譜儀（FLS1000，Edinburgh Instruments）測試薄膜的熒光性能，經(jīng)過輻照損傷的熒光衰減程度K表示為

式中：I0為初始熒光強度；I1為輻照后的熒光強度。

采用紫外?可見分光光度計（Lambda1050，Perkin-Elmer）測試薄膜的透過率，表征紫外光和熒光透過膜層進入多晶硅柵極的效率。

2結(jié)果與分析

2.1復合薄膜在真空紫外/近紫外激發(fā)的熒光性能

真空度10?6 Pa的測試條件下，測試薄膜樣品輻照前后，在VUV激發(fā)下的熒光響應強度。激發(fā)波長為160 nm，發(fā)射光譜如圖4（a）～（c）所示。由圖4可見，激光功率和掃描速率不影響MgF2/Lumogen復合薄膜熒光發(fā)射峰的位置，發(fā)射峰均穩(wěn)定在526 nm附近，但發(fā)射光的峰值強度發(fā)生明顯衰減。相比未經(jīng)激光輻照的復合薄膜，經(jīng)過激光1 W功率的50 mm/min、30 mm/min、10 mm/min掃描速率輻照后，熒光強度分別衰減了1%、18%、32%，如圖4（a）所示；經(jīng)過激光3 W功率的3個速率輻照后，熒光強度分別衰減了5%、24%、49%，如圖4（b）所示；同樣的，經(jīng)過激光5 W功率的3個速率輻照后，熒光強度衰減了9%、28%、61%，如圖4（c）所示。MgF2/Lumogen復合薄膜經(jīng)過激光輻照后，應用于真空紫外探測時發(fā)射光強度產(chǎn)生衰減，在激光功率不變的情況下，隨著掃描速率降低（積分時間增加），真空紫外激發(fā)下的熒光衰減程度逐漸上升，激光功率越高，衰減越嚴重。

復合薄膜在近紫外的熒光響應測量，采用熒光光譜儀檢測方案中每個樣品受輻照前后在近紫外光激發(fā)下的熒光發(fā)射光譜。以273 nm波長激發(fā)，并在450～700 nm波長范圍采集熒光信號，熒光發(fā)射峰位于532 nm左右。結(jié)果如圖5（a）～（c）所示，較未輻照薄膜，經(jīng)過激光1 W功率的50 mm/min、30 mm/min、10 mm/min 3個掃描速率輻照后，發(fā)光強度分別衰減了1%、2%、6%，如圖5（a）所示；經(jīng)過激光3 W功率的3個速率輻照后，發(fā)光強度分別衰減了6%、8%、11%，如圖5（b）所示；經(jīng)激光5 W功率的3個速率輻照后，發(fā)光強度分別衰減了7%、12%、21%，如圖5（c）所示。應用于近紫外探測時，復合薄膜受高能輻照后的衰減趨勢與真空紫外測試結(jié)果一致，在衰減程度上，近紫外探測相對真空紫外要低。

2.2激光輻照對膜層透過性能的影響

MgF2/Lumogen復合薄膜在500～700 nm波段具有較高的透過率，與探測器的響應敏感波段相匹配[12-14]，此波段的透過率能反映復合膜層對光子的利用率，與紫外成像質(zhì)量成正比。以紫外?可見分光光度計測量方案中所有樣品受輻照前后的透射光譜，結(jié)果如圖6（a）～（c）所示，相比未輻照復合薄膜，經(jīng)過激光輻照的復合薄膜透過率下降了2%～3%，且500～700 nm波段內(nèi)的透射峰發(fā)生略微藍移，但總體上維持在75%～95%。由于激光輻照功率和積分時間的增加，熱量聚集在薄膜表面，熱作用破壞了膜層表面的光滑結(jié)構(gòu)，增加了吸收和漫反射導致透過率逐漸下降。除了熱效應，介質(zhì)膜（MgF2）在場效應下的破壞也不可忽略，激光輻照會在介質(zhì)膜內(nèi)形成高頻強場，在高頻場的作用下，介質(zhì)膜可能會產(chǎn)生類似于介電擊穿的電子雪崩離化，導致薄膜損傷。低功率下場效應的損傷并不明顯，但隨著激光功率的不斷增加，場效應將逐漸增加，MgF2膜層的增透作用也隨之降低[15]。

2.3 MgF2/Lumogen復合薄膜的抗輻照損傷效應

MgF2薄膜對120～800 nm范圍內(nèi)的光具有高透過率，作為無機材料在改善Lumogen薄膜粗糙度的同時能有效隔離物理污染和水汽氧化。Lumogen膜與MgF2/Lumogen復合膜在相同激光輻照條件下（激光功率3 W、掃描速率30 mm/min）比較兩者的抗輻照損傷效果。從圖7（a）真空紫外熒光光譜曲線來看，經(jīng)激光輻照后的單層膜與復合薄膜在真空紫外激發(fā)下的熒光強度分別衰減了31%、12%；圖7（b）所示為在近紫外激發(fā)下的熒光光譜，輻照后單層膜與復合膜的熒光強度分別衰減了15%、5%。不論是真空紫外激發(fā)還是近紫外激發(fā)，有無MgF2保護的Lumogen熒光衰減相差接近3倍。在Lumogen表面加鍍MgF2膜層之后其透過率在500～700 nm波段有了明顯提高，由86%提高至90%，驗證了此前的研究[14]。經(jīng)過激光輻照后Lumogen薄膜與MgF2/Lumogen復合薄膜的透過率分別衰減了約4%、2%，如圖7（c）所示，高能激光對復合薄膜的透過性能影響并不大。

從結(jié)果來看，加鍍MgF2薄膜能有效提高Lumogen薄膜的抗激光損傷能力，應用于紫外探測器時能更好地應對各種惡劣環(huán)境，延長使用壽命。

2.4 MgF2/Lumogen復合薄膜輻照損傷分析

Lumogen具有熒光基團（苯基）和熒光助色團（氫氧基團），在吸收紫外光后苯基分子中的內(nèi)部電子從基態(tài)π（價帶）躍遷至激發(fā)態(tài)π*（導帶），再經(jīng)過衰變釋放光子從而發(fā)出可見光[16]。隨著激光輻照功率和積分時間的增加，樣品表面積累熱量增多，在熱效應下，局部熱點周圍產(chǎn)生熱彈性壓力和熱應力波，破壞了Lumogen內(nèi)部的熒光基團和熒光助色團，使熒光發(fā)光因子的活性降低，光致發(fā)光性能下降。

薄膜熱破壞與材料的熱傳導等密切相關(guān)。為進一步分析MgF2/Lumogen復合薄膜的抗激光損傷機理，使用COMSOL軟件對復合膜層建模進行熱傳導仿真。MgF2薄膜作為一種無機材料的介質(zhì)膜，相對于Lumogen這種有機熒光薄膜具有更高的熱導率，這樣的復合膜設計能一定程度避免膜層中的熱量聚集導致熒光層的受損。如圖8（a）～（c）所示，復合薄膜經(jīng)高能激光輻照后會在膜層中留下熱量，圖8（a）中可以看到膜層切面中的熱源在MgF2層的傳熱效率比Lumogen層要高，熱量在MgF2層中向膜面四周擴散的速度更快，如圖8（b）～（c）所示。MgF2層的導熱作用在一定程度上減緩了Lumogen層的熱破壞。

3結(jié)論

本文研究高能激光輻照前后MgF2/Lumogen復合薄膜的損傷效應，旨在模擬復合薄膜應用于紫外探測器在實際工作環(huán)境中所受高能輻照的損傷規(guī)律。實驗結(jié)果表明，鍍制的薄膜樣品經(jīng)激光光斑面積1.7 mm2，激光功率（掃描速率）為1 W（50～10 mm/min）、3 W（50～10 mm/min）、5 W（50～10 mm/min）輻照后，真空紫外激發(fā)下熒光響應強度分別衰減了1%～32%、5%～49%、9%～61%；在近紫外激發(fā)下熒光響應強度分別衰減了1%～6%、6%～11%、6%～21%。熒光薄膜發(fā)光性能在真空紫外波段較近紫外波段受輻照影響要嚴重2～3倍，MgF2/Lumogen復合薄膜的透過率整體僅衰減了2%～3%，影響不大。經(jīng)輻照后的復合薄膜光學性能會出現(xiàn)不同程度的衰減，歸因于激光功率和積分時間的增加導致熱量聚集在膜面上，在熱效應作用下破壞了Lumogen熒光薄膜內(nèi)部的熒光基團和熒光助色團以及膜層表面的光滑結(jié)構(gòu)，使得薄膜發(fā)光強度、透過率下降。對比了Lumogen單層膜受激光輻照前后變化，以及對復合薄膜的熱傳導分析，結(jié)果表示MgF2能有效提高Lumogen薄膜的抗激光損傷能力。本研究為真空紫外波段探測器的研發(fā)及紫外探測技術(shù)提供了參考。

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（編輯：張磊）