HfO2多层高反膜激光预处理技术研究.docVIP

HfO2/SiO2多层高反膜激光预处理技术研究 代福 杨李茗 成都精密光学工程研究中心 610041 摘要：激光预处理是提高薄膜元件抗激光损伤阈值的重要手段，本文采用不同的光斑移动距离，对电子束蒸发制备的HfO2/SiO2多层高反膜进行了单步及多步预处理。结果表明，为了使薄膜不产生损伤，预处理最高能量密度最好不超过薄膜零几率损伤阈值（E0）的90%。相同预处理效率下进行的单步预处理对提高光学薄膜抗激光损伤阈值的效果比多步预处理好；对HfO2/SiO2高反膜进行98.4%能量覆盖的两步预处理后薄膜损伤阈值提高81%；控制薄膜的缺陷源，初始物质应采用金属Hf。文章最后还对光学薄膜激光预处理机理进行了探讨。 关键词：激光预处理缺陷能量覆盖高反射膜 中图分类号： TN249 文献标识码： A 在ICF系统中需要大量不同尺寸的光学元件，这些光学元件包括用于倍频的KDP晶体、透镜、偏振器及各类反射镜。其中，尺寸在0.5 m~1.0 m之间，镀有HfO2/SiO2的反射镜及偏振片多达1600多件。目前，几乎所有的这些大口径光学元件均采用电子束蒸发的方式制备。由于电子束蒸发具有沉积速率较快、薄膜致密度相对较低、与基板的附着力较差的特点，也使得大口径光学薄膜元件抗激光损伤阈值在现有的工艺条件下得不到明显改善。激光预处理是在光学薄膜成膜后采用相比薄膜激光损伤阈值较低的激光能量对其进行多次辐照，以修复薄膜中的缺陷或改善薄膜的结构，从而达到提高光学薄膜激光损伤阈值的一种行之有效的方法[1~5]。实验表明，电子束蒸发制备的HfO2/SiO2多层高反射膜经激光预处理后损伤阈值可得到2~3倍的提高[6~8]。这也为ICF系统的研制成功提供了必备的基础。尽管，激光预处理已经有了相当长时间的研究，但其机理却仍没有得到共识，之前的研究集中在激光预处理去除薄膜表面的灰尘及水分，激光预处理去除薄膜内的电子缺陷等，但普遍认为，激光预处理与薄膜表面的节瘤缺陷去除有关，预处理过程就是要选择适当的激光能量密度以减少这种限制激光损伤阈值提高的缺陷密度。1激光预处理实验 1.1 实验装置 激光预处理实验装置如图1所示。实验样品为采用电子束蒸发在厚5 mm，直径50 mm的K9玻璃上制备的HfO2/SiO2多层高反膜，膜系为G/(HL)11H2L/A。预处理激光为波长1064 nm，重复频率10 Hz，脉宽7 ns，输出模式TEM00，能量稳定性优于3%的高斯光束，光束发散角小于25 μrad。经焦距50 cm的透镜聚焦后，采用CCD 图1 激光预处理实验装置示意图 Fig.1 Schematic layout of laser conditioning facility 图2 激光脉冲在靶面上的空间分布 Fig.2 The spatial distributing of laser pulse on samples 观察作用在样品上的光斑直径为1 mm（I0/e2）, 预处理光斑扫描方 式为光栅式扫描，如图所示。光学薄膜损伤测试按照ISO-11254[9]激光损伤阈值测试国际标准，损伤判断采用CCD在线观察，按照NIF的要求，如薄膜元件单个损伤尺寸小于280 μm[10]，且在相同能量激光辐照下损伤斑不扩展，则认为未损伤，反之认为损伤。光斑移动距离决定了预处理过程中光斑面积上激光能量覆盖情况。众多研究表明，光斑移动距离满足前后两光斑交界处光强为峰值光强的90%时，进行的多步预处理可以较好的提升光学元件抗激光损伤阈值。但为什么选取90%的光强覆盖？或者说，有没有其他更好的光斑移动距离选择呢？事实上，最近的实验表明，我们采用电子束蒸发方式制备的HfO2/SiO2多层高反膜进行90%光强覆盖的单步或多步激光预处理时，预处理对提升光学薄膜抗激光损伤阈值效果并不明显，其原因可能与镀膜过程中产生在薄膜上的缺陷种类、尺寸及密度有关，具体研究将在本文第二节进行。 图 激光预处理光斑扫描图 Fig. Depiction of raster-step laser conditioning process 1.2 实验方法 预处理过程中，激光能量的选择要依据HfO2/SiO2多层高反膜的单脉冲零损伤阈值E0或S-on-1损伤阈值Es0进行。以Es0为基准，S通常取为100，即在光学元件同一位置上采用相同激光能量辐照100次。S-on-1损伤阈值Es0由于薄膜表面微损伤的累积相比1-on-1损伤阈值要小很多，因此，激光预处理时，如果以Es0为基准，则预处理最高能量密度选取为115% Es0[11]，而以E0为基准，则预处理最高能量密度选取低于E0。本文采用E0为基准进行激光预处理，样品为电子束蒸发制备的高反射薄膜，同炉镀制的10个样品损伤阈值相差不大，选其中3个