專利名稱：一種提高355nm高反膜損傷閾值的鍍制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高355nm納秒激光用高反射薄膜激光損傷閾值的鍍制方法。
背景技術(shù)：
在高功率激光系統(tǒng)領(lǐng)域，355nm高反膜是強(qiáng)激光系統(tǒng)中關(guān)鍵元件之一，其損傷閾值及損傷特性是限制強(qiáng)激光系統(tǒng)性能進(jìn)一步改善的重要瓶頸，也是直接影響激光系統(tǒng)穩(wěn)定性和使用壽命的重要因素之一。大量針對(duì)355nm激光高反膜損傷機(jī)制的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，決定其損傷閾值高低的根本因素是鍍膜材料本身能帶隙的大小。HfO2和SiO2是目前激光系統(tǒng)中355nm高反膜制備時(shí)最常用的高低折射率材料。實(shí)際應(yīng)用中損傷主要發(fā)生在最外面的幾層薄膜。特別是HfO2層內(nèi)，這是因?yàn)樽钔饷鎺讓颖∧?nèi)的電場(chǎng)分布最大，且HfO2比SiO2的能帶隙小所致；其次是高低折射率膜層的界面，這是因?yàn)槟軌蛞鸨∧p傷的納米吸收中心主要分布在界面。當(dāng)前常用的解決方法是優(yōu)化最外面幾層的電場(chǎng)分布，使HfO2膜層內(nèi)部和膜層界面處的電場(chǎng)分布盡可能小。但受HfO2能帶隙大小所限，改變電場(chǎng)分布對(duì)薄膜閾值的改善有限。Al2O3也是一種常用的激光薄膜材料，雖然能帶隙大于HfO2，但折射率較低，且具有較大的張應(yīng)力，和SiO2搭配不易獲得良好的光譜特性。綜上所述，對(duì)于常用的Hf02/Si023 5 5nm高反膜而言，受限于鍍膜材料本身的能帶隙，傳統(tǒng)的閾值改善手段效果有限，無法大幅度地提高激光損傷閾值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在保持電子束蒸發(fā)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，從限制355nm高反射薄膜閾值提升的最關(guān)鍵因素_聞?wù)凵渎什牧系哪軒度胧郑峁┝艘环N提聞355nm聞反射薄I旲激光損傷閾值的鍍制方法，該方法可以極大幅度提高薄膜的激光損傷閾值，而且具有針對(duì)性強(qiáng)、品質(zhì)和效率高、簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
一種提高355nm高反射薄膜激光損傷閾值的鍍制方法，具體步驟如下:
(1)將基板清洗干凈，然后利用高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃脲兡C(jī)；
(2)控制鍍膜機(jī)內(nèi)真空室本底真空度為IX10_3Pa 3X 10_3Pa，將基板加熱至180-200度，并恒溫70-90分鐘；
(3)采用電子束交替蒸發(fā)13-17個(gè)周期的規(guī)整1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度的HfO2和SiO2；
(4)采用電子束依次蒸發(fā)0.8A1203，1.2Si02，0.8A1203，1.2Si02，0.8A1203 和 2Si02，其中
0.8、1.2和2代表規(guī)整1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度的倍數(shù)；
(5)待真空室內(nèi)溫度自然冷卻至室溫后取出鍍制好的樣品。本發(fā)明中，所述基板可以是光學(xué)玻璃，也可以是晶體。利用本發(fā)明得到的樣品為高反射薄膜，其膜系結(jié)構(gòu)為:S| (HL) 'N (0.8M1.2L)~3 0.8LI AIR，其中S代表基板，H代表1/4波長(zhǎng)厚度的HfO2, L代表1/4波長(zhǎng)厚度的SiO2,M代表1/4波長(zhǎng)厚度的Al2O3，參考波長(zhǎng)為355nm，N代表膜層交期的周期數(shù)，取值為13-17，AIR代表空氣。本發(fā)明的核心是在高反膜最容易發(fā)生損傷的膜層，用非規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的Al2O3材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的HfO2材料。其原理是:限制高反膜閾值的最根本因素是鍍膜材料本身的能帶隙。對(duì)于高反射薄膜而言，最外面幾層的電場(chǎng)分布最強(qiáng)，因此損傷主要發(fā)生在最外面幾層。Al2O3材料的能帶隙為8.8eV,遠(yuǎn)大于HfO2材料的4.2eV，在高反膜的最外面幾層用Al2O3材料代替HfO2材料，對(duì)光譜反射率特性的影響很小，但卻可以從根本上提升薄膜的閾值。對(duì)于規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度高反膜而言，電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值處于兩層膜的界面處，而界面處又是薄膜結(jié)構(gòu)特性最差的地方，因此這里是損傷最易發(fā)生的地方，而在本發(fā)明中，最外層為非規(guī)整膜系，電場(chǎng)強(qiáng)度的極大值分布在膜層內(nèi)部，而非界面。綜上所述，通過改變最外層的膜系結(jié)構(gòu)，用非規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的Al2O3材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的HfO2材料，從根本上改善了 355nm納秒激光高反射薄膜的損傷特性，閾值得到顯著地提高。本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
1.可有效降低高反射薄膜的本征吸收。對(duì)比傳統(tǒng)高反射薄膜，改善后的高反薄膜的弱吸收測(cè)量有明顯降低；
2.可有效提高高反射薄膜的損傷閾值。對(duì)比傳統(tǒng)高反射薄膜，改善后的高反薄膜的閾值有大幅度提聞。3.本發(fā)明方法經(jīng)濟(jì)易行。Al2O3材料是最常見的鍍膜材料，比HfO2材料便宜。Al2O3材料的蒸鍍工藝成熟穩(wěn)定，易于操作。4.本發(fā)明方法針對(duì)性強(qiáng)、品質(zhì)和效率高。此方法直接針對(duì)限制高反射膜最根本的因素，極大改善了薄膜的損傷特性。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1:
以JGSl石英玻璃作為基板，首先將其放入清洗液中超聲清洗15分鐘，取出后用高純氮?dú)獯蹈?，然后放入鍍膜設(shè)備中的工件架上；基板溫度為200度，恒溫80分鐘；當(dāng)本底真空為2X10_3Pa時(shí)，用電子束交替蒸發(fā)14個(gè)周期的規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的HfO2和SiO2 ;再用電子束依次蒸發(fā) 0.8A1203, 1.2Si02,0.8A1203，1.2Si02,0.8A1203，2Si02，其中 0.8、1.2 和 2 代表規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的倍數(shù)。鍍膜中使用的膜料為高純度的HfO2顆粒，SiO2石英環(huán)，以及高純度的Al2O3顆粒。蒸鍍完成后，樣品在真空室內(nèi)自然冷卻至室溫，然后開門取出樣品。與傳統(tǒng)方法鍍制的高反射薄膜進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鍍制的薄膜將弱吸收由300ppm降到了 160ppm ;激光損傷閾值則由7J/cm2 (5ns)提高到了 18J/cm2 (5ns)。實(shí)施例2:
以JGSl石英玻璃作為基板，首先將其放入清洗液中超聲清洗15分鐘，取出后用高純氮?dú)獯蹈?，然后放入鍍膜設(shè)備中的工件架上；基板溫度為200度，恒溫80分鐘；當(dāng)本底真空為2X10_3Pa時(shí)，用電子束交替蒸發(fā)14個(gè)周期的規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的Hf和SiO2 ;再用電子束依次蒸發(fā) 0.8A1203, 1.2Si02,0.8A1203，1.2Si02,0.8A1203，2Si02，其中 0.8、1.2 和 2 代表規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的倍數(shù)。鍍膜中使用的膜料為高純度的金屬Hf，SiO2石英環(huán)，以及高純度的Al2O3顆粒。蒸鍍完成后，樣品在真空室內(nèi)自然冷卻至室溫，然后開門取出樣品。與傳統(tǒng)方法鍍制的高反射薄膜進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鍍制的薄膜將弱吸收由240ppm 降到了 135 ppm ;激光損傷閾值則由 12J/cm2 (5ns)提高到了 20J/cm2 (5ns)。
權(quán)利要求
1.一種提高355nm激光高反膜損傷閾值的鍍制方法，其特征在于具體步驟如下: (1)將基板清洗干凈，然后利用高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃脲兡C(jī)； (2)控制鍍膜機(jī)內(nèi)真空室本底真空度為IX10_3Pa 3X 10_3Pa，將基板加熱至180-200度，并恒溫70-90分鐘； (3)采用電子束交替蒸發(fā)13-17個(gè)周期的規(guī)整1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度的HfO2和SiO2；(4)采用電子束依次蒸發(fā)0.8A1203，1.2Si02，0.8A1203，1.2Si02，0.8A1203 和 2Si02，其中0.8、1.2和2代表規(guī)整1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度的倍數(shù)； (5)待真空室內(nèi)溫度 自然冷卻至室溫后取出鍍制好的樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍍制方法，其特征在于所述的基板采用光學(xué)玻璃或晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍍制方法，其特征在于所得的樣品為高反射薄膜，其結(jié)構(gòu)為:S| (HL) ~N (0.8M1.2L)~3 0.8L AIR，其中S代表基板，H代表1/4波長(zhǎng)厚度的HfO2, L代表1/4波長(zhǎng)厚度的Si02，M代表1/4波長(zhǎng)厚度的Al2O3,參考波長(zhǎng)為355nm，N代表膜層交期的周期數(shù)，取值為13-17，AIR代表空氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高355nm高反膜激光損傷閾值的制備方法，該方法屬于薄膜光學(xué)領(lǐng)域，主要針對(duì)355nm激光高反膜中限制閾值的最根本因素——鍍膜材料的能帶隙，能帶隙越大，閾值就越高。常規(guī)的355nm高反膜由規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的HfO2和SiO2交替組成，受限于材料的能帶隙，閾值無法進(jìn)一步明顯提升。而能帶隙較高的Al2O3，則因?yàn)檎凵渎瘦^低,且張應(yīng)力較大，和SiO2搭配，不易獲得良好的光譜特性。本發(fā)明將HfO2/SiO2膜堆良好的光譜特性和Al2O3/SiO2膜堆良好的抗激光損傷特性結(jié)合起來，在常規(guī)HfO2/SiO2高反膜的最外層加鍍非規(guī)整1/4波長(zhǎng)厚度的Al2O3/SiO2膜堆，從而大幅度提高了355nm高反膜的激光損傷閾值。本發(fā)明具有針對(duì)性強(qiáng)、品質(zhì)高、簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/30GK103215551SQ201310102948
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者鮑剛?cè)A, 程鑫彬, 馬宏平, 焦宏飛, 王占山 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)