一種基于人工缺陷的激光薄膜定量化研究方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光薄膜的研究方法，屬于薄膜光學【技術(shù)領域】。該方法的步驟為利用不同尺度拋光粉制作人工劃痕確定熔石英基板的冷加工、熔石英基板的氫氟酸刻蝕的工藝參數(shù)、利用微米尺度單分散小球確定熔石英基板的超聲波清洗、熔石英基板的真空離子束清洗工藝參數(shù)、利用吸收性的納米尺度缺陷確定在熔石英基板上制備薄膜的工藝參數(shù)、利用微米尺度單分散小球確定缺陷后處理工藝參數(shù)。實驗證明，采用本發(fā)明可以從激光薄膜制備的整個工藝流程上有效控制不同缺陷的尺度，根據(jù)不同損傷閾值的要求，確定定量的工藝參數(shù)，有效地簡化激光薄膜制備工藝流程，可以與現(xiàn)有的基板加工、清洗及薄膜制備工藝兼容。具有工藝重復性好、可控性強、效果明顯等優(yōu)點，完全可以應用于未來的高功率激光薄膜領域。
【專利說明】一種基于人工缺陷的激光薄膜定量化研究方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光薄膜研究方法，尤其是一種通過人工缺陷定量化確定激光薄膜制備工藝參數(shù)的研究方法，屬于薄膜光學【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】
[0002]激光薄膜是高功率激光系統(tǒng)中的關鍵元件，它的損傷閾值直接決定了激光輸出的強弱，并影響強激光系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。提高激光薄膜的損傷閾值一直是激光和薄膜領域內(nèi)的重要內(nèi)容，是提升激光系統(tǒng)性能的關鍵。薄膜損傷閾值的高低是眾多因素共同作用的結(jié)果，其中雜質(zhì)缺陷吸收是比較關鍵的因素之一。對于整個激光薄膜來說，在激光薄膜制作的整個過程中都有可能引入缺陷:比如基板加工中再沉積層的吸收性缺陷以及亞表面中的裂紋和拋光粉殘留；基板表面吸附的有機物污染以及顆粒；鍍膜過程中形成的吸收性缺陷等。如何有效地降低薄膜中的缺陷是提高激光薄膜損傷閾值的關鍵問題之一。專利[201210480267]，提出了一種激光薄膜的制備方法，通過基板冷加工、基板刻蝕、基板超聲波清洗、基板離子束清洗、電子束蒸發(fā)鍍膜和缺陷激光預處理的全流程工藝降低缺陷密度，有效提高了激光薄膜的損傷閾值。
[0003]但是現(xiàn)有的制備方法雖然能將缺陷控制在很好的水平，但是由于薄膜中缺陷的分布具有很大的離散性和不確定性，其形狀、尺度、位置、吸收、來源等特征顯著不同，增大了系統(tǒng)研究和控制缺陷的難度，并沒有對薄膜中的缺陷進行定量化的研究，因此激光薄膜的制備仍然帶有盲目性，無 法對激光薄膜制備工藝參數(shù)的定量化，難以根據(jù)不同的損傷閾值要求合理選擇工藝參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對以上現(xiàn)有方法存在的問題，依據(jù)人工缺陷損傷特性在較大程度上能夠模擬或反映真實缺陷損傷特性的原則，提出了一種在激光薄膜制備各環(huán)節(jié)引入特征可控的人工缺陷，定量研究損傷特性隨著某一單因素變化規(guī)律的激光薄膜研究方法。
[0005]為了解決以上技術(shù)問題， 申請人:對激光薄膜缺陷的產(chǎn)生來源、損傷機制進行了系統(tǒng)深入的研究，提出了如下步驟的激光薄膜定量化研究方法:
[0006]I)利用不同尺度拋光粉制作人工劃痕研究熔石英基板的浮法拋光工藝:將經(jīng)過浮法拋光的基板，將粒徑為1.5 μ m~10 μ m的拋光粉溶解于去離子水中，對基板進行拋光，得到人工劃痕的寬度在2 μ m~15 μ m之間，亞表面損傷層的深度在2 μ m-20 μ m之間，并經(jīng)過超聲波清洗、鍍制薄膜，進行損傷閾值測試，得到損傷閾值與人工劃痕尺度的對應關系，確定基板拋光的工藝參數(shù)；
[0007]2)含有人工劃痕的熔石英基板的氫氟酸刻蝕:將氫氟酸與去離子水混合，對含有人工劃痕的熔石英基板表面進行刻蝕，刻蝕深度在0.5 μ m-20 μ m之間，以低濃度氫氟酸首先完全去除再沉積層，刻蝕時間為20~60分鐘，然后使用高濃度氫氟酸完全去除亞表面損傷層，刻蝕時間為40~90分鐘；
[0008]3)涂有人工小球的熔石英基板的超聲波清洗:將0.3 μ m-3 μ m人工小球旋涂在基板表面，進行超聲波清洗，確定不同的超聲頻率、超聲時間和小球去除效率的對應關系；
[0009]4)涂有人工小球的熔石英基板的真空離子束清洗:將0.3 μ m-3 μ m人工小球旋涂在基板上，并把基板裝載進鍍膜機的真空室，抽真空至lX10_3pa~5X10_3pa，使用不同參數(shù)真空離子束清洗工藝去除人工小球；
[0010]5)熔石英基板上薄膜制備:使用電子束蒸發(fā)方法在熔石英基板上制備HfO2 / SiO2薄膜，在不同的膜層中引入納米尺度人工缺陷，利用損傷閾值測試，給出損傷閾值和缺陷位置的定量化對應關系；
[0011]6)薄膜缺陷的激光預處理:用脈沖寬度為10ns，波長為1064nm的YAG激光對熔石英基板上的制備的HfO2 / SiO2薄膜的定量化缺陷進行激光預處理。
[0012]本發(fā)明的關鍵在于以人工缺陷為核心的定量化研究方法。其理由是:激光薄膜的中不同尺度的缺陷可能導致不同的損傷閾值，人工缺陷損傷特性在較大程度上能夠模擬真實缺陷損傷特性，因此我們對各個工藝步驟引入不同的人工缺陷進行研究，比如利用人工劃痕研究基板拋光和氫氟酸刻蝕工藝，利用人工單分散小球研究基板的超聲波清洗和離子束清洗工藝，利用吸收性缺陷研究薄膜的制備工藝，并分析預處理工藝參數(shù)與定量化缺陷的對應關系。因此本發(fā)明提出了一種通過基于人工缺陷的激光薄膜定量化研究方法，可以穩(wěn)定地制備不同損傷閾值的激光薄膜。
[0013]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0014]1、可以有效地控制缺陷尺度，定量化工藝可以穩(wěn)定控制不同尺度缺陷的分布；
[0015]2、可以根據(jù)損傷閾值要求合理選擇工藝參數(shù)，顯著提升生產(chǎn)效率；
[0016]3、穩(wěn)定提高了激光薄膜的良品率，相應地降低了生產(chǎn)成本；
[0017]4、適宜批量生產(chǎn)，能夠滿足激光技術(shù)迅猛發(fā)展的市場需求，具有良好的經(jīng)濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的1064納米減反射膜中不同尺度劃痕缺陷的損傷閾值測試結(jié)果。
[0019]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例的1064納米高反射膜中缺陷的損傷閾值測試結(jié)果，不同尺度人工小球與鍍膜后缺陷尺度及薄膜損傷閾值的對應關系。
[0020]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例的1064納米高反射膜損傷閾值的測試結(jié)果，A:采用全流程工藝控制時1064nm高反射膜的1-on-l損傷閾值測試結(jié)果；B:采用定量化工藝控制后1064nm高反射膜的1-on-l損傷閾值測試結(jié)果?？梢钥闯霾捎枚炕に嚳刂剖箵p傷閾值從 64J / cm2 (1064nm3ns)下降到 35J / cm2 (1064nm3ns)。
[0021]圖3:A:全流程工藝的損傷閾值測試結(jié)果；B:采用定量化工藝的損傷閾值測試結(jié)果
【具體實施方式】
[0022]結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明: [0023]實施例1[0024]在有人工劃痕的熔石英基板上制備HfO2 / SiO2減反射膜:取拋光再沉積層的厚度控制在100-200nm，亞表面損傷層的深度控制在1000_3000nm的熔石英基板，將粒徑為1.5 μ m~30 μ m的SiO2拋光粉溶解于去離子水中，拋光粉的濃度為0.5%,拋光盤的轉(zhuǎn)速10-30rpm，進行20秒短時拋光。得到不同粒徑的拋光粉對應不同的人工劃痕尺度，人工劃痕的寬度在2 μ m~15 μ m之間，亞表面損傷層的深度在2 μ m-20 μ m之間。熔石英基板放入超聲波清洗槽中，超聲波的頻率為500KHz，超聲波功率為2Kw，堿性清洗溶液的配比為NH4OH =H2O2 =H2O=I: 4: 10，清洗液的水溫控制在20-25度之間，超聲波時間為50分鐘。超聲波清洗后用去離子水沖洗2遍，然后用離心機甩干，甩干轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分鐘。然后將镕石英基板裝入鍍膜設備的工件架，設備為日本光馳0TFC-1300鍍膜機。接下來用電子束蒸發(fā)方式制備HfO2 / SiO2減反射膜，初始蒸發(fā)材料為Hf和8i02，基板溫度為150°C，鍍HfO2膜時氧氣的充氣量為50SCCm，鍍SiO2膜時氧氣的充氣量為15sCCm，Hf02和SiO2的蒸發(fā)速率均為Inm / S。
[0025]對含有不同尺度人工劃痕的薄膜樣品進行損傷閾值測試，發(fā)現(xiàn)隨著人工劃痕尺度的增大，相應 地薄膜激光損傷閾值也從25J / cm2降低到7J / cm2，如圖1所示。
[0026]實施例2
[0027]在有人工缺陷的熔石英基板上制備HfO2 / SiO2高反射膜:將拋光再沉積層的厚度控制在100-200nm，亞表面損傷層的深度控制在1000_3000nm的熔石英基板放入超聲波清洗槽中，超聲波的頻率為500KHz，超聲波功率為2Kw，堿性清洗溶液的配比為NH4OH =H2O2:H2O=I: 4: 10，清洗液的水溫控制在20-25度之間，超聲波時間為50分鐘。超聲波清洗后用去離子水沖洗2遍，然后用離心機甩干，甩干轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分鐘。將尺度分別為0.3，0.5,0.9，1.45，1.9,2.9微米的SiO2小球溶解在去離子水中，濃度為1%，旋涂到不同的基板上，控制缺陷密度約為5個/ mm2。然后將镕石英基板裝入鍍膜設備的工件架，設備為日本光馳0TFC-1300鍍膜機。接下來用電子束蒸發(fā)方式制備HfO2 / SiO2高反射膜，初始蒸發(fā)材料為Hf和SiO2，基板溫度為150°C，鍍HfO2膜時氧氣的充氣量為50SCCm，鍍SiO2膜時氧氣的充氣量為15sccm, HfO2和SiO2的蒸發(fā)速率均為Inm / S。
[0028]將含有不同尺度人工小球的薄膜樣品在顯微鏡下進行觀察，不同的人工小球?qū)煌娜毕莩叽纾鐖D2所示，且同一樣品中缺陷尺寸分布均勻；進行損傷閾值測試，發(fā)現(xiàn)隨著小球尺度的增大，相應地薄膜激光損傷閾值也從170J / cm2降低到20J / cm2，如圖2所示。
[0029]實施例3
[0030]熔石英基板上制備損傷閾值30J / cm2的HfO2 / SiO2高反射膜:將熔石英材料進行初級研磨和次級研磨成型為50mmX10mm的基板，然后是用浮法拋光機進行拋光。使用的浙青拋光墊在18°C~24°C溫度范圍內(nèi)的壓縮率小于8%，Si02拋光粉的平均粒徑為3μπι，拋光粉的濃度為1.5%，加工壓力為20N / cm2，加工時間為2-3周。將拋光后的熔石英基板先放入裝有1%氫氟酸的燒杯中，氫氟酸的溫度均控制在20-25°C之間，浸泡30分鐘，去除深度Iy m，然后用去離子水沖洗兩遍。再將刻蝕后的熔石英基板放入超聲波清洗槽中，超聲波的頻率為440KHz，超聲波功率為2Kw，堿性清洗溶液的配比為NH4OH =H2O2:H2O=I: 4: 10，清洗液的水溫控制在20-25度之間，超聲波時間為50分鐘。超聲波清洗后用去離子水沖洗2遍，然后用離心機甩干，甩干轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分鐘。將清洗后的熔石英基板裝入鍍膜設備的工件架，設備為日本光馳0TFC-1300鍍膜機，配置離子源為17cm射頻離子源，使用氙氣和氧氣混合等離子體對基板表面進行清洗，流量分別為6和12Sccm，離子束清洗時間為6分鐘，離子束電壓為500v，離子束電流為100mA。接下來用電子束蒸發(fā)方式制備HfO2 / SiO2高反射膜，初始蒸發(fā)材料為Hf和SiO2,基板溫度為150°C，鍍HfO2膜時氧氣的充氣量為50SCCm，鍍SiO2膜時氧氣的充氣量為15sCCm，Hf02和SiO2的蒸發(fā)速率分別為
1.5nm / s和Inm / S。使用YAG激光器(1064nml0ns)對5微米以上缺陷點依次進行預處理，處理能量為5J / cm2。
[0031]將全流程工藝控制制備的1064nm高反射膜和根據(jù)損傷閾值要求定量化工藝控制制備的高反射薄膜進行對比研究發(fā)現(xiàn)，缺陷點的密度從1.5個/ mm2上升到10個/ mm2，缺陷吸收的峰值也從IOppm左右升高至lOOppm。相應地激光損傷閾值也從64J / cm2降低到35J / cm2，如圖3所示。但樣品達到了損傷閾值要求，基板加工周期減小I周，整個薄膜制備工藝的時間從24小 時下降到16小時，有效提升了生產(chǎn)效率。
【權(quán)利要求】
1.一種激光薄膜的研究方法，其特征在于包括以下步驟: 1)利用不同尺度拋光粉制作人工劃痕研究熔石英基板的浮法拋光工藝:將經(jīng)過浮法拋光的基板，利用不同尺度拋光粉，對基板進行短時拋光，得到不同尺度的人工劃痕，并經(jīng)過超聲波清洗、鍍制薄膜，進行損傷閾值測試，得到損傷閾值與人工劃痕尺度的對應關系，確定基板拋光的工藝參數(shù)。 2)含有人工劃痕的熔石英基板的氫氟酸刻蝕:將氫氟酸與去離子水混合，對不同尺度拋光粉得到的人工劃痕表面進行刻蝕，以低濃度氫氟酸首先去除再沉積層，然后使用高濃度氫氟酸完全去除亞表面損傷層；根據(jù)去除深度不同進行損傷閾值測試，確定石英基板的氫氟酸刻蝕工藝參數(shù)和損傷閾值的對應關系。 3)涂有人工小球的熔石英基板的超聲波清洗:在熔石英基板表面旋涂不同尺度的人工小球，得到超聲波清洗參數(shù)和人工小球去除效率的對應關系。 4)涂有人工小球的熔石英基板的真空離子束清洗:熔石英基板經(jīng)過超聲波清洗后，在表面旋涂不同尺度的人工小球，放入鍍膜機中，在真空環(huán)境下進行離子束清洗，得到真空離子束清洗參數(shù)和人工小球去除效率的對應關系。 5)熔石英基板上薄膜制備:使用電子束蒸發(fā)方法在熔石英基板上制備HfO2/ SiO2薄膜；在不同的膜層中引入納米尺度人工缺陷，形成吸收性薄膜缺陷，利用損傷閾值測試，給出損傷閾值和缺陷位置的定量化對應關系； 6)薄膜缺陷的激光預處理:用脈沖寬度為10ns，波長為1064nm的YAG激光對熔石英基板上的制備的HfO2 / SiO2薄膜的缺陷進行激光預處理，研究激光預處理參數(shù)和缺陷尺度的定量化對應關系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于:所述步驟I)中的浙青拋光墊在18°C~24°C溫度范圍內(nèi)的壓縮率小于8%，SiO2拋光粉的粒徑為1.5 μ m~30 μ m，拋光粉的濃度小于0.5%，拋光盤的轉(zhuǎn)速10-30rpm，拋光時間~20秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于:所述步驟I)中熔石英基板拋光后，人工劃痕寬度在2 μ m~15 μ m之間，亞表面損傷層的深度在2 μ m-20 μ m之間，每個熔石英基板上人工劃痕尺度分布均勻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于:所述步驟2)中低濃度氫氟酸的濃度為I~2%，刻蝕時間為20~60分鐘，高濃度氫氟酸的濃度為4~5%，刻蝕時間為40~90分鐘，刻蝕深度在0.5 μ m-20 μ m之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于:所述步驟3)中人工小球的尺度為0.3 μ m-3 μ m，超聲波的頻率為100千赫茲~I兆赫茲，使用堿性清洗溶液，配比為NH4OH =H2O2:h20=l: 4: 10，超聲時間60-120分鐘，超聲波功率為2_3Kw，超聲波清洗后用去離子水沖洗1-2遍，然后用離心機甩干，甩干轉(zhuǎn)速為2000-3000轉(zhuǎn)/分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于:所述步驟4)中人工小球的尺度為0.3 μ m-3 μ m，使用氙氣和氧氣混合等離子體對基板表面進行清洗，氙氣和氧氣的純度優(yōu)于99.999%，流量比為1: 2，離子束清洗時間為5-30分鐘，離子束電壓為400~600v，離子束電流為100-300mA。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于:所述步驟5)中使用電子束蒸發(fā)技術(shù)，鍍HfO2膜時氧氣的充氣量為40-80SCCm，鍍的SiO2膜時氧氣的充氣量為15sCCm，基板溫度為100-150°C，Hf02的蒸發(fā)速率均為0.5~2nm / s,Si02的蒸發(fā)速率為Inm / S。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于:所述步驟6)中對缺陷進行預處理的步驟分1~5步，初始能量為5J / cm2，然后以2J / cm2為梯度增加。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光薄膜研究方法，其特征在于本方法不但適用于熔石英基板，也適用于K9玻璃基板。
【文檔編號】G01N1/28GK103952670SQ201410050186
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年2月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月13日
【發(fā)明者】王占山, 張錦龍, 程鑫彬, 沈正祥, 馬彬, 丁濤, 焦宏飛 申請人:同濟大學