高損傷閾值激光反射鏡的設計方法
發布時間：2017-09-01
引言
在高功率激光系統中, 光學薄膜是一個非常重要而又最易損傷的薄弱環節, 隨著激光器輸出功率和能量的不斷提高, 對激光器腔鏡高反膜的反射率和損傷閾值提出了越來越高的要求, 如何能夠制備出超高反射率、超低損耗和高抗激光損傷能力的全介質激光反射膜, 成為國內外學者研究的熱點。目前, 國際上報道的激光腔鏡的最高反射率可以達到99.999 8%[1], 是采用離子束濺射沉積技術制備的, 運用這項技術可以很容易制備出反射率大于99.99%, 損耗低于40×10- 6的全介質反射膜, 主要應用于激光陀螺和高功率激光腔鏡的研制。對于高功率激光系統中的反射鏡, 高的反射率水平并不能直接反應反射鏡抗激光損傷的強度, 即激光高反射膜的損傷閾值。通過設計不同的膜層、研究新的沉積工藝, 廣泛地研究如何有效地提高薄膜的抗激光損傷閾值, 先后提出了用優化激光在膜層的駐波場[2～3]和溫度場分布[4]來提高薄膜抗損傷閾值的駐波場和溫度場優化設計, 在高反射膜表面增鍍λ/4 偶數倍SiO2 膜層的半波保護膜方法[5～7], 在膜層材料上選用耐損傷能力強的薄膜材料組合, 如HfO2/SiO2[8]、Y2O3/SiO2 等方法。由于制備高性能激光薄膜的材料非常有限, 要同時達到高反射率和高的抗激光損傷要求, 往往是鍍制多膜層, 鍍制難度大, 且成本很高, 不適合大規模生產。如何選用適當的膜層組合, 在較少的層數下制備出高反射率、高損傷閾值的激光薄膜成為一個難點。
從工程設計的角度提出了一種高損傷閾值激光反射鏡的設計方法: 采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料膜系結構, 根據不同薄膜材料的性能, 取長補短, 利用Nb2O5- SiO2 膜層組合折射率差值大的特點, 在較少的層數下滿足高反射率的要求; 利用HfO2- SiO2 材料具有高的激光損傷閾值的特點, 在Nb2O5- SiO2 膜堆的最外部分疊加HfO2- SiO2 膜堆, 膜堆間隔部分采用SiO2半波層作為過渡層, 并對Nb2O5- SiO2 起到提高其抗激光損傷能力的半波保護作用, 做到采用較少的膜層數, 達到高反射率要求, 同時提高薄膜的抗激光損傷能力。
1 激光反射膜理論分析
1.1 全介質反射膜
傳統的介質高反射膜采用的是高低2 種折射率材料疊加光學厚度為λ/4 周期性多層膜結構, 從多層膜的特征矩陣[9]出發, 對于周期膜系S, 可以得到偶數層2S 和奇數層2S+1 在中心波長λ0 處的反射率分別為:
式中: n1、n2 為2 種材料的折射率( n1> n2) ; n0 為入射媒介的折射率; ng 為基底材料的折射率。由薄膜光學理論知道, 若給定層數為奇數, 則用高折射率層作最外層, 總是能得到最大的反射率, 所以基本的反射膜堆結構一般為Sub/(HL)SH/Air。根據多層膜反射率公式( 2) 可知: 當2 層膜的周期數S 固定時, 反射率R 隨n1/n2 增加而增大, 而當n1/n2 的比值固定時, 反射率R隨S 增加而增大; 所以為了獲得高的反射率, 可以選用高低折射率差值大的材料組合和沉積較多的層數。從理論上講, 全介質膜層在層數足夠多時, 可以達到接近100%的反射率, 但實際上膜層的層數不可能無限地增加, 最高可達到的反射率要受到膜層吸收和散射損耗的限制, 而且層數越多, 膜層應力越大, 膜厚監控難度也會加大, 鍍制成本也會隨之增加。為了優化膜系的設計與制備, 要求所使用的鍍膜材料具有最低的吸收和最高的折射率比值, 目前為獲得高反射率,常選用TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2、Nb2O5/SiO2 等具有高折射率比值的材料組合。
1.2 高損傷閾值激光反射膜
對于高功率激光系統中的反射鏡, 高的反射率水平并不能直接反應反射鏡抗激光損傷的強度, 即激光高反射膜的損傷閾值。設計具有高損傷閾值的激光反射膜時必須考慮激光在膜層中的駐波場和溫度場的分布情況。已知激光在膜層中傳播時入射光和反射光的干涉在薄膜內形成了駐波場, 在薄膜內部吸收系數處處相等的區域, 駐波場強越大, 該區域的吸收損耗越大。對于標準的λ/4 高反射膜系, 駐波場強最大峰值位于最外層膜和其相鄰一層膜的交界面上, 最大強度為4n02/nH2,次極大按比值nL2/nH2 成比例減少, 越到膜層內部, 駐波場強越小; 所以高反射膜的損耗, 主要取決于靠近入射媒介的最外幾層膜的吸收系數大小和駐波場強的分布, 在可見光區和近紅外區, 高折射率材料的消光系數一般要比低折射率材料大一兩個數量級, 損傷往往是發生在最外側幾個膜堆中的高折射率膜層。對于高功率激光薄膜, 最終導致薄膜損傷或失效的是其局部溫升, 研究薄膜的激光破壞, 必須考慮薄膜內部的溫度場分布, 薄膜內的峰值溫度隨吸收系數急劇增加, 通過計算常規的λ/4 高反射膜系的駐波場( 見圖1( a) ) 和溫度場( 見圖1( b) ) 分布[6]可以看出, 在薄膜材料以及各種吸收特性相同的條件下,高反射膜層的溫度場分布直接取決于駐波場的強弱,如圖1 所示。
2 高反射率、高損傷閾值激光薄膜膜系設計
為同時達到高反射率和高抗激光損傷的要求, 設計高性能的激光反射膜需滿足以下原則: ( 1) 選取高低折射率差值大的材料組合, 減少鍍制膜層數, 降低制備難度和生產成本; ( 2) 從激光對薄膜的破壞角度來說, 膜層材料應具有高的抗激光損傷閾值, 否則, 再優良的光譜性能也沒有使用價值。SiO2 在工作波長上吸收系數很小, 呈均勻的微粒生長, 膜層結構為無定型態, 具有較高的激光損傷閾值, 是一種理想的低折射率材料。考慮可能達到的高低折射率差和高抗激光損傷閾值, 可選用的高折射率材料非常有限, 如Ta2O5、TiO2、Nb2O5 等一般為低熔點材料, 其抗激光損傷閾值較低, 在激光輻照過程中能量累積對薄膜燒蝕效應明顯。具有高抗激光損傷能力的材料, 如HfO2、Y2O3、ZrO2 等, 其折射率往往偏低, 達到高反射率要求存在所需層數多、膜面粗糙、鍍制難度大、成本高的缺點。為克服上述缺點, 提出一種新的高損傷閾值激光反射鏡的設計方法: 不采用傳統的2 種高低折射率薄膜材料, 改用三種薄膜材料, 低折射率材料選用具有極好抗激光性能的SiO2(n=1.465), 高折射率材料選用具有很高折射率的Nb2O5(n=2.35) 和極高抗激光損傷閾值的HfO2(n=1.96)。根據激光在薄膜內的駐波場和溫度場分布主要集中于靠近空氣側的最外幾層的特點, 即激光損傷也經常發生在這幾個膜層中, 在設計中采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料膜系結構, 在整個膜層結構的內側, 即損傷幾率較小的部分采用Nb2O5-SiO2 膜堆, 利用其折射率比值大的優勢通過較少的膜層數達到高反射率的要求; 在該膜堆的最外部分疊加HfO2- SiO2 膜堆, 以HfO2- SiO2 膜堆組合具有強抗光損傷性能來保證整個膜層的抗激光能力; 膜堆間隔部分采用SiO2 半波層作為過渡層, 對Nb2O5- SiO2 起到提高其激光損傷能力的半波保護作用, 采用較少的膜層數可以滿足高反射率、高損傷閾值的要求。
3 多材料混合激光反射膜膜系設計實例
根據上述分析, 提出膜系結構: Substrate / (HL)m2L (ML)nM 2L / Air ( m>n) , 從膜系的實際制備情況出發進行光學薄膜的優化設計, 這里給出采用雙離子束反應濺射沉積制備HfO2、Nb2O5 和SiO2 薄膜的性能參數, 實驗裝置及沉積工藝參數見參考文獻[10], 以此進行膜系設計。
設計步驟為首先設計一個常規的27 層高反射膜堆, 膜系結構: glass / (HL)13H / Air, H 為Nb2O5 高折射率材料, L 為SiO2 低折射率材料, 光譜透射率曲線如圖2 所示, 中心波長1 064 nm 的理論反射率為99.995 4%。計算其電場強度分布曲線, 見圖3, 電場強度峰值大于10 V/m 的有4 個部分, 主要分布在最外側的8 層高低折射率膜層交界處, 最易發生激光損傷。按照上述設計方法, 采用HfO2- SiO2 多層膜對易損傷部分進行替換, 膜系結構: glass / (HL)10 2L(ML)3 M 2L / Air, M 為HfO2 高損傷閾值材料, 經過計算, 新的膜系結構在中心波長1 064 nm 處的反射率為99.992 6%, 相比于只采用Nb2O5 的膜系在反射率上僅降低了0.002 8%, 仍能夠保證大于99.99%的高反射率要求, 如圖4 所示, 但在抗激光損傷能力上,由于使用高性能的HfO2- SiO2 多層膜組合, 將會有很大的提高。從圖5 的駐波場電場強度分布可以看出,電場強度較強的部分都分布在具有極高抗激光損傷閾值的HfO2- SiO2 膜層中, 易發生損傷的Nb2O5 膜層最高場強峰值只有6.5 V/m, 這種設計在保證膜系高反射率的光譜特性下極大地提高了其抗激光損傷性能。對于單獨使用HfO2- SiO2 多層膜系, 也進行了計算, 膜系結構: glass / (ML)13M/ Air, 光譜曲線見圖4中的虛線部分, 27 層HfO2- SiO2 反射膜堆, 盡管具有很高的損傷閾值, 但中心波長處的最高反射率僅為99.93%, 而且反射帶寬很窄。對于采用反應濺射沉積制備HfO2 、Nb2O5 和SiO2, 在靶材成本和沉積時間上有很大差別, 具體參數如表1 所示。高純度金屬Hf 靶的價格是金屬Nb 靶的7 倍, 從沉積時間上比較, Hf的沉積速率是Nb 的1/2, 而且Nb2O5 (n=2.35)的折射率是HfO2(n=1.96) 的1.2 倍, 所以采用HfO2- Nb2O5-SiO2 多材料膜系結構, 取長補短, 在滿足薄膜光譜特性和損傷特性的條件下, 可以減少鍍制時間, 降低成本, 真正做到工程最優化設計。
4 結論
通過對激光高反射膜的光譜性能和損傷原因進行分析, 設計出一種高反射率、高損傷閾值激光薄膜:對3 種材料進行組合, 根據材料光學特性、損傷特性的不同, 取長補短, 采用HfO2- Nb2O5- SiO2 多材料膜系結構, 即采用Nb2O5- SiO2 膜堆達到高反射率的要求,在該膜堆的最外部分疊加HfO2- SiO2 膜堆, 做到用較少的膜層數, 達到高反射率要求, 同時提高薄膜的抗激光損傷能力, 這種設計方法物理概念清晰, 理論推導簡單, 有很強的實用價值。
摘自：中國計量測控網
